GNSS-声学位置服务中声速误差修正方法

声速误差是GNSS-声学定位中的主要误差源,制约了GNSS-声学位置服务的精度。基于海洋时空基准网的思路,本文研究了GNSS-声学位置服务中声速误差的修正方法。首先,提出了一种声速剖面时域变化分层模型,以削弱声速的时空代表性误差;然后,针对没有声速剖面的海域,借鉴GNSS对流层误差的处理方法,提出了GNSS-声学位置增强服务的方法;最后,面向潜航器位置增强服务,进行了海洋声速层析方法的分析。利用南海水深3000 m海域的实测数据对上述声速误差修正方法进行验证,结果表明:经验正交函数法分层构建的声速场能以分米级精度确定海底控制点的位置;基于海底的控制点,利用本文所提出的GNSS-声学位置增强服务方法可为水平距离3000 m范围内的测船提供分米级精度的位置增强服务;层析的海洋声速剖面,在深度大于潜航器的区间内精度优于3.5 m/s。

考虑声速误差的水声定位组合导航方法研究

针对水下航行器利用单信标声学定位时,声速误差影响定位精度的问题,提出一种基于时延信息测量的水声定位组合导航方法。建立航行器运动推算定位模型,并将平均声速扩展为状态,以应答信号时延为测量方程,构建扩展卡尔曼滤波模型进行组合导航信息融合。研究表明,选择时延信号而不是测距信息作为组合导航的测量信息,可以有效地估计出实际声速,提高利用单信标定位的精度。仿真分析结果表明该方法具有较好的效果。

多波束水深测量中声速误差的楔形表示法

针对多波束水深测量时声速剖面对测深精度的控制问题,提出了一种声速误差楔形表示法。基于两个声速剖面,采用常梯度声线跟踪法分别对不同声速剖面下换能器照射区域内水深点位置进行模拟计算,最后通过比对得到波束覆盖范围内各水深点对应的测深误差估计值;将其采用楔形图进行表示,并对超出水深限差的水深区域进行标注,为评价声速剖面对水深精度的控制能力提供参考。

基于多波束数据的声速误差自动改正方法

讨论了声速误差对多波束测深值的影响,在此基础上,建立了自动搜索等效声速剖面的改正方法。该方法利用多波束实测数据搜索等效声速剖面,取代实测声速剖面,可削弱声速误差的影响。实例计算表明,利用多波束实测数据建立的声速剖面自动改正方法,能够有效地消除声速误差的影响,并且在处理过程中不需要人工干预,较大地提高了改正效率。

顾及声速误差的USBL/SINS紧组合导航算法研究

采用水下超短基线定位系统和捷联惯导系统组合对水下潜器进行导航时,未知的声速误差会严重影响组合导航的精度。顾及超短基线定位系统的噪声水平、阵列上接收单元的误差特性以及和捷联惯导系统在导航性能的互补性,基于平面波近似原理,建立了SINS/USBL紧组合系统的状态方程和量测方程,并对未改正的声速误差在线估计,提出一种超短基线定位系统和捷联惯导系统紧组合算法。新算法可以将非高斯的未知声速误差进行建模后进行估计,有效提高了捷联惯导系统的误差估计性能。仿真实验结果表明,新算法能有效估计未知声速误差,滤波收敛后的精度明显优于松组合方案,具有很强的实用性。

声速误差对水深测量的影响分析

从声速误差来源进行分析,探讨了目前长江航道水深测量中声速测量的现状,并对长江上不同水道的声速进行长达4 a的声速测量和数据分析,通过数据分析长江航道水深测量中影响声速的各种因素,从而发现规律,最后提出了一些减少声速测量误差对水深影响的相关方法。

珠江口水域多波束测量声速误差改正分析研究

珠江口是珠江三角洲水系汇聚出海口的统称,它是粤港澳大湾区、泛珠江三角洲经济区的核心城市以及一带一路的枢纽城市,是华南地区最重要的航道之一。广州港主航道为广州港出海航道,深圳港西部以铜鼓航道、西部航道为主。因此,航道需要进行常规维护,对航道频繁的测量,保障船舶顺利通航非常有必要。本文主要针对珠江口水域声速最复杂的南沙港区附近水域,声速变化对多波束测深的精度影响进行分析改正。

