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。

AUV的图优化海底地形同步定位与建图方法

海底地形辅助导航技术可为智能水下机器人(AUV)的长时间水下作业提供有界精确导航结果,且无需声学基阵辅助。然而,地形辅助导航需要已知高精度先验海图,这大大限制了其应用范围。为解决海底地形未知条件下的海底地形辅助导航问题,提出了海底地形同步定位与建图技术。利用水深预测手段和地形匹配方法进行帧间数据关联构建和闭环检测,并通过图优化技术进行海底地形同步定位与建图问题求解。仿真试验结果显示,在航行1h后,海底地形同步定位与建图系统的建图结果中所有测深点定位误差均值约为13m。

基于GNSS-A的海底目标高精度定位算法研究

为提高海底目标垂直方向的定位精度,在分析全球导航卫星/声学定位(Global Navigation Satellite System-Acoustic, GNSS-A)基本原理的基础上,提出基于动态观测的海底目标声学定位算法。针对动态观测中产生的双程传播时延问题,将其发射和接收过程分别考虑,并利用最小二乘(Least Squares, LS)法解算圆形对称观测数据,消除绝大部分系统误差和粗差对水平定位精度的影响;结合水平解算结果、高精度声学测距信息和实测声速剖面信息,开展声线跟踪(Sound Ray Tracking, SRT)并构造迭代,进一步减弱垂直方向误差,提高海底目标点的垂直定位精度。南海实验证明,采用本文方法可以有效减小声速误差对测距精度的影响,明显提高海底目标在垂直方向上的定位精度。

海洋探测设备的超声波定位系统设计

为了准确定位海洋电磁探测设备的高度,基于海洋声波分层介质射线声学的声线轨迹方程,短基线定位原理,采用海水声速经验公式和主动声纳方程,推导出了适合本系统的浅海超声波定位算法。同时对该算法进行了仿真测试,并将算法仿真测试结果值与实际高度值进行了比较。硬件实现部分采用拥有低功耗模式的MSP430单片机,逆变H桥路,WBT-30海底超声波换能器,换能器匹配电路,滤波器电路和放大接收电路等元器件构建了浅海海底超声波定位系统硬件结构,并在吉林大学的实验室模拟海水水池中进行了实验和标定。通过对定位系统在水池实验中获得的结果和与设备真实位置的比较,证明该系统可以满足对水下目标设备的定位要求。

自主水下机器人深海热液羽流追踪仿真环境

提出用自主水下机器人(autonomous underwateer vehicle,AUV)基于仿生行为追踪深海热液羽流,进而快速、精确定位海底热液喷口;并针对AUV追踪深海热液羽流的仿生控制策略研究需要,设计、实现了一个计算机仿真环境.首先介绍了基于AUV的深海热液羽流追踪和该仿真环境的模块化构成,然后给出了仿真环境中的流场和羽流仿真模块所采用的仿真模型及其高效的数值求解算法,和为便于蒙特卡洛仿真而设置的一组随机初始条件和边界条件,以及介绍了控制系统仿真模块采用的一种基于行为的模块化的AUV控制系统体系结构.该仿真环境体现了AUV追踪热液羽流的仿生控制策略研究的问题复杂性因素,包括流场非均匀和非定常,羽流分布不规则、不连续、空间尺度大,羽流轴线弯曲,以及羽流含有浮力上升部分和包含非守恒示踪物质,并且具有较好的可视化效果.同时,该仿真环境具有较高的计算效率,适合于实时仿真和蒙特卡洛仿真研究.分析和演示表明,该仿真环境满足研究需要,为AUV追踪深海热液羽流的仿生控制策略研究提供了有力的支持.