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。

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%。

高速铁路全封闭声屏障基础及拱架施工误差限值研究

我国高速铁路的运营里程已超过4万km,且越来越多的高铁线路在规划建设中会不可避免地穿过人群密集区。高速列车产生的噪声会对沿线居民产生较大干扰,传统的直立式声屏障的降噪效果已难以达到要求,安设全封闭声屏障作为一种更有效的降噪措施,近几年逐渐走进人们视野。然而该措施目前在高铁项目上应用较少,其整体工程的设计与施工仍存在较多问题。根据津兴铁路固永特大桥工程实例,通过数值模拟的方法,重点以全封闭声屏障的基础施工和拱架施工为研究对象,对基础和拱架这两个关键施工环节中的误差来源进行总结,对施工中的误差限值提出建议,相关研究可为后续高速铁路桥梁上全封闭声屏障的施工提供借鉴。

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。

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。

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。

海洋内波对海底精密定位的影响

全球导航卫星系统-声呐组合观测技术通常基于具有固定结构的声速剖面实施;由于海洋密度分层导致的内波会导致海洋声速场时空变化。本文探讨了海洋声速误差对水下定位的影响,仿真不同内波影响条件下的四维时空声速场变化,在此基础上,分别研究了具有固定声速结构的静态声速剖面时,海洋内波对水下定位的影响和采用估计海洋声速梯度的水下定位模型时,海洋内波引起的海洋声速时空变化参数估计问题,验证了该模型可以提取海洋内波影响。研究表明:海底定位精度与内波的振幅、频率、波长等紧密有关,且定位误差主要来源于大尺度低频内波,而小尺度、高频内波更多表现为随机误差从而影响观测精度;而水平梯度刻画极为复杂,单船载观测难以实现,需要进行多载体联合观测。

基于带约束最小二乘的超短基线安装偏差校准

超短基线定位系统近年来在海洋开发、河道及港口建设等领域得到了广泛应用。为实现其高精度的定位功能,需要在使用前对其进行精确校准。针对超短基线安装偏差校准问题,提出应用带约束最小二乘法来求解,并且在该校准方法的基础上,针对存在声速测量误差的情况,提出相应的处理方法。仿真结果表明,带约束最小二乘法适用于超短基线校准,并且具有一定的抗误差能力;当系统存在声速测量误差时,本文的处理方法仍有效。本文的研究结果可为超短基线安装偏差的精确校准提供参考。

基于标杆测量法的超声波测距系统的设计与实现

在回顾超声波测距原理的基础上,分析推导了测距误差的主要构成,并针对产生误差的主要因素——声速误差,设计实现了基于标杆测量法的超声波测距系统。系统硬件由单片机控制模块、标杆通道、实测通道、LCD显示模块等部分组成。采取标杆通道测量环境声速、实测通道正常测距的方式减小声速误差。系统中利用超声波传感器检测物体,运用电子计数法测量超声波检测物体的时间差,进而计算并显示出待测距离。系统结构简单、成本低廉、测量精度高,实验数据表明系统能很好地校正声速误差。

表层声速误差对多波束测深数据的影响分析

针对多波束水深测量中未明确定义表层声速限差范围,导致在数据采集过程中无法实时监控表层声速误差的问题,结合多波束数据采集与归算流程,分析并推导了SSP误差影响下的波束指向角与点位归算误差模型。结合数值计算,研究了不同水深下测深误差随SSP之间的变化规律与量级大小,从而针对SSP限差范围提出合理化建议,对提高数据质量具有一定应用价值。

速度差法超声波流量计硬件延时误差分析及对策

基于速度差法超声波流量计的测量原理,分析了硬件延时对测量精度造成的误差。提出可采用二次回波法和声速法来提高测量精度,利用数学模型分析2种方法的可行性,最后通过实验验证这2种方法,实验结果表明二次回波法和声速法对提高了超声波流量计测量精度的可行性和有效性。

