多普勒测速声呐径向波束角标定方法研究
摘要
水下航行器在海洋资源勘探及国防领域中都起着重要作用，高精度导航是水下航
行器的主要需求之一。捷联惯性导航系统（SINS）/多普勒计程仪（DVL）组合导航系
统凭借其高精度、完全独立自主工作及隐蔽性的特点成为了水下航行器的主流导航方
式，准确的DVL标定结果是进行高精度组合导航的前提。为了进一步提高SINS/DVL
组合导航精度，本文对DVL波束径向速度与三维速度转换过程的径向波束角误差展开
研究，分析了径向波束角误差的成因及影响，设计并验证了波束角标定方法。
活塞阵DVL的波束方向源自活塞换能器的自然指向性，其径向波束角误差与换能
器的装配精度有关。相控阵DVL的波束方向由波束形成技术产生，阵元间距误差及相
移补偿误差等都会影响径向波束角的精度。波束角误差通过影响DVL三维速度的精度，
进而影响导航精度。目前常用的DVL标定方法无法完全修正这一误差，大波束角误差
及载体大摇摆均会使标定残留误差增大。
对DVL径向波束角的标定问题，本文设计了两种标定方法：①解析标定法，在一
定的速度激励情况下，可将径向波束速度与三维速度的转换公式进行化简，直接求解
出各波束角，但该方法对实验要求较高，在实际工程中难以实现；②组合标定方法，
在解析标定法的基础上，通过分析径向波束角误差在导航中的传递关系，建立波束角
误差与速度误差的观测方程，设计Kalman滤波器，从而实现对波束角误差的滤波估计。
可观测度计算及仿真实验均表明组合标定方法有效。
对于组合标定方法，使用SINS/DVL一体化设备进行了两次外场组合导航实验。在
湖上平台，基于本文设计的波束域标定方法的导航精度要略优于传统基阵系标定方法；
在海上平台，相较于传统基阵系标定方法，波束域标定方法的导航误差减小了约1.5‰，
两次实验结果验证了波束域标定方法的有效性及适用性。对实验结果进一步分析，在
大摇摆情况下，由波束角误差引起的测速误差无法被安装偏角及比例因子完全修正，
是造成两种方法导航精度差异的主要原因。
关键词：DVL标定；波束域标定；SINS/DVL组合导航
多普勒测速声呐径向波束角标定方法研究
ABSTRACT
Underwatervehiclesplayanimportantroleinmarineresourceexplorationandnational
defense,andhigh-precisionnavigationisoneofthemainrequirementsforunderwatervehicles.
TheStrap-downInertialNavigationSystem(SINS)/DopplerVelocityLog(DVL)navigation
systemhasbecomethemainstreamnavigationmethodforunderwatervehiclesduetoitshigh
accuracy,completelyindependentoperation,andconcealment.ItsaccurateDVLcalibration
resultsareaprerequisiteforhigh-precisionintegratednavigation.Inordertofurtherimprove
theaccuracyofSINS/DVLintegratednavigation,thispaperinvestigatestheradialbeamangle
errorduringtheconversionprocessbetweenDVLbeamradialvelocityand3Dvelocity,
analyzedthecausesandeffectsofradialbeamangleerror,designedandvalidatedabeamangle
calibrationmeth