自主水下航行器在极地的应用现状与关键技术

自主水下航行器(AUV)具有自主灵活、机动性强、扰动小和可塑性强等优点,是克服极地冰盖限制,探索两极冰下世界的重要方式。梳理各国极地AUV技术的发展与部署现状,介绍部分典型极地AUV的配置、应用与技术参数等,并对极地AUV关键技术进行详细分析,包括总体设计及优化技术、冰下导航与通信技术、极地布放回收技术、低温防护技术等内容。结合极地特殊环境条件与冰下作业需求,讨论极地AUV的未来发展趋势,为后续极地AUV的研制提供参考。

气射流协助圆盘头部航行体入水空泡特性实验研究

针对跨介质航行体快速稳定穿越自由液面的需求,以及目前跨介质过程中存在过大冲击载荷对结构和仪器的破坏、空泡溃灭与复杂非定常多相流动下的弹道失稳等问题,探索采用在航行体头部提供向前射流协助其快速稳定穿越自由液面,射流穿透并改变自由液面的流场结构,以达到降低过大载荷的目的。为研究气射流协助圆盘头部航行体入水空泡多相流动特性,开展了向前喷气协助圆盘头部航行体入水实验。分析了入水过程中所形成的空泡形态,以及气射流冲击液面过程中开口空泡的形成及演化过程,探讨了不同通气口径和通气量对空泡直径、射流长度等的影响。实验结果表明:开口空泡形成过程包括液面凹陷、液面振荡、形成流动和空泡形成4个阶段,开口空泡直径和深度随通气口径增大而减小,随通气量增大而增大。

基于我国光纤骨干网络的相对论重力测量模拟

近年来,随着国内外时频传递技术的快速发展和原子钟测量精度的不断提高,基于相对论原理的重力测量正逐步从理论研究走向实际应用.本文综合考虑国内外多家机构的光学原子钟精度水平,开展基于我国光纤骨干网络的相对论重力测量模拟实验,同时讨论了潮汐作用以及单、双向时频传递方式下的多链路观测对其精度的影响.实验结果表明,基于中国科学院精密测量科学与技术创新研究院^(40)Ca^(+)光钟和我国光纤链路,采用相对论重力测量的方法,有望实现精度为8.1mm的上千公里海拔高程传递.本文引入间接平差原理,建立基于相对论重力测量的光纤网间接平差函数模型.当采用单向时频传递方式时,经光纤网间接平差前后,11个站点高程测定的总体精度从21.0 mm提高至9.0mm.当采用双向时频传递方式时,光纤网间接平差前,11个站点的高程测定总体精度为11.5mm,相对于采用单向时频传递方式提高约45%;经光纤网间接平差后进一步提升至8.9mm,与采用单向时频传递方式的精度相当.本文的研究基于真实的光钟以及光纤链路稳定度指标,为后续开展基于我国光纤骨干网络的相对论重力测量实验提供一定参考,为建立与维护我国毫米级高程基准提供了新的思路.

水声通信及网络技术综述

水声通信(UAC)及网络技术在海洋环境监测、商业领域和军事领域等诸多方面发挥着重要作用,关心海洋、认识海洋、经略海洋离不开水声通信及网络技术的发展。该文对水声通信技术和水声通信网络(UACN)进行综述,首先回顾了水声通信技术和水声通信网络的发展,总结了水声信道的特点。然后,对于水声通信技术中的非相干调制技术、相干调制技术以及以应用需求为导向的新型通信技术进行陈述。随后,对于水声通信网络中数据链路层媒介接入控制协议、网络层的路由协议和跨层设计进行分类探讨。最后,对目前水声通信及网络技术的不足进行总结,并且对未来水声通信及网络技术的发展进行展望。

多卫星星座对时变重力场反演精度和时空分辨率影响的模拟研究

近二十年,GRACE/GRACE-FO实现了对地球时变重力场的连续监测.但受单极轨轨道配置、背景模型误差和载荷精度的限制,其时空分辨率和观测精度不足以探测短时间、小尺度的质量变化信号.以欧空局MAGIC(Mass Change and Geoscience International Constellation)和中山大学“天琴计划”为代表的下一代重力计划将通过多对卫星星座和新一代高精度载荷来提高时变重力场反演精度.考虑到未来多项卫星重力计划和当前GRACE-FO、中国重力卫星同期观测的可能,本文基于动力学方法对双极轨、Bender、极轨+Bender和双Bender四种星座构型进行了闭环仿真模拟,并对其月尺度解和1~3天短周期解进行评估.结果表明:(1)相较于单极轨,双极轨、Bender、极轨+Bender和双Bender四种星座的月尺度时变重力场恢复精度分别提高了30.7%、85.7%、85.9%和89.5%.(2)多对卫星星座能够恢复高空间分辨率的短周期时变重力场解,且在时间序列中能够保留地球物理信号的高频部分.其中双Bender能够恢复40阶的1天解时变重力场,极轨+Bender能够恢复40阶的2天解时变重力场,Bender能够恢复40阶的3天解时变重力场.

