基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化

在水下目标定位中,布站构型的共面约束会导致目标单点定位的几何精度因子(GDOP)理论最小值不能达到。为改善水下布站的观测矩阵,将单圆锥扩展为组合圆锥构型布站模式。然而,传统的优化算法易陷入局部最优且存在收敛效率低等问题。针对以上问题,提出了一种改进的自适应粒子群算法。首先提出了一种有共面约束的水下声学定位系统组合圆锥构型,并证明了所提出的组合圆锥构型具有可叠加性、可旋转性以及GDOP旋转不变性;其次,针对布站优化指标单一的问题,构建了一种基于水下目标全局GDOP的布站优化准则;在此基础上提出了一种基于自适应粒子群的优化算法,并应用于组合圆锥构型下的水下声学定位系统布站优化。所提出的自适应粒子群算法能增强布站的全局最优性,提高算法收敛效率和水下目标的定位精度。

基于优化随机森林的海基站水下声学定位模型研究

海洋声学目标探测技术在海洋资源开发、海洋生物保护、区域海洋生态监测及军事领域等方面都具有无可替代的优势.然而,接收传感器常常会受到外界干扰声源的影响,从而导致定位性能下降.为解决这一问题,本文提出了一种基于优化随机森林的海基站水下声学定位模型来改善定位准确度.首先,对采集的原始信号进行数据预处理.对于信号无干扰采集数据,仅保留有效的样本,剔除包括缺失、异常、相同或相似的数据.对于信号干扰下采集数据,先对异常情况进行分类,然后去除存在干扰的基站数据.利用主成分分析对数据进行降维,并将综合特征作为高斯混合聚类的输入.为确定最优超参数,采用网格搜索和交叉验证的封装模块并设置混合系数,然后构建基于优化随机森林的水下声学定位模型,并将其与多点空间定位模型进行对比.实验结果表明,在信号无干扰和有干扰条件下,采用多点空间定位模型计算出目标三维定位误差RMSE分别为5.648 m、26.264 m,而采用本文模型预测的RMSE分别为0.232 m、4.354 m.所提出的方法显著提高了目标的定位精度,并具有较强的泛化能力.且在无干扰条件下,对于x、y及z方向的估计,所提出的方法的RMSE分别为0.122 m、0.099 m和0.171 m.而在有干扰条件下,对于x、y及z方向的估计,RMSE分别为1.715 m、1.691 m和3.627 m.特别是z方向的定位误差最大,与实际情况相吻合.以上数据结果验证了所提出方法的有效性,为水下运动目标高精度定位及定位导航系统的论证设计提供了新的思路.

水下声学定位系统及其误差仿真分析

对水下声学定位系统及其误差进行仿真分析。在分析过程中,考虑到有多种因素会对定位误差产生影响,这些因素都会影响定位精度,因此在实际应用中需要通过校准和补偿等措施来降低误差,提高系统的可靠性和精度,并加强对LBL和USBL系统的控制,希望能够为相关人员提供参考。

超短基线水下声学定位数据处理

该文在介绍超短基线定位原理的基础上,依据水下目标x、y、z3向在时间轴上各自的分布来识别定位跳点、并采用合理的数据结构与算法,实现对跳点的交互式剔除,从而得到可信的水下声学定位数据。最后介绍了基于航位推算的定位数据匹配方法,提升水下声学定位数据的效率,以满足现场作业中对水下定位的更高需求。

基于浮-信标网络的水下声学定位关键技术研究

水下目标定位与跟踪技术越来越受到了国内外众多学者的重视,由此提出了一种基于浮-信标网络的水下长基线定位系统.采用码分多址技术建立了一种基于浮-信标网络的水声定位系统模型,阐述了定位原理;对定位信标的波形、频率、调制解调方式等关键技术进行了研究;最后,利用MATLAB对实验采集回来的定位数据进行了分析验证,证实了系统模型的正确性.

