流速剖面儀測流精度評估技術理論分析研究*

魏世樂 黃 蔚 楊宗元 楊 建 羅 濤 佘亞軍

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

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流速剖面儀測流精度評估技術理論分析研究*

魏世樂 黃 蔚 楊宗元 楊 建 羅 濤 佘亞軍

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

文章針對風和洋流等外界因素對現有的流速剖面儀對水測速考核精度產生影響的問題，提出了一種新的流速剖面儀對水測速精度考核方法,分析了該方法抗風和洋流干擾的原理。理論研究結果表明，該方法原理上可消除風速、風向、流速、流向等外界因素對流速剖面儀對水測速精度考核的影響。

流速剖面儀; 計程儀; 對水測速; 測流誤差

Class Number TB937

1 引言

高精度聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)可應用于水面艦船和水下運載器的導航定位，為導航系統提供精確的速度信息，以修正導航系統由于長時間的速度誤差累積，滿足遠程、長時間航行的導航要求，因此提高多普勒流速剖面儀的測速精度非常重要。

流速剖面儀主要有拖曳流速剖面儀、轉輪流速剖面儀、水壓流速剖面儀、電磁流速剖面儀、多普勒流速剖面儀、聲相關流速剖面儀等類型。其中，ADCP準確性好，靈敏度高，可測縱向和橫向速度，主要用于巨型船舶在狹水道航行、進出港、靠離碼頭時提供船舶縱向和橫向運動的精確數據。ADCP受作用深度限制，超過數百米時，只能利用水層中的水團質點作反射層，變成對水流速剖面儀。

ADCP的測速精度分為對地測速精度和對水測速精度兩部分。其中，衡量ADCP對地測速精度的常用方法主要為高精度GPS測速比對法；衡量ADCP對水測速精度的常用方法主要為順-逆-順自主比對法(標量消流法)。目前，利用高精度的星站DGPS的測速精度可到10-2m/s量級，滿足對ADCP的對地測速精度評定需求。但現有的順-逆-順自主比對法衡量ADCP對水測速精度的方法容易受風速、風向、各水流層流速流向等因素的影響，難以給出精確地評定多普勒流速剖面儀對水測速精度[1～4]。

本文通過對現有的順-逆-順自主比對法的處理算法進行改進，提出了一種能有效地消除風向、洋流流向等外界干擾因素的高精度評定ADCP對水測速精度的方法。該方法原理上可消除風速、風向、流速、流向等外界因素對流速剖面儀對水測速精度考核的影響，有效地提升了ADCP對水測速考核的精度。

2 現有的多普勒流速剖面儀對水測速精度評定方法分析

目前，評定多普勒流速剖面儀對不同水流層測速精度的常用方法為：水槽拖車試驗、同步比測試驗、自身航行試驗。

水槽拖車試驗適用于工作頻率大于300kHz的流速剖面儀精度檢驗，難以模擬真實的多普勒流速剖面儀復雜的使用環境，不適用于高精度ADCP測流精度考核。

同步比測試驗是最為簡單理想的精度檢驗方法，但一方面，需要工作頻率與被檢驗多普勒流速剖面儀工作頻率不在同一頻段的更高精度的流速剖面儀作為檢測標準儀器，而國外的高精度大深度多普勒流速剖面儀對我國是全面限制的，這就使得同步比測法無法用于新研制的高精度流速剖面儀；另一方面，實艇條件下，一般不具備同時安裝被測和同步比測的流速剖面儀的條件，這進一步限制了同步比測方法的使用。

對于工作頻率不大于300kHz的流速剖面儀，且試驗船上不具備同時安裝被測和同步比測的流速剖面儀時，目前只有通過自身航行試驗來考核流速剖面儀的分層對水相對速度測量精度。目前，聲學多普勒流速剖面儀檢測標準給出的自身航行試驗法都是以高精度GPS作為檢測標準儀器，檢測原理主要有以下幾種：

1) 流速比對法[2](GB/T 24558-2009)