风速传感器检定与校准方法研究

为提高风速传感器检定校准的精确性,通过几种途径:计算各检定点测量值偏离均值百分比,分析风速传感器测量数据的一致性,评价检定环境的稳定性和气流均匀性;以3次测量数据平均值作为风速传感器示值进行比对,克服因风杯自身和环境因素对测量结果的影响;对风速传感器测量数据的误差处理,分析3种误差曲线间的趋势关系,找出传感器示值中的异常数据;对传感器测量数据和实际风速数据进行线性拟合,进一步验证传感器示值的精确度。得出拟合曲线斜率为1.0213相关系数达到0.99989。研究表明,通过以上方法综合应用,风速传感器检定校准的精确性得到显著提高。

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。

输油管道自校正超声波在线监测系统

超声波测厚是维护管道安全性的重要无损检测技术,其测量原理是利用超声波脉冲反射法在线监测石油管道的厚度和腐蚀情况。超声波脉冲反射法测厚的精度主要依赖于声速,而声速受环境温度的影响较大,故对超声波在固体中的传播速度和温度关系进行了大量的试验,在这些研究的基础上,提出了温度与声速的神经网络误差补偿模型和线性回归误差补偿模型。把两种模型融入到超声波脉冲反射法中,对两种模型的误差补偿效果进行了对比分析,开发出了超声波声速自校正误差补偿在线监测系统,在一定程度上消除了温度对超声波测厚造成的影响。

声速测定实验不确定度、误差之比较研究

对声速测定的两种实验方法,进行了对比性实验。结合其误差分析、不确定度进行了比较性分析研究。

用于AUV定位的等效声速剖面改进算法研究

以自主式水下机器人为载体,搭载多种测量设备的深海工程作业的方式,目前已经得到了广泛的应用。而基于AUV完成各类水下任务的前提是能否精确的进行定位,传统的声学定位方法因过于依赖声速剖面而导致定位精度不高且造成实际操作过程复杂化,在各种声线改进的方法中,等效声速剖面法的计算过程较为简单,且对实际声速剖面的依赖程度较低,然而最大的问题是相对面积误差的求解过于复杂。结合AUV自身特点,提出了超短基线与等效声速剖面法相结合的水下AUV定位方法,并改进了等效声速剖面法。实验结果表明,改进后的方法计算精度得到提高且相对面积误差的求解更加简单,另外也改进了原始方法误差随水深及掠射角变化而增加的问题,具有良好的工程应用价值。

声速对多波束测量系统精度的影响

多波束测量系统具有高精度全覆盖的特点,目前在深水测量项目中,多波束测量系统的运用越来越广泛。由于多波束测量系统是根据声线追踪来确定波束点的空间位置,因此声速的改正对于多波束测量系统的精度起着决定性作用。阐述声速改正对多波束测量系统精度的影响,并结合实际工程案例提出声速改正的关键要点及方法,减少声速带来的误差影响,保证测量多波束数据的精准度。

冰中纵波声速测量方法研究

冰中声速对冰层覆盖下海洋信道声传播特性及水中目标声特性研究具有重要意义。由于气泡、卤水、杂质等因素的影响,不同冰介质的物理性质存在较大差异,导致冰中声波的传播速度有所不同。本文对冰介质中纵波声速开展测量方法研究,采用直达法测量渤海湾冬季海冰、内陆湖中淡水冰及人造淡水冰纵波声速,测量结果表明海冰中纵波声速约为3360±162m/s,湖冰3772±57m/s,人造淡水冰3729±23m/s,结果可为冰介质声学特性、冰层下声传播特性及冰区目标声特性相关研究提供参考。

多波束测深表层声速误差的动态影响及改正方法

表层声速不准确会对多波束测深波束的归位产生影响,对于平面换能器阵,使波束角产生偏差,从而影响波束最终位置,但Snell常数保持不变;对于曲面换能器阵,虽然波束未束控不产生波束角偏差,但Snell常数发生改变,会使波束在传播过程中出现折射误差,对深水环境测量不利。对于表层声速误差带来的水深误差,外部波束比内部波束受到的影响更严重。当表层声速无法实时准确获取时,根据内外部波束对水深的影响大小识别表层声速误差的存在,通过逐步调整表层声速值,计算波束指向角差值,再重新进行声线跟踪,计算改正后的波束位置,消除其带来的水深的影响,完成表层声速误差的改正。文中用实测数据进行了验证,对多波束测深数据质量的改善有一定的参考意义。

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。