不同偏移量追踪算法提取冰川流速的亚像素级精度比较

偏移量追踪技术不易失相关,是利用光学与SAR卫星影像监测冰川流速的主要手段。该技术通过互相关方法获得像素级偏移量,并通过插值算法达到亚像素级别。实地测量冰川流速不易获取,难以用于验证亚像素级算法精度,因此本文采用图像处理方法对其精度进行分析。本研究以格陵兰Petermann和Kangerlussuaq冰川为例,通过模拟实验设定偏移量场并生成模拟的偏移影像,将COSI-Corr、autoRIFT和ImGRAFT等偏移量追踪软件得到的结果与设定偏移量场对比,而后使用三次函数拟合判断是否存在系统误差,并通过拟合函数的反函数对其进行校正。结果表明COSI-Corr软件的偏移结果的亚像素级系统误差较小,而autoRIFT和ImGRAFT存在一定的亚像素级系统误差且与实验区无关。autoRIFT的亚像素级系统偏差最大,校正后其单方向RMSE平均提升了0.0054 pixels(px),提升率约为11%;而ImGRAFT(CCF-O)和ImGRAFT(NCC)的单方向RMSE平均分别提升了0.0014 px和0.0012 px,提升率较小。经校正后,autoRIFT精度最优,Petermann和Kangerlussuaq冰川区域的单方向综合精度分别为0.04 px和0.12 px;ImGRAFT(CCF-O)表现次之,不同实验条件下的单方向精度约为0.08 px;Im GRAFT (NCC)较差,Petermann和Kangerlussuaq冰川区域的单方向综合精度分别约为0.09 px和0.12 px。

2011-2020年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析

准确的弗拉姆海峡海冰漂移监测对于量化弗拉姆海峡的海冰输出量,减少北极海冰流失量估计的不确定性具有十分重要的意义.由于数据源和算法的限制,现有的方法在夏季海冰漂移中应用效果不佳,难以监测到准确的海冰运动.本研究发展了一种基于MODIS时序数据和A-KAZE算法的夏季逐日海冰漂移跟踪方法,并基于该方法开展了2011—2020年弗拉姆海峡夏季(4—9月)逐日的海冰漂移监测研究,分析了近10年弗拉姆海峡海冰流速的变化规律.研究选取2020年4月29日到5月5日弗拉姆海峡局部区域作为实验区对研究提出的方法进行了验证.实验结果表明,本研究提出的方法相比于经典的MCC模式匹配算法在跟踪精度上有很大提高,其中速度的均方根误差减少了2.13 km·d^(-1)(73%),角度的均方根误差减少了10°(38%).相比于常用的SIFT、SURF特征跟踪算法,本方法提取到的海冰漂移矢量在数量上更多,空间分布更广.同时,相比于使用MODIS每日合成数据,本方法使用的时序MODIS影像在实验区获取了更大的海冰漂移跟踪范围,平均每日的跟踪面积提升了862.62 km^(2)(近16倍),有效减少了云覆盖对光学数据跟踪效果的影响.此外,研究发现近10年弗拉姆海峡区域夏季海冰流速的空间分布比较一致,呈现出海峡南部流速高于北部,远离海岸流速高于近岸流速的规律.弗拉姆海峡夏季平均海冰流速在年际上不存在明显的增加或减少的趋势,但是在月尺度上总体呈现出4—7月下降,7—9月回升的趋势.本研究提出的海冰漂移跟踪方法可为夏季的海冰漂移研究提供新的思路,针对近10年弗拉姆海峡夏季海冰流速的分析结果也可应用于北极海冰快速变化等相关研究中.

利用GRACE-FO卫星探测不同强度大地磁暴引发的热层大气密度及卫星轨道衰减变化

目前太阳活动处于高峰期,导致大地磁暴频发,由此引发的热层大气密度变化对低轨卫星的轨道预测和空间飞行安全至关重要。重力卫星搭载的高精度加速度计能够有效探测卫星高度处热层大气密度变化,本文基于GRACE-FO重力卫星加速度计数据,反演了2019-2023年春分点附近发生的4次磁暴事件时的热层大气密度,首次定量分析了不同强度磁暴对卫星高度处热层大气密度和卫星轨道的影响,并利用经验正交函数法研究了密度变化在时空上的特征。结果显示:①GRACE-FO卫星加速度计对中至烈级磁暴的响应显著,X轴方向上的加速度计数据、热层大气密度和卫星轨道衰减率呈现出“山峰”现象。②时间维度上热层大气密度变化与Dst指数密切相关;在空间维度上,南半球的热层大气密度变化普遍高于北半球,且随着纬度的增加,热层大气密度变化更加剧烈。③白昼区热层大气密度变化受到磁暴影响的程度更大,大气温度是白昼区热层大气密度变化的重要因素之一。因此,本文的研究对于理解春分点附近时刻,不同强度大地磁暴对卫星高度处热层大气密度时空变化及卫星轨道衰减的影响规律具有重要的参考价值。

快照视角下的船舶群体运动模式识别算法

从时间快照视角提出了一个群体识别算法框架。首先,讨论了船舶群体的概念,并结合群体动力学和视觉感知相关理论,定量化了基本群体模式(如直线、曲线和流)的识别规则。接着,利用苏伊士运河地区的船舶AIS(automatic identificationsystem)数据进行了案例研究。通过与DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)和局部方向中心性算法(Clustering by measuring local direction centrality,CDC)进行对比,本文方法在识别细粒度船舶群方面表现更优。