不同型号罗经对ADCP流量测验精度影响浅析

【摘 要】声学多普勒流速剖面仪（ADCP）是当前水文行业应用较广的新型流量测验仪器，该技术具有测流历时短、采集数据量大、精度高等优点。本文通过对外接罗经在该仪器中的作用及误差分析，探讨如何提高ADCP测流精度。

【关键词】ADCP流量测验；罗经；误差分析；精度

0 引言

ADCP是英文ACOUSTIC DOPPLER CURRENT PROFILES的缩写，中文译为声学多普勒流速剖面仪。经过多年的比测分析，该仪器逐步取代老式常规法的旋浆式流速仪，成为内陆河流流量测验主要手段和方法。但是在实际投产应用过程中，有两个问题制约着该仪器的测验精度：（1）当测验断面含沙量较大或存在“河底走沙”情况时，会造成流速测量错误。流量系统偏小；（2）ADCP仪器内置磁罗经易受铁磁体干扰，导致流向测量错误，从而影响流量精度。

为解决上述问题，经过大量的比测实验，已经摸索出通过外接高精度GPS来测量流速可以解决高含沙量和“河底走沙”问题，通过外接罗经可以解决ADCP内置罗经受铁磁体干扰失效问题。本文主要比较几种不同类型罗经之间的区别和实际应用情况，以及对流量测验精度的影响。

1 罗经在ADCP测流系统中的作用

罗经在ADCP测流系统中的作用是将系统ADCP的仪器坐标转换成大地坐标，通俗的说就是在ADCP仪器安装时，3号探头方向必须与测船中轴线方向保持一致，而3号探头的方向和大地正北方向的关系由罗经决定，进而将3号探头方向确定下的仪器坐标测量值通过罗经而转换成大地坐标。铁质船体对ADCP内置罗经存在比较大的磁场干扰影响，使得ADCP内置罗盘产生“磁偏角”，导致罗盘和倾斜计提供错误（或者偏离）的方向和倾斜数据，因此，在受到磁场干扰的情况下，ADCP测得的流速是有误差的。

当ADCP换能器声波发射以后，从不同深度返回的散射回波时间是不同的，换能器检测不同时间上的频移，即可得到不同层中散射体的相对速度，也就是水流相对ADCP（或船）的速度，该速度是建立在仪器坐标系统之上，需将转换到大地坐标。

2.1 KVH AutoComp1000磁罗经

磁罗经是利用自由支持的磁针在地磁作用下稳定指北的特性，取得方位基准，测出方位的一种仪器。使用时必须进行误差修正，误差随时间、地点等发生变化。KVH AutoComp1000罗经是磁罗经的一种，可以精确提供航向数据，能连续自动补偿航向，可以兼容0183NMEA数据格式。精度：±0.5°，定北误差

2.2 Magellan 3011GPS罗经

GPS罗经技术是利用GPS（全球定位系统）系统定位，具有定位精度高、全天候、高效率、多功能、操作简便、数据质量可靠、应用广泛等特点。采用两个高精度GPS接收机作为卫星信号传感器，利用载波测量技术和快速求解整周模糊度技术，精确计算出运动载体的方位角。GPS罗经系统由天线、数据处理器和显示器组成。Magellan 3011GPS罗经是泰勒兹导航定位公司设计的GPS罗经，具有精度高、速度快、易安装等特点，并且价格不贵。3011拥有2个GPS天线，采用具有创新性的先进算法，通过同时从每个天线接收多达12颗卫星的信号，来快速解算出一个天线相对于另一个天线的位置，从而精确地描述船舶的航向及航迹。定向精度：0.5°；测速精度：0.05m/s。

2.3 天宝SPS551GPS罗经

3 几种类型罗经应用实例及精度分析

3.1 流量精度分析

样本分析数据均为长江中游干流水文站不同时期使用所测资料。测船配置为铁质船体，ADCP型号为瑞江600KHZ，外接GPS为天宝R8RTK，只是各个时期比测所用的外接罗经型号和精度略有不同。选取比较有代表性的3次流量测验成果，主要对比各测次流量与常规流速仪法所测值，从中得出对流量精度的影响。

从表1统计结果可以看出：当流量超过20000（m3/s）时，受到“河底走沙”影响，BTM（底跟踪）模式下测得的流量普遍偏小，均超过了5%的误差限值。随着流量的增大，误差随之增加。但是采取了外接GPS测量流速后，GGA模式之下的流量误差均满足5%误差限值，这说明3种外接罗经均能正常工作，并提供正确的航向数据。

3.2 罗经角度变化比较

通过软件回放数据，检查船迹线可以发现，采用KVH AutoComp1000磁罗经的测次，在磁偏角改正时，输入的角度并不固定，分别为：-3°、 -7°、-6°和-2°，而其他两种罗经的磁偏角改正4个单次均为固定的值，这说明相比于GPS罗经，磁罗经具有数据变化较大，非线性连续采集及精度较低等不足，特别是在小流量时这个问题将严重影响流量测验精度。

3.3 信号丢失工作状态比较

比较Magellan 3011GPS罗经和天宝SPS551GPS罗经测验成果，可以看出：在信号突然丢失时，Magellan 3011GPS罗经角度会变成0，造成流速矢量反向，出现0角度的剖面流量按负值计算。而天宝SPS551GPS罗经在遇到信号丢失时，具有惯性制导功能，继续按照前一个角度输出，这样就可以保证在信号恢复正常前，罗经依然可以按照惯性输出角度，保证定向的一致性，从而保证测验过程不中断。

3.4 抗干扰比较

由于测验断面附近经常有大型直卸驳经过，特别是测船需绕行直卸驳测验时，大型铁磁体对罗经有较强的干扰，磁罗经和Magellan 3011GPS罗经，在测船经过直卸驳时，信号容易丢失，而天宝SPS551GPS罗经能正常工作。由此可见抗干扰能力也是评价罗经对流量精度影响的一个重要指标。

3.5 角度校准比较

罗经在安装完成后，首先必须进行罗经自身校准。校准的目的主要是校正罗经精度和安装偏差。KVH AutoComp1000磁罗经主要采取测船绕圈，来适应当地磁场

Magellan 3011GPS罗经的校准方法可分为人工校准和自动校准计算。天宝SPS551GPS罗经无需校准，开机预热接收到卫星信号后，即可正常输出航向角度。

4 结论

通过近些年来的大量比测分析，ADCP受“河底走沙”和铁质船体干扰的问题，已经采用外接GPS和罗经得以解决。GPS由于技术发展快，各种型号仪器工作状态都比较稳定，影响ADCP流量精度的主要因素就是外接罗经，一种抗干扰、具备惯输出、安装方便而价格便宜的罗经就显得尤为重要。GPS 罗经具有不受磁场干扰， 不受船速及纬度影响等特点，是铁质船体上进行ADCP测量必不可少的辅助设备，为水文现代化建设提供了有力保障。

【参考文献】

[1]中华人民共和国国家标准《河流流量测验规范》GB50179-93[S].

[2]田淳，刘少华.声学多普勒测流原理及其应用[M].黄河水利出版社，2003.

[3]陈守荣，香天元，蒋建平.ADCP外接设备对流量测验精度影响的探讨[J].人民长江.2010.