該方法的檢測原理為：試驗船在同一航線上，進行兩個航次試驗，第一個航次中同時記錄ADCP對地跟蹤速度值(對地速度)與GPS速度值，第二個航次中記錄ADCP測流速度值(對水速度)，計算ADCP對地跟蹤速度與ADCP測流速度的差值(即ADCP測得的水流速度)，通過與GPS測得的水流速度相比較的方法統計ADCP對水測速偏差。

流速比對法的核心思想在于：ADCP測得的水流速度等于GPS測得的水流速度。該方法有一個明顯的缺點：GPS測得的流速基準值與ADCP的測流精度相關，即考核基準為非獨立項。嚴格意義上，該方法不能用于考核ADCP測流精度。

2) 矢量差法[3](HY/T 102-2007)

該方法的檢測原理為：試驗船在同一航線上作往返勻速直線航行，在滿足要求的試驗區內，同時記錄被檢ADCP在同一地點往返航行的直接測量值(海流相對于載體的速度)、GPS測得的對地速度值，然后計算GPS同一地點的往返速度VGPS矢量差(矢量差用N、E分量分別相減后再合成計算)序列的平均值和被檢ADCP相應地點的往返速度矢量差序列VADCP的平均值，最后通過計算相關系數r、回歸系數a和b來評判ADCP的測速精度。

矢量差法的核心思想在于：被檢ADCP在同一地點往返航行的直接測量值(海流相對于載體的速度)的矢量差等于載體往返航行的對地速度值(GPS測量值)的矢量差。該思想成立的前提條件是表層洋流速度與被測層洋流速度相同，且不考慮風、浪涌等外界作用力的影響，否則該方法不成立。矢量差法的運用條件，決定了該方法計算精度不高，較適用于平穩流場，如湖泊、江、河或試驗場海域)進行試驗，不適合在復雜多變的海洋環境中進行試驗，故而也無法驗證ADCP在真實海洋環境中的流速測量精度。

3) “順-逆”合速[9～10](自身航行試驗度標量消流法)

該方法的檢測原理為：試驗船在同一航線上，通過“順-逆”或“逆-順”兩個航次消流的方式，由ADCP對某一深度的水層進行測速，通過與高精度GPS測得的對地速度相比較的方法統計ADCP對水測速偏差。

“順-逆”合速度消流法的核心思想在于：被檢ADCP在同一航線順流和逆流航行的直接測量值(海流相對于載體的速度)的合速度標量之和等于載體順流和逆流航行的對地速度值(GPS測量值)的合速度標量之和。該思想成立的前提條件是試驗船的航向與洋流、風等外界作用力的方向保持同向。當洋流方向、風向、浪涌流向等外界作用力方向與試驗船的航向有夾角時，該方法的計算精度會受到影響，即“順-逆”合速度標量消流法的計算精度與洋流流速、風速及洋流流向和風向與試驗船航向夾角大小等因素相關?！绊?逆”合速度標量消流法雖然可以用于在真實的海洋環境中對ADCP的流速測量精度進行考核，但為保障考核精度，對試驗船的機動、海區海況等試驗條件要求苛刻，這就決定了該方法在實際試驗中也無法獲得很高的考核精度。

為解決以上問題，降低或消除洋流流速流向、風速風向等外界因素對ADCP測流速度考核精度的影響，本文提出了一種高精度的ADCP測流速度考核方法，給出了該方法抗洋流流速流向、風速風向等外界因素干擾的特性原理，理論分析了該方法相對于標量消流法的精度優勢，最后通過試驗數據驗證了該方法相對于“順-逆”合速度標量消流法具有更高考核精度的特性。

3 矢量平均法抗干擾原理

影響“順-逆”合速度標量消流法對ADCP測流考核精度的主要因素為各水流層的流速流向和風速風向，下面將從原理上分別分析考慮這些因素影響下，試驗船在同一航線上往返勻速直線航行時，GPS測得的試驗船速度值VGPS與ADCP測得的試驗船相對于各洋流層速度值的關系。在以下的分析中，假定：

