超短基线定位系统安装误差校准技术研究

超短基线定位系统由于基阵尺寸小、安装方便,在海洋开发中得到了广泛的应用。高精度超短基线定位系统的安装误差影响不可忽视,需要在使用前进行精确校准,同时在深海使用条件下,声线修正是必需的。提出了一种基于最小二乘的结合声线修正的超短基线定位系统安装误差校准方法,该方法性能稳定、计算量小,湖上和海上试验验证了算法的有效性。

超短基线定位系统误差分析与仿真

论文对超短基线定位系统作了误差分析及精度仿真,讨论了测量误差和信噪比之间的关系。并在分析、仿真的基础上提出了提高定位精度的几点改进措施。

基于SCOUT+超短基线定位系统的海上失事飞机黑匣子探测方法

失事飞机黑匣子是空难见证者,一旦落入海中需要快速准确打捞.利用Sonardyne公司生产的SCOUT+超短基线定位系统(USBL)中水深测位仪(pinger)模式,进行黑匣子模拟器的快速搜寻打捞.在20 m水深海洋环境中,对黑匣子模拟器进行搜寻定位,平面位置定位精度达到6.35 m,角度交会定位精度达到2.78°.剔除仪器安装固定误差后,角度精度达到0.40°.由此结果表明:SCOUT+超短基线的黑匣子搜寻探测精度达到预计要求,能够达到实际需求.

一种基于长基线交汇的超短基线定位系统精度评价方法

超短基线定位系统的定位精度和准确度是评价系统性能的重要指标,通常采用固定点的定位重复度来评价定位精度,采用其他解算方法作为真值参考评价定位准确度.本文首先分析了以误差椭圆理论为基础的超短基线精度评价方法,给出了理论推导公式,证明了观测数据和理论误差椭圆的关系.本文提出了一种基于长基线交汇的超短基线定位系统精度评价方法,通过长基线交汇模型求解目标的真实位置评价系统的准确度.根据该方法解算得到的待定目标位置作为真值参考,能够反应系统误差的修正情况.最后采用该方法进行海试数据处理,处理结果表明该方法能够较好的反应定位精度,进一步修正了系统偏差,修正系统偏差后和修正前相比定位精度提高了0.2%,具有良好的工程应用价值.

超短基线系统定位精度改进方法研究

超短基线(USBL)定位过程中的定位精度受多种因素影响,作为众多影响因素中的一种,基阵阵型的设计对于超短基线定位系统的定位精度影响尤为严重。针对基阵阵型在超短基线定位中的作用,本文开展了基于基阵阵型设计的数据融合改进方法,该改进方法将各基本阵列构型的初步定位结果进行融合并将融合结果作为最终定位结果。将本文提出改进方法应用于超短基线系统定位中,并通过误差的平均值与标准差对试验结果进行比对,试验结果表明:相比于其他阵型的系统,本文改进USBL系统的定位精度更高,体现了本文方法的优越性。

多子阵组合的短基线声学定位系统数据优化方法

短基线声学定位系统是一种常用的水下声学定位设备,为提高适用性,常采用多阵元接收阵的方式进行水声定位,其工作时将带来冗余的测距数据和定位结果,而部分冗余数据的解算定位结果误差较大(以下简称奇异值),其代入融合将导致最终定位结果的误差不减反增。为解决该问题,该文分析奇异值特征,提出了基于多子阵组合的短基线声学定位数据优化方法。该方法将空间阵中划分出的各单元子阵进行筛选,对冗余数据进行优化,筛除会引入较大误差的中间数据,进而提高定位精度。计算机仿真及实际测试数据表明:该方法可实现整体声源定位精度的提高。同时与传统定位方法相比可有效减小运算量,提高整体定位系统的性能。

以深拖作业为例对比超短基线定位与惯性组合导航定位

本文介绍了TeledyneBenthosTTV-301深拖系统、SonardyneRange2超短基线定位系统、PHINS6000惯性组合导航系统的构成和海上作业模式,以深拖系统为载体,拖体上搭载超短基线定位系统和惯性组合导航系统,在南海某海域3870m深海区执行近海底高精度探测,对同一载体同一时间获取的定位数据进行对比分析,阐述两种定位方式的技术特点及区别,为深海调查作业中定位技术的选择与应用提供参考。

利用数据融合改进超短基线系统定位精度

超短基线定位系统是一种常用的水下声学定位设备,其定位精度有限,且基阵阵型的设计对目标的定位精度存在影响。本文提出了一种利用数据融合改进超短基线系统定位精度的方法。系统仅经过一次测量,通过各基本阵列构型对目标进行初步定位,再将定位结果进行有效的数据融合,得到最终的结果。仿真试验表明,本文提出的方法可以有效地提高低信噪比情况下超短基线定位系统的可靠性和定位精度。

组合定位系统

组合定位系统由GPS(Global Position System)、航向姿态传感器以及超短基线定位系统所组成.常规的超短基线阵采用相位法进行定位.为了避免相位模糊,阵元间距必须小于半个波长,因此定位精度不会很高.组合定位系统中的超短基线阵采用时延法进行定位,阵元间距可以取得远比半波长大.定位时,组合定位系统在海面飘浮,一个向上发射的声波发射器与海水中的被定位目标安装在一起.声波发射器发射宽带信号且被阵元所接收.采用最大似然估计,以得到发射信号与阵元接收信号之间的时延.大的阵元间距、宽的信号带宽以及精确的时延估计,能使定位精度有很大的提高.超短基线阵具有4个阵元.由4个时延可以得到4个斜距.再利用最小二乘法和坐标变换就可求得目标的经度、纬度以及深度.本文还给出了定位误差仿真、时延估计仿真以及湖试的结果.