声速误差对SAS方位分辨率的影响研究

声速误差是制约SAS分辨率提高的重要因素,理论分析了声速测量误差和声速梯度对合成孔径声呐方位分辨率的影响,研究指出声速测量误差引起的方位分辨率降低量,随探测斜距近似线性增大;声速梯度引起的降低量,随探测深度近似二次方增大,并作仿真验证。

基于等效声速剖面原理的测深误差改正方法

水下地形测量中,水中声速误差的存在,造成在多波束测深数据中边缘波束区域测深误差显著增大,严重影响了多波束测深精度。对此,本文提出一种基于等效声速剖面原理的测深误差改正方法。针对相邻测线重叠区域的测深不符值序列,以声速误差、整体测深偏差、随机测深误差在等效声速剖面框架结构下构建函数模型,基于稳健估计原理对声速误差进行估计,进而实现测深偏差的整体改正。基于广东红海湾浅水测量数据和西太平洋深海测量数据的实验结果表明,本文所提方法可有效削弱声速导致的测深误差,改正后测深精度分别提升33.3%和32.6%。

参考声速剖面误差对主动式声呐定位影响仿真分析

参考声速剖面误差是制约水下定位精度最棘手的误差源.目前国际上主要存在声速剖面校正和传播时间校正这两类主动式声呐定位方法.本文提出了主动式声呐观测的信号传播时间追赶仿真算法,构建了带周期函数的经验正交函数声速场建模方法,实现了主动式声呐观测及水下定位海洋误差仿真,开展了声速剖面校正法和传播时间校正法两类定位模型对比分析.结果表明,虽然两种方法都具备良好的声速误差补偿效果,但两者仍存在毫米级差异;此外,海面测线构型优化有助于削弱参考声速误差影响.

基于最优模型选择的多信标长基线定位系统误差辨识方法

为辨识多信标长基线定位系统误差,及提高定位精度,针对目标安装多个信标且目标体积不可忽略的情况,构建了多信标体制的长基线水下定位模型。进一步针对测元系统误差中包含的声速误差、时延误差,在多信标体制定位模型的基础上,构建了多类系统误差辨识模型,并结合水下目标定位过程,计算时延残差,构建模型最优检验统计量,给出了系统误差模型的最优选择准则,实现水下目标位置参数和系统误差参数的有效估计。仿真结果表明,该模型最优选择准则可以有效选择合适的系统误差辨识模型,提高长基线水下目标的定位精度。提出的基于最优模型选择的多信标长基线定位系统误差辨识方法可为水下目标定位试验提供理论支撑和有效参考。

声速剖面测量误差对水下定位的影响

声速误差是全球导航卫星系统/声学定位的主要误差。受海洋环境的复杂时空变化和声速测量多来源误差影响,声速剖面必然含有测量误差,从而影响水下定位结果的精确性。在仅考虑声速垂向分层假设的前提下,本文对声速剖面观测中不可避免的系统误差和随机误差对海底应答器定位的影响进行了研究。结论如下:当海面航迹关于海底应答器成轴对称时,声速误差主要反映在垂直方向以及其中一个水平方向;当海面航迹关于海底应答器成中心对称时,声速误差主要反映在垂直方向,且水平方向的精度几乎不受声速误差的影响;声速剖面无论是含系统误差,还是随机误差,其对定位结果的影响都是系统性,对海底应答器定位结果的影响规律也是相同的,且均可由顾及声速剖面时空代表性误差的海底精密定位模型予以削弱。

多波束测深系统误差分析及声速改正模型应用

声速测量对多波束测深系统测量精度具有重要影响,声速测量受环境影响较大,在不同物质环境下,声波的声速和传播方向存在较大差异。本文针对声速误差产生原因进行研究,引入自适应分层声线跟踪法、等梯度声线跟踪法等声速误差修正方法,并结合试验对两种方法在同一位置不同时段声速修正情况进行分析。结果显示:自适应分层声线跟踪法在全天各时段能更好地对声速进行还原,数据精度较好。