2) 往返勻速直航的航跡線重合或近距離平行(航跡線下的洋流狀態一致)；

3) 往返勻速直航期間，試驗船的主機轉速V主保持不變。

3.1 不考慮風和洋流的影響(平靜的海洋面，無洋流)

1) 順流，航向角為β時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(1)

(2)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(3)

(4)

2) 逆流，航向角為β+180°時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(5)

(6)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(7)

(8)

ADCP橫向速度平均值：

ADCP縱向速度平均值：

GPS橫向速度平均值：

GPS縱向速度平均值：

1) 順流，航向角為β時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(9)

(10)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(11)

(12)

2) 逆流，航向角為β+180°時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(13)

(14)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(15)

(16)

同理，可得

1) 順流，航向角為β時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(17)

(18)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(18)

(19)

2) 逆流，航向角為β+180°時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(20)

(21)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(21)

(22)

同理，可得

1) 順流，航向角為β時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(23)

(24)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(25)

(26)

2) 逆流，航向角為β+180°時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(27)

(28)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(29)

(30)

同理，可得

1) 順流，航向角為β時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(31)

(32)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(33)

(34)

2) 逆流，航向角為β+180°時

ADCP測得的試驗船相對于第k層洋流的橫向速度和縱向速度分別為

(35)

(36)

GPS測得的試驗船的對地橫向速度和縱向速度分別為

(37)

(38)

同理，可得

綜上，可得如下結論：

由此得到一種高精度的ADCP測流精度考核方法，命名為“矢量平均法”。該方法不受風速、風向、流速、流向等復雜海洋環境的影響，抗干擾能力強，對各層洋流流速的考核精度具有一致性。影響考核精度的主要因素為航向穩定性。

下面將分析“矢量平均法”相對于消流法的精度優勢。

4 誤差分析與比較

現有的流速剖面儀對水測速精度考核方法中，應用最多精度最高也最貼近實際的是“順-逆”合速度標量相消法，下面將詳細分析實際海洋環境下“順-逆”合速度標量相消法與矢量平均法的考核精度高低[5～8]。

圖1 考慮風和水流因素時，流速剖面儀設備載體試驗航行的解算示意圖

1) “順-逆”合速度標量消流法對水測速考核誤差分析

(39)

其中，依據式(31)～式(38)

(40)

其中，依據式(31)～式(38)

2) 矢量平均法對水測速考核誤差分析

由第3小節內容分析可知，當風速、風向和流速、流向穩定，且Δβ=0時，矢量平均法的理論算法誤差為0，即

故而，從算法理論誤差分析上可知，矢量平均法的對水測速考核精度要高于合速度標量消流法。

5 結語

本文提出了一種高精度的流速剖面儀測流精度考核新方法，該方法能適應惡劣的試驗環境條件，可有效降低設備精度評估試驗過程中，風、洋流等對設備考核精度的影響。文中還理論分析了矢量平均法消除風、洋流影響的算法原理，并從理論誤差計算角度，得到了其優于合速度標量消流法的結論。

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[3] HY/T 102-2007, 聲學多普勒流速剖面儀檢測方法[S].

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Theoretical Analysis Research on the Technology of Speed-Precision Measurement Relative to Current for ADCP

WEI Shile HUANG Wei YANG Zongyuan YANG Jian LUO Tao SHE Yajun

(Second Institute for Wuhan Ship Development & Design, Wuhan 430064)

Aiming at the problem of influence of wind and ocean current on speed-precision measurement relative to current for ADCP, a new algorithm is proposed and the principle of its resistance against external interference and disturbancesis analyzed. The theoretical analysis result shows that the proposed method can eliminate the influence of wind and ocean current.

ADCP, log, velocity to current, speed-precision measurement relative to current

2016年5月17日,

2016年6月20日

魏世樂，男，博士，工程師，研究方向：艦船導航、通信、水聲設計。

TB937

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.030