一种改进的水下声学定位算法

通过分析讨论泰勒级数展开法和Chan算法的优缺点,提出了一种先由Chan算法解算求得初始参考值,再由泰勒级数展开法在该初始值处展开进行迭代求解的协同定位算法。通过实验,将本方法与传统定位算法(泰勒法)、Chan算法进行对比。结果表明,该方法无需额外提供初始值,解算出较好的结果的同时且能保持良好的时间效率。通过此方法,在实际生产作业中可节约定位时间,改善定位精度。

长基线声学定位系统发展现状及其应用

声学定位技术是各类水下潜器的必备技术之一。重点介绍了水下长基线声学系统的组成、工作原理及国内外发展现状,分析了该技术的应用方向,为我国长基线声学定位技术的发展和应用提供参考。

Sonardyne浅水声学定位系统概述

水下声学定位系统是目前应用效果最好的海底检波器定位技术,已成为海上勘探的标配设备。Sonardyne浅水声学定位系统(TZ/OBC)由英国Sonardyne公司生产,用来测定地震电缆、水听器或其他在海底的目标物体的位置。本文概括地介绍了相关领域的现状,详细说明了该套系统的工作原理、系统组成、性能指标及实际操作,并系统地分析了该系统的技术优势及应用前景,为相关领域的应用与研究提供重要参考。

基于贝叶斯估计的深海GNSS-A定位精度

本文基于贝叶斯估计采用同时估计海底应答器位置和声速水平梯度的策略处理了水深约3 km的GNSS-A观测数据,分别在单应答器模式、多应答器阵列模式下,分析了航迹几何构型、参数初值以及参数估计策略对海底固定应答器和锚系应答器三维定位精度的影响.结果表明:应答器位置后验不确定度与先验不确定度呈正比关系,其比例系数对于单站模式约为0.1,对于多站模式约为0.05;观测时延残差均方差(RMS)在单站模式下约为0.6 ms,多站模式下约为4.5 ms;圆形测线由于测量时间较短,声速水平梯度变化不大,因此同时估计海底应答器位置和声速水平梯度能够获得较高的定位精度;然而,由于井字形航迹的走航时间较长,声速水平梯度变化较大,该估计策略已不再适用,因而精度最低;圆形测线对参数初值先验精度要求较高;当换能器与GNSS天线的臂长先验精度较高时,对于圆形测线,估计该参数并不能显著提升定位精度.

顾及波束入射角的常梯度声线跟踪水下定位算法

海水声速的时空变化会使声波沿传播方向发生折射,有效消除声波的折射效应对提高水下声学定位精度至关重要。在声速剖面已知的情况下,声线跟踪是削弱折射效应的有效方法。但现有的声线跟踪方法要求波束入射角为已知,而基于距离交会原理的水下声学定位系统通常未对波束入射角进行直接观测。针对上述问题,提出了顾及波束入射角的常梯度声线跟踪水下定位算法,采用搜索法确定波束入射角,通过对声线跟踪与定位解算的迭代计算,实现波束入射角和目标坐标的渐次修正。为进一步提高计算效率,提出了迭代求解超越方程的解算法。试验结果表明,本文方法有效利用声速剖面消除了声线折射效应的影响,且解算法计算效率优于搜索法。

顾及双程声径的常梯度声线跟踪水下定位算法

高精度水下声学定位通常采用声线跟踪定位算法,但传统的声线跟踪方法一般针对单程声径进行声线弯曲改正,未能顾及船载换能器在声信号往返过程中发生的位移,导致海底应答器定位解算时引入系统性偏差,从而降低海底点定位精度。针对此问题,本文提出一种顾及双程声径的分层常梯度声线跟踪水下定位算法。该方法结合水下声信号实际传播路径,根据换能器在声信号发射和接收时刻的位置,构建双程声径水下定位模型,采用顾及双程声径的分层常梯度声线跟踪算法进行解算。采用圆走航观测与交叉十字观测的海上实测数据对方法进行了验证,结果表明,本文方法能显著提高水下定位精度。

基于GNSS-A的海洋声速变化估计及其对定位的影响

声速时空变化是影响水下定位精确度的重要因素.首先,根据声线跟踪原理推导出了包含声速扰动的观测方程,并采用三次B样条曲线对声速扰动时空模型进行建模;之后,提出利用最小范数条件选择最优超参数,实现海底应答器坐标与声速时空模型的联合估计.采用2019年7月3000 m水深实测声学数据计算了海底站点的坐标、声速的连续时间变化与二维空间梯度.结果表明,3组数据集之间E/N/U分量的最大差异分别为0.391,0.035和0.120 m,海底坐标解算内符精度达到cm级;声速时间变化小于1 m·s^(-1),呈现明显的日变化和内波引起的短周期波动特性;声速空间变化小于0.1 m·s^(-1),空间梯度小于0.04 m·s^(-1)·km^(-1);不同数据集定位结果的差异是由于声速的周期性时间变化引起的.

