用于水下集成导航系统中测深仪（DVL）校准的新算法

《Ocean Engineering》：Novel algorithm for the calibration of DVL in underwater integrated navigation system

DVL误差校准中传统方法忽略高阶干扰项和小角度偏差，导致精度不足。本文提出局部区域分割（LAS）优化算法，构建单值、三轴、四束标定模型，通过实验验证其显著提升DVL校准精度。

　　

张海旭|李崇|张涛|王光才|王迪

江苏海洋大学海洋工程学院，连云港，222005，中国

摘要

校准在提高水下集成导航系统的性能方面起着关键作用。基于滤波理论的常用校准算法通常忽略了目标方程展开中的高阶干扰项，并且通常假设错位角度很小，以便进行近似计算。在工程应用中，当错位角度不能被忽略时，由此产生的计算误差会变得显著。

为了解决这个问题，我们提出了一种新的局部区域分割（LAS）优化算法，用于多普勒速度日志（DVL）误差校准，该算法考虑了所有误差项。在常用的单值比例因子校准模型的基础上，我们开发了扩展的校准模型，以包括三轴比例因子和四波束比例因子。所有这三个模型都被用来验证所提算法的优越性。实验结果表明，所提算法实现了更高的估计精度，显著提高了DVL校准的精度。

引言

随着对海洋开发的关注不断增加，水下机器人现在被广泛用于海底测绘、管道检测和石油勘探等任务，这突显了它们的先进自主能力（Wang等人，2023年；Zhang等人，2025年；Chen等人，2024年）。为了确保操作可靠性并防止导航失败，开发鲁棒导航系统已成为水下机器人技术中的一个关键研究领域。

诸如捷联惯性导航系统（SINS）、DVL和声学定位系统等技术在水下导航系统中得到了广泛应用（Xu等人，2023年，2024年；Zhu等人，2025年；Wang等人，2025年）。DVL常用于减轻累计误差对航位推算的影响，因为它可以提供稳定可靠的速度信息。为了提高测量精度，在系统投入运行之前进行误差校准是必要的。

许多学者对DVL校准进行了研究。参考文献（Gao等人，2023年）专注于分析船体变形的影响，而（Liu等人，2022年）考虑了DVL和SINS的同步采样频率问题。粒子群优化算法已被应用于（Ding等人，2022年）的校准中。为了应对异常值对整体校准性能的影响（Xu和Guo，2022年），引入了李群理论来重构DVL误差校准模型。参考文献（Wang等人，2021年）结合了拟牛顿法和四元数法来探索DVL校准性能的改进。关于位置观测方法（Zhang等人，2024年），结合了卡尔曼滤波算法和粒子群优化算法来提高校准精度。参考文献（Luo等人，2023年）还将陀螺仪比例因子误差纳入了校准框架。在众多误差因素中（Huang等人，2025年），主要关注由安装错位误差和杠杆臂误差引起的空间坐标偏差的校准。在（Yampolsky和Klein，2025年）中提出的DCNet方法基于二维卷积核，通过训练和学习方法对DVL进行校准。为了应对自主水下航行器（AUV）在水下任务中的DVL校准挑战，Liu提出了一种三点校准方法。这种方法利用AUV自身的机动性来减少上浮的需求，并减少了对全球导航卫星系统（GNSS）信号的依赖（Liu等人，2026年）。Li提出了一种方法，利用截断最小二乘（TLS）和渐进非凸性（GNC）来处理异常值污染和非高斯噪声在具有挑战性的海洋条件下的问题（Li等人，2025年）。参考文献（Hou等人，2025年）提出了一种双层校准模型，该模型将奇异值分解嵌入到和谐搜索算法的迭代框架中，以提高校准效率和稳定性。Ning改进了人工蜂群算法（Ning等人，2025年），以避免在校准DVL时算法陷入局部最优。许多研究人员在算法优化和模型改进方面为DVL校准的进步做出了重要贡献。

由于杠杆臂误差通常可以精确测量，因此安装错位误差和比例因子误差是主要的校准目标。许多学者经常通过将比例因子视为单一值来简化计算。然而，这种单一比例因子的假设仅仅是一个等价假设。此外，校准模型中的高阶误差项经常被忽略，而错位角度被近似为小量以便简化计算。为了解决这些问题，我们引入了三个校准模型，并提出了一种新的算法，考虑了所有误差项以提高校准精度。

本文的其余部分结构如下。第二节首先介绍了常见的校准模型和多比例因子模型。第三节，我们提出了一种名为LAS的新优化算法，用于校准具有不同比例因子模型的误差。第四节讨论了所提校准方法的仿真和现场测试。最后，第五节总结了本文。

部分摘录

常见的单值比例因子模型

DVL框架（d-框架）中的速度受到主要误差的影响，包括比例因子和随机噪声。假设IMU框架与机体框架（b-框架）一致，DVL和IMU之间的固定偏差可以转换为d-框架和b-框架之间的内在联系。DVL对集成导航系统引入的主要误差如图1所示。

IMU和DVL的相对固定安装不可避免地引入了杠杆臂和安装

局部区域分割算法

校准工作通常可以转化为目标函数的优化问题。在本文中，我们提出了一种新的优化算法，即LAS，用于DVL的校准，具体描述如下。

优化通常可以表述为如下最小化问题：