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。

海洋通导一体化系统的发展与趋势

随着万物互联智能时代的到来,需对通信与导航进行相互赋能,构建通导一体化的泛在网。面对水下通导技术分离发展的情况,本文梳理了水下通信和导航的发展脉络,发现:水声通信是水下远程通信的主要方式,但其效果远弱于陆基无线电通信,水下光学和电磁波通信能提供稳定的近程通信服务;水声导航技术是应用最广的水下导航技术,国外商业公司形成了系列化的产品,国内相关单位在关键技术指标上也实现了“并跑”。目前,中美日等国家/地区均在加速研究海洋通导一体化系统,取得了浅海试验组网成果、厘米级精度的大地测量成果、局部海域米级精度的导航成果以及中尺度海域千米级精度的定位成果,但尚未形成通导一体化的成熟体系。

考虑声线弯曲和深度约束的海洋大地基准网定位仿真分析

为了优化海洋大地基准网性能,本文研究了附加深度约束的海洋大地基准网定位方法及其观测模型设计矩阵解法,在此基础上考虑声传播路径弯曲,仿真分析了综合声学浮标、潜标和海底基站的海洋大地基准网定位性能。结果表明,潜标深度和基站间距均影响基准网的有效测站个数分布,且基站间距影响基准网的信号覆盖范围,适当扩大基站间距和增加潜标深度可有效提高基准网定位精度。相关结果可为海洋大地基准网的建设及应用提供参考。

基于GNSS单天线的船姿测量算法研究

为研究GNSS单天线船姿测量的性能,在分析航速、航迹对船载GNSS单天线测姿精度影响的基础上,提出了基于载波相位历元间差分(TDCP)测速的船姿测量方案。首先利用TDCP求取历元间高精度位移增量,然后计算历元间平均速度,最后基于测船速度反演测船姿态。海试结果表明:基于TDCP方案的测姿性能与船速正相关、与船艏向变化率负相关,测姿估算精度略优于PPP方案、明显优于Doppler方案,为船载GNSS单天线测姿方法的研究与工程应用提供了参考。

基于混合编程的实时精密单点定位方法

在已有后处理精密单点定位Fortran程序的基础上,基于C/C++和Fortran的混合编程技术,实现了实时静态精密单点定位,其中高精度卫星轨道及钟差参数由卫星广播星历和SSR改正信息数据流实时估算,卫星观测数据流由GNSS接收机实时提供。通过实时精密单点定位程序验证了混合编程技术的可行性,对于相关的研究工作和精密单点定位的实时性应用具有参考价值。GPS单系统实时静态精密单点定位试验结果表明:在6 h观测时段,1 s采样间隔的情况下,实时静态精密单点定位的收敛时间约为30~100 min;利用实时定位解算结果与测站精确坐标求差计算的RMS,收敛后可实现水平方向优于5 cm,垂直方向优于10 cm。

海底大地基准建设技术及其研究进展

海底大地基准网将是新一代国家综合PNT(Positioning, Navigation and Timing)系统建设的重要组成,也是未来海洋立体观测系统的基础设施。联合全球卫星导航定位系统和声学测距的GNSS-声学定位技术可用于高精度水下定位,直接服务于海底大地基准网建设。本文聚焦海底大地基准建设技术,简要梳理了国内外水下声学导航定位技术及系统背景,分析总结了海底大地基准建设的站址勘选及布放技术要点,在讨论GNSS-声学观测平台和数据采集技术基础上,重点探讨了GNSS-声学定位的数据处理方法研究进展,最后简单介绍了GNSS-声学的当前主要应用并展望了未来海底大地基准建设的技术需求和应用问题。

基于PPP的海上风电平台稳定性监测

针对海上风电工程结构平台安全监测的需求,在系统地总结和梳理了监测难点和目前主流安全监测方法的基础上,本文提出了基于PPP海上风电平台形变监测方法,介绍了PPP原理、观测模型及误差改正,并以海上风电平台为例进行应用试验,详细阐述了主要的数据处理流程。试验结果表明,该方法总体精度达到厘米级,垂直方向精度达到毫米级,可有效地进行远离大陆的海上风电结构平台的稳定性诊断,具有广阔的应用前景和推广价值。

基于GNSS技术的波浪浮标测波方法研究

波浪是海洋中的重要运动现象,监测波浪的变化并研究其运动规律,对海洋学研究和海洋工程具有重要的意义。目前传统的GNSS(Global Navigation Satellite System)测波方法在实时高精度波浪测量方面存在很大劣势和限制。本文研究了一种基于GNSS技术的实时高精度波浪测量方法,能得到波高、周期等波浪要素信息,并以南海浮标试验实测数据为例进行了处理和分析,验证了该方法的可行性。该方法直接基于广播星历进行GNSS相位观测值历元差分确定浮标速度,无需额外的实时精密差分改正数,从而节省了精密差分改正服务成本与海上通讯成本。该方法适用于近海、远海场景,并且浮标可以使用低成本单频GNSS接收机,得到高精度波浪测量结果,具有较高的实际应用价值。

基于分层EOF的深海声速剖面时变特征建模

针对目前局部海域小时间尺度声速场建模方法未顾及不同深度区间内声速变化规律的问题,本文根据实测深海声速剖面的统计特征,提出了声速剖面分层方法,并进一步基于经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)提出了局部小时间尺度的声速剖面分层时变模型构建方法。利用南海实测全海深声速剖面数据,分析了分层EOF第一模态系数和等效平均声速的日变化特征,并比较了不同拟合模型的精度。最后,利用试验海区的温度和潮汐数据分析了声速剖面周期变化的影响因素。结果表明:①声速剖面分层EOF第一模态系数及等效平均声速具有日周期变化特征,上层声速日周期变化特征不明显,中层声速日周期变化特征较明显,下层声速变化较小但仍具有日周期变化特征;②局部海域小时间尺度声速拟合应考虑长期变化项的影响;③试验海区声速剖面EOF第一模态系数变化与温度显著相关,提取的声速剖面时变特征与海区潮汐周期特征基本吻合。

全新世气候波动与快速构造活动作用下的酒东盆地北大河河道迁移过程研究

位于青藏高原东北缘的祁连山与外围的金塔南山分别限定了酒东盆地的南北边界,构成了盆山耦合的宏观地貌体系。起源于祁连山的北大河北流进入酒东盆地后,沿近东西走向的金塔南山南麓发育了系列与山体平行的纵向河道,然后径直转向北流经鸳鸯峡谷出盆地,形成了贯通水系格局。野外地貌与沉积追踪考察发现,沿金塔南山南麓分布3条被遗弃的河道,它们东西向延伸,两端与北大河现代河床靠拢,为该河流的古河道。根据年代由老到新的原则,依次将它们命名为古河道1至3,并对其主槽沉积的上覆泥炭样品进行加速器14C测年。结果显示,古河道1至3分别在7471 cal.a B.P.、7434 cal.a B.P.和5706 cal.a B.P.被遗弃。基于此,论文初步重建了北大河沿金塔南山南麓的迁移过程,并进一步与区域冰芯气候记录和金塔南山北缘断裂的古地震数据对比,发现河道面向山体北移发生在气候变暖和构造相对平静期,而背向山体快速南移则主要对应于气候变冷和构造相对活跃期。因此,在活动构造区河道迁移可能是河流综合响应亚轨道时间尺度气候波动和流域快速构造活动的结果。结合区域活动构造的研究成果,论文进一步揭示北大河河道迁移可能反映了青藏高原中全新世以来向东北缘的扩展。

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。