基于Matlab/Simulink的六基元水声定位仿真系统

为解决水声定位系统依赖于硬件设备导致的实验成本高、灵活性差的特点,同时也为了满足学习和开发的需求,针对水下探测器设计了一个基于Matlab/Simulink的六基元水声定位仿真系统.首先,描述了该系统的总体架构,然后详细介绍了定位原理并阐述了该仿真平台各组成模块及其作用,最后对仿真定位结果进行验证,结果表明该系统可以对水下探测器进行精确定位.

自主水下航行器导航与定位技术

精确导航与定位对AUV执行水下作业任务的安全性和有效性至关重要。与陆地导航定位相比,由于全球卫星导航系统(GNSS)在水下不可用以及海洋环境的独特物理特性,水下导航定位更具挑战性。近年来用于AUV导航定位的传感器在性能和精度方面有了显著的提升,除此之外,同步定位与地图构建、协同定位算法的日益成熟极大的提升了AUV导航定位能力。文章列举了一些AUV常用导航定位技术,这些技术可用于实时确定AUV在水下的位置。

基于选权迭代的走航式水声差分定位方法

水下声学定位中存在应答器时延等系统误差,若采用传统的几何法定位,因系统误差难以改正或消除而导致定位精度降低。针对该问题,本文采用历元间差分的方式减弱或消除系统误差。结合石油物探走航式水下定位实际,给出了相应的水下差分模型。同时,考虑到水下声学观测值中不可避免地存在粗差,采用基于选权迭代的抗差估计进行解算。模拟算例和实测数据验证结果表明:历元间差分定位方法定位精度优于传统的几何法,国产BPS水下声学定位系统在50m以内水深可实现1m定位精度。

一种应用于水下信标的信号处理控制电路设计

介绍水下声学定位测量系统研制背景;讲述信号处理控制电路的总体设计方案,并从硬件设计以及软件设计方面对电路的设计思路进行了分析和阐述,给出了主要的电路设计模块框图和软件流程图。

ROV载多波束在海底管线悬跨检测中的应用

以遥控潜水器(Remotely Operated Vehicle, ROV)载多波束在深水油气管线检测中的应用为例,详细介绍了管线检测中涉及的定位导航系统、水面系统、水下系统及数据处理系统等作业原理;以ROV作为作业载体,针对不同工程作业类型,当配备不同需求的传感器或设备,可与水面作业船舶进行联动,进而为水下工程作业及海上科学考察等领域提供有力支撑和保障。

超短基线多信标约束的深海动态定位方法探讨

深海长航时高精度定位是水下测量载体开展海洋测量的前提,超短基线系统是将声学基阵集成到一个换能器中,通过对声学信标的测距测向实现定位,体现出极大的灵活性与便利性。为进一步提升超短基线系统的定位精度和可靠性,在超短基线多信标同步定位技术得到长足发展的背景下,提出了超短基线多信标约束定位方法的概念,并根据多信标约束模式(测距约束、测距测向约束)、信标基阵构建模式(固定基线、动态基线)等不同情况进行了探讨。超短基线多信标约束的深海动态定位实验表明,在超短基线单信标定位精度为深度的2‰的情况下,多信标固定基线测距测向约束定位精度可提升至深度的1‰,入射角度、基线长度以及动态基线测距精度等是影响多信标约束定位的重要因素。超短基线多信标约束的多种定位模式体现出切实的可行性和良好的适应性,在深海定位技术发展中拥有广阔的应用前景。

范数最小估计的海底大地控制点精密标校方法

针对海洋测绘水下声学定位中常用的最小二乘平差法易受粗差和系统误差影响,导致解算精度和稳定性较差的问题,提出1种水下控制点解算的方法:介绍海底大地控制点标校基本原理和方法,给出全球卫星导航系统(GNSS)和水下声学定位模型;然后选用中国科学院测量与地球物理研究所(IGG)选权迭代法和一次范数最小法,用于水下声学定位数据精密标校。实验结果表明,一次范数最小法能有效抗拒异常观测扰动,抗差能力较强,能够实现浅海海底控制点厘米级定位精度。

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。