兩種DVL參數快速標定算法實驗研究

高德洋 韓禮波

（杭州瑞利海洋裝備有限公司，杭州，310023）

DVL主要用于船速測量或水下導航。其工作原理是通過水聲換能器向海底發射特定頻率的信號，同時接收海底反射的回波信號，并提取回波信號的多普勒頻移，得到設備相對于海底的運動速度，對于采用四波束的 DVL來說，在獲取速度大小的同時還能得到運動速度的方向信息[1-3]。DVL設備在設計和安裝過程中，往往存在兩個問題[4-6]：首先是安裝偏角，DVL安裝之后換能器艏向與安裝載體艏向存在一定的夾角，這個夾角可以轉化為 DVL艏向與高精度羅經的偏角，解決安裝偏角最可行的方法是通過標定算法準確計算出偏角大小，并在后續數據處理時用這個偏角修正測量速度。DVL受換能器及結構制造精度、聲速誤差及接收回波信噪比等因素的影響，導致 DVL運動速度測量值與真值存在誤差，可以將上述差異歸結為一個系統修正誤差K系數，用以補償兩者之間的差異。

本文主要研究一種利用縱橫向速度信息的DVL快速標定算法，在DVL測量底跟蹤速度的同時，借助于高精度電子羅盤和差分GPS分別獲得航向信息和GPS位置信息，三者結合實現對DVL設備安裝偏角和系統誤差修正K系數的快速標定。

1 DVL標定算法

DVL能夠測量設備相對于海底的速度，想要實現對 DVL的標定，還需要高精度羅經的航向信息和差分GPS的位置信息的配合[7-8]。DVL聲學換能器安裝完成之后，各方向示意圖見圖 1。聲學換能器艏向與羅經的夾角為α，羅經輸出的航向角為φ，DVL測量的底跟蹤縱向速度為VDY，橫向速度為VDX，也可以將DVL測量的底跟蹤速度分解到東向VDE和北向VDN，差分GPS測量的速度也可以分解到東北向VGE、VGN和縱橫向VGY、VGX。

圖1 DVL角度示意圖

1.1 基于東北向速度的標定

利用 DVL測量的東北向速度，分別計算設備的東北向距離，將所得計算值同GPS測量值對比作差，差值最小則為標定最優。具體流程如下：

（1）數據預處理。按照 3σ原則，同步剔除DVL和GPS測量東北向速度的異常值；

（2）GPS東北向軌跡。將差分GPS的定位信息轉換到東北向直角坐標系下，并計算東北向軌跡LGE和LGN：

（3）DVL東北向軌跡。設置待標定參數安裝偏角α和系統誤差修正K系數，將DVL速度信息轉換到東北向直角坐標系下，并計算東北向軌跡LDE和LDN：

（4）計算定位誤差。將 DVL定位值和 GPS定位值相減，得到總的定位誤差：

（5）遍歷待標定值。調整待標定參數α和K的值，分別計算不同參數下的總的定位誤差。

（6）代價函數最小。定義總的定位誤差ΔL為標定算法的代價函數，使代價函數取得最小的待標定參數值即為要求解的值。

1.2 基于縱橫向速度的標定

從1.1節可以看出，基于東北向速度的標定方法需要對待標定參數進行遍歷計算，極大浪費了計算時間和資源。為了簡化標定流程，提高標定算法的計算速度，也可以采用縱橫向速度分量的標定方法來獲取標定參數。具體流程如下：

（1）GPS速度轉換。結合羅經航向信息將GPS定位信息轉換為船坐標系下的縱向速度VGY和橫向速度VGX。

（2）數據預處理。按照 3σ原則，同步剔除DVL和GPS測量縱橫向速度的異常值。

（3）計算速度均值。分別計算 DVL和 GPS的縱橫向速度均值。

（4）計算標定系數。按照公式（9）分別計算該航次的安裝偏角和系統修正誤差K系數。

若標定試驗共進行了N個航次，則最終的標定系數為N個航次的平均值：

2 試驗介紹

為了驗證縱橫向速度標定方法的有效性，2022年7月在千島湖水域進行了一次300 kHz DVL標定試驗。采用兩種標定方法計算前后DVL和GPS合速度對比如圖2所示，標定完成后航跡對比如圖3所示。采用兩種標定算法對 DVL進行標定，獲得300 kHz DVL兩個航次的安裝偏角α和系統誤差K系數，如表1所示。試驗過程中，基于東北向速度標定選取的參數范圍分為兩組：

表1 兩種標定方法標定兩個航次的結果

圖 2 兩種標定方法計算后DVL和GPS合速度對比

圖 3 兩種標定方法計算后DVL和GPS軌跡對比

（1）步長較大的粗略估計α～[-20∶0.1∶20]和K～[0.95∶0.01∶1.05]；

（2）步長較小的精確搜索α～[-1.5∶0.01∶1.5]和K～[0.98∶0.001∶1]。

從圖2～3和表1可知，基于縱橫向速度標定的結果和基于東北向速度標定的結果基本一致，都能滿足標定要求，但是前者的運算速度相較于后者有大幅度的提高，說明前者在實際應用中能夠提高運算速度，實現快速標定。此外，東北向標定方法的時間消耗主要與數據量大小和標定參數搜索點多少有關。由于航次1和航次2的數據量大小不同，導致東北向標定方法所需要的計算時間也不相同。兩個航次在不同的標定參數范圍下所消耗的時間是相似的，小步長范圍對應的搜索點相較于大步長多，所以小步長范圍所需要的時間更長。

3 結論

DVL設備在設計和安裝過程中存在安裝偏角和系統誤差修正K系數問題，可以通過東北向速度標定或縱橫向速度標定方法解算兩個標定系數。本文通過湖上試驗比較了兩種方法解算標定系數的結果，對于同一批次數據，基于東北向速度標定方法計算量較大，運算速度較慢，算法精度與標定參數搜索范圍有關，適用于數據后續精細化處理；基于縱橫向速度標定方法計算量較小，運算速度較快，適用于數據實時快速處理。在實際應用中，兩種參數標定方法可以作為標定結果的互校準依據，能夠輔助試驗人員判斷標定試驗效果，如果兩種方法的標定結果一致，則表明標定試驗基本成功。