GNSS‑声学海底定位的声速误差处理方法综述

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)⁃声学海底定位是面向海底俯冲带板块形变监测需求提出的一种定位技术,也是建设海洋时空基准网的一种重要技术,有着广阔的应用前景。虽然目前GNSS⁃声学海底定位技术的研究成果还不能满足海洋时空基准网的建设需求,但其数据处理方法尤其是声速误差精细处理方法,对海洋时空基准网海底部分(海底大地基准)的建设具有重要借鉴意义。介绍了GNSS⁃声学海底定位技术的起源,并将其分为静态测量和动态测量两类,同时将声速误差处理方法作为该技术的发展脉络进行梳理,提炼了该技术的3个发展阶段:仅假设海洋声速垂向分层、考虑声速的时域变化、考虑声速的水平梯度。对于仅假设海洋声速垂向分层的阶段,国外学者采用几何结构对称的方式来削弱声速误差的影响;国内学者则主要对声速以外误差源(杆臂矢量误差、时标偏差、姿态角误差等)进行了研究,并用优化随机模型的方式削弱系统误差对定位的影响。对于考虑声速时域变化的阶段,国外学者利用拟合方法(多项式拟合或三次样条拟合)结合参数平滑约束来解算声速的时域变化量,提高定位的稳定性;国内学者基于此细化了参数拟合的方法(考虑参数长周期项的变化特征),并创新性地提出了水下差分定位算法。对于考虑声速水平梯度的阶段,国内外学者在GNSS⁃声学海底定位中解算了声速水平梯度参数,提高了水平方向定位的稳定性,并利用海洋数值模型验证了结果的可靠性。展望了将GNSS⁃声学海底定位高精度数据处理方法应用于海底大地基准建设的前景,并引入了小时空尺度声速层析的概念(基于海洋时空基准网的声速误差处理方法),以期解决数值预报模型不能提供小时空尺度产品的问题,进而为水下潜器提供更高精度的声速误差改正服务。

超声波测厚仪声速粗调范围误差测量结果不确定度评定

声速粗调范围误差是超声波测厚仪的主要技术指标之一。在检定超声波测厚仪的过程中,必须对检定的结果进行不确定度的评定。文章对超声波测厚仪的声速粗调误差的不确定度进行了评定,其评定方法对从事计量检定/校准人员开展工作具有一定的指导作用。

声速的温湿度修正研究

解决了据工程要求是否对声速进行温湿度修正及如何修正的问题。推导出声速的温湿度修正公式,并利用超声波测距精度验证其精确性。分析了确定湿度下声速受温度的影响及确定温度下受湿度的影响,总结出若分别忽略湿度及温度影响,测量声速所产生的最大相对误差。在设计传感器时可根据此误差决定是否对声速进行温湿度修正。

基于地形趋势面的边缘波束数据处理方法研究

受多波束特点及水体环境的影响,多波束边缘波束的数据质量低于中央波束的数据质量。通过分析多波束边缘波束测深误差的影响因素,提出了通过相邻条带中央波束的水深数据获取地形趋势面来提高边缘波束的水深数据质量。在此基础上,推导出了水底地形的曲线拟合公式和边缘波束测深点误差改正公式,并采用了多波束实测数据进行了验证。结果表明:使用该方法处理后的多波束边缘波束水深数据质量明显提高,水深数据更接近真实水深,有效削弱了多波束边缘波束的测深误差,对如何提高多波束的边缘波束数据质量有指导作用。研究成果可应用于多波束数据处理软件的深度研发和多波束实测数据后处理。

声速修正公式分析

首先,利用MATLAB绘出声速对温湿度的变化曲线,分析了确定湿度下声速受温度的影响,与确定温度下受湿度的影响。其次,总结出若忽略湿度的影响,测量声速所产生的最大相对误差;及若忽略温度影响的最大相对误差,在设计传感器时可根据此精度大小决定是否对声速进行温度或湿度修正。

测深仪固定误差和比例误差的检测方法

从测深仪的工作原理出发,根据声波在海水介质中的传播特性,设计了一种单波束测深仪固定误差和比例误差检测的方法和检测流程。考虑到声速对比例误差检测的影响,本文还讨论了将声速误差参与平差计算的检测模型公式并对其可行性进行了讨论。

全球导航卫星系统-声呐组合观测模型分类体系

本文回顾了海底大地测量全球导航卫星系统-声呐观测模型近二十年来的发展,以声速误差处理为主线给出了全球导航卫星系统-声呐观测模型的分类体系,按函数模型、随机模型和约束条件进行了归纳,探讨了未来发展方向。研究表明:测距定位模型无需现场声速剖面测量,但需解决声速垂向梯度影响的有效参数化估计或改正问题;海底大地测量更为关注声速时空变化对观测值影响,为此推荐采用声速场误差加性补偿模型及其导出的声速场参数间接估计模型;海底局域网阵列存在类似共模环境误差,具有提升海洋环境参数估计及海底定位精度的能力。