对GPS水下定位仪定位的精确性再探究

范校蜜，严家芳，竺江峰

（浙江海洋学院，浙江舟山 316000）

对GPS水下定位仪定位的精确性再探究

范校蜜，严家芳，竺江峰＊

（浙江海洋学院，浙江舟山 316000）

在教材中GPS水下超声定位实验中，可以用等价法计算出精确地Ø值。结果表明：运用该方法可以在很大程度上减少实验误差，从而大大提高了实验的精确度。

GPS；超声波；定位；等价法

超声波已经被广泛运用于科学研究［1］、工程技术［2］、交通管理［3］和医疗诊断［4］等各方面。对于GPS水下超声定位的实验，教材［5］中详细地介绍了实验方法，但我们在做该实验时发现，由于测量棒都有一定的厚度，只要当测量棒圆周轨迹不是在最中心（即θ≠0），φ值都会有一个较大的范围（4°～8°左右），对于时间的误差（最多只有1 μs）可以忽略。这样不易准确定位，导致实验误差较大。为了提高精确度，提出了用等价法算出φ值的实验方法，结果发现算出的φ值对结果的精确性做了保证，该方法能有效地提高实验的精确度［6］。

1 实验原理

超声波遇到两种物质大的分界面时，由于声速的不同，按照波动的规律就发生反射和折射。可以用超声波测距，和定位［7－8］。在教材所给的实验原理中，在检测时从超声波发射器发出的超声波经水介的传播到接收器的时间，即渡越时间，渡越时间与水中的声速［9］v相乘，就是声波传输的距离。由于在该仪器中，利用单片机编程已把传输时间除过2，因此数码显示器的时间就是探测器到被测物的时间t，其探测到的距离［10］如下式所示：L＝vt。

对于角度φ的值是在换能器旋转角度指示器上直接读出来的。φ值都会有一个较大的范围（4°～8°左右）。而在用等价法时，角度φ的值是通过计算得来的而不是直接读出来的。为了验证计算出的φ值比读出的φ值更准确，我们把φ1与φ2的值分别输入到GPS水下超声定位仪的软件［11］中进行计算，根据计算出的误差来进行比较和验证。

在FB215型GPS水下超声定位仪［12］的实验装置中，用等价法探究GPS水下定位仪定位实验的图解及原理如下：

图1 GPS水下定位仪定位实验图

在图1中，设从换能器B到圆心O的距离为P，渡越时间为tp。

2 实验步骤

2.1 定标

（1）由于有相应的软件，优先考虑温度法，直接测量水的的温度T，该温度下速度v由软件可得出。

（2）用仪器中所带的铁棒挂在圆柱体容器中心下的螺钉上，记录圆周半径r，测量时间tp，计算出长度P。

2.2 运动方式

（1）让被测物作圆周运动：保持被测物在横梁上的位置不变，将横梁转到θ＝0°，读出tBD的值，并记录下来，然后均匀地改变θ值，让被测物绕容器中心O作圆周运动，并在换能器旋转角度指示器上直接读出各个的值φ1（原方法），和显示的时间tBA，分别记录下来。最后由tp、tBD和tBA分别计算出相应φ2（等价法）。

（2）被测物体作直线运动：固定横梁，保持θ值不变，并记录θ值。让被测物沿横梁作直线运动。从4 cm起，每移动1 cm，分别记录显示的时间tBA和φ1（原方法），再把横梁转到θ＝0°。从4 cm起，每移动1 cm，记录下对应的tBD。最后由tp、tBD和tBA分别计算出相应距离r所对应的φ2（等价法）。

2.3 结果

（3）将所得的实验数据分别输入到计算机的软件中，该软件即可自动用列表与绘图的方式给出含实验结果（r′，θ′）、理论值（r，θ）、误差百分比的表格、及运动轨迹图。

3 举例说明

实验室的温度：T＝10.0℃

超声波声速：v＝1 341.28 m／s（由软件得出）

渡越时间：tp＝89μs

容器半径：P＝vtp＝11.94 cm（由软件得出）

表1 圆周运动测量结果

表2 用φ1得出的结果（由软件得出）

表2 表3 用φ2得出的结果（由软件得出）

图1 φ1得出曲线

图2 φ2得出曲线

4 结 论

（1）由以上结果可以清楚发现，因为被测物体为圆柱体，其反射面为半圆形，超声波发射的位置可能在半圆形的任何点上，就可能造成半径的不相同。这样不易准确定位，导致实验误差较大。在圆周运动中，半径是确定的，所以实验者较多的注意了角度的精确性，而忽略了此时的半径并不是真正的半径，会有较大误差。而用等价法算出的φ值有较高的精确性，如果增加探测的次数，再取其平均值那么测得的结果将更接近于实际值。使结果精密度大大提高。

（2）在实验中人为调整换能器角度容易产生较大误差，如果能够配置仪器自身的微调设备，如螺旋调微器，可以读取更精确的数据。

（3）另一方面如果被测物能换成超声波感应装置［13］，就能很大程度上避免因为被测物半径带来的误差，而实验的灵敏度就更高了。

［1］ 王国宏.钛及钛合金相变的超声波研究［J］.稀有金属快报，2002（10）.

［2］ 许发文，刘志潜.超声波自动水位测报仪应用于焦作控导工程［J］.治黄科技信息，2002（4）：17-20.

［3］ 张秀再，朱节中，陈钟荣.8254在高速公路超声波测速中的应用［J］.微计算机信息，2008（29）：111-115.

［4］ 韩霜.新技术＋新联盟：NS发力超声波医疗领域［J］.世界电子元器件，2010（10）.

［5］ 竺江峰，芦立娟，鲁晓东.大学物理实验［M］.北京：中国科学技术出版社，2007.

［6］ 马世红.设计性、研究性物理实验的实践情况［J］.物理实验，2004（11）：24-26.

［7］ 孙存英，俞嘉隆，乔卫平.超声波探测技术原理实验［J］.大学物理实验，2010（1）：31-35.

［8］ 牛原，赵中龄，腾永平.成正维 超声波专题实验的设计与教学［J］大学物理实验，2007（3）：31-33.

［9］ 岑敏锐.超声波在液体中的传播速度与温度的关系［J］.物理实验，2008（5）：42-44.

［10］张琛，耿标.超声波测距的原理及设计［J］.科技传播，2010（13）：16-19.

［11］浙江工业大学理学院光电研究所研制GPS水下超声定位仪1.0版，2003.

［12］杭州精科仪器有限公司.GPS声纳定位（FB215型超声GPS定位演示仪实验讲义）.

［13］最先进的IC：超声波装置收发器［J］.电子与电脑，2010（7）：16-19.

The Explore of Positioning Accuracy in the Underwater Positioning System of GPS

FAN Xiao-mi，YAN Jia-fang，ZHU Jiang-feng

（Zhejiang Ocean University，Zhejiang Zhoushan 316000）

In the teaching material in the GPS submarine supersonic localization experiment，we may use the equivalent method to calculate preciselyθValue.The result indicated that it can reduce the experimental error to a great extent using this method，thus enhanced experiment＇s precision greatly.

GPS；ultrasonic；positioning；equivalent method

O 422

A

1007-2934（2011）05-0007-03

2011-06-02

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