水下潜航器的惯导/超短基线/多普勒测速信息融合及容错验证

针对水下潜航器惯导系统的定位误差积累和容错性差等问题,分析了水声超短基线的相位差定位方法,推导了基于惯导提供实时位置、姿态误差角信息的惯导/超短基线(INS/USBL)导航解算过程及其坐标转换。结合惯导/多普勒测速(INS/DVL)滤波器,给出INS/USBL/DVL组合导航联邦滤波在3种信息融合算法下的应用。通过MATLAB仿真对导航算法进行了验证,结果表明该导航算法能够抑制惯导系统误差随时间发散的问题,能充分利用了3种导航系统提供的参数信息,且状态维数低,滤波收敛速度快,其中基于精度因子信息分配方法的导航系统误差最小。容错性验证结果显示,当超短基线出现故障时,重构后的组合导航系统在较高航速情况下依旧能提供有效的导航参数。所提出的INS/USBL/DVL组合导航联邦滤波方法能够精确地提供水下潜航器的各位导航参数信息,且具有较高的容错性和稳定性。

声学理论在超短基线跟踪自治水下机器人中的应用

对超短基线定位系统的有效跟踪范围问题进行了研究,将射线声学基本理论和声纳方程相结合,提出一种确定超短基线定位系统在试验现场跟踪范围的有效方法。利用射线方程确定跟踪范围的上边界;利用声纳方程确定跟踪范围的下边界,上、下两个边界所围区域确定有效跟踪范围。湖上和海上试验证明了方法的有效性,提高了超短基线定位系统跟踪自治水下机器人自动航行的安全性和可靠性。。

基于二次多项式拟合的超短基线声线修正方法

超短基线定位解算中的距离观测值是指换能器与水下应答器之间的直线距离,而海水声速的不均匀分布导致声波在海水中的实际传播路径为连续弯曲的曲线,需要结合实测声速剖面进行声线修正。根据声速在分层介质中的传播特性,本文提出了一种基于二次多项式拟合的声线跟踪算法,采用线性插值方法对声速剖面数据进行合理加密并按等深度进行分层,设定每层声速梯度是不断变化的,用二次多项式拟合声速,基于运动学原理建立了完整的数学解算模型。仿真结果表明,该方法修正后的水下目标分布具有明显的收敛性,且优于等梯度声线跟踪算法和等效声速剖面法,显著提高了超短基线水声定位系统的定位精度。

基于垂直约束的深海拖曳系统USBL/DVL组合导航算法

为提高深海水下拖曳系统的定位精度,分析了深海拖曳系统压力传感器与超短基线定位系统(USBL)以及多普勒计程仪的耦合原理,给出了基于垂直约束下的USBL定位的基本原理及拖曳体直线运动状态下的开窗平滑算法。采用非线性的无迹卡尔曼滤波模型对超短基线定位、多普勒测速、深度、斜距、姿态及角速率信息进行融合。针对声学数据常见的粗差观测,结合自适应抗差滤波算法,提出基于垂直约束的自适应抗差卡尔曼滤波算法。最后仿真和实测实验证明在5000 m水深条件下,在航行方向上位置精度较传统滤波算法提高了近2 m。基于垂直约束自适应抗差无迹卡尔曼滤波算法可充分利用高精度观测信息,提高深海拖曳系统的定位精度和容错性。

基于水下机器人的海产品智能检测与自主抓取系统

针对水下机器人实现自主抓取过程中缺乏引导系统的问题,提出了一种依托水下机器人的海产品智能检测与自主抓取系统,用来解决水下目标的智能检测问题,并引导水下机器人进行海产品的自主抓取。将卷积神经网络检测算法应用到水下场景,利用水下图像数据集训练特定的网络模型DSOD检测海产品。建立短基线定位系统定位水下作业的机器人。通过分析相机成像坐标系与定位系统坐标系之间的关系,提出了一种计算海产品实际位置的坐标转换方法,计算海产品的实际位置。设计了一种基于反馈机制的多信号分析方法,引导机器人在水下移动并抓捕海产品。为了验证所提系统的有效性,搭建了一款水下抓捕机器人,并成功将所提算法应用到机器人,在真实海洋环境中进行海产品的自主抓取实验。

超短基线定位和流速剖面在圣杯屿沉船水下考古中的应用

介绍了超短基线定位系统和声学多普勒流速剖面仪的工作原理和应用场景。根据漳州圣杯屿沉船水下考古工作需求,综合使用2种设备开展实时数据采集和分析,得到了高精度的水下绝对位置信息,以及精确的流速向等潮汐水文观测数据,从而提高了遗址定位精度,建立起对整个遗址海流剖面的实时监控,创新性地研发出一套水下考古实时定位监测系统,保障了水下考古作业安全,为沉船考古发掘工作提供技术支撑。对于工作中存在的定位跳点等问题,通过改进超短基线系统的抗干扰设计,增强了其在环境中的稳定性和可靠性。

基于区域划分自适应粒子群优化的超短基线定位算法

为了降低由声速不确定引起的水下声学定位误差,提出一种基于区域划分自适应粒子群优化的超短基线定位算法.该算法将声速作为未知量,利用冗余的定位信息构建定位模型,针对标准粒子群算法收敛速度慢及容易早熟的问题,采用区域划分的方法动态调整粒子的惯性权重和学习因子,达到寻优能力与收敛速度的平衡,并引入自适应变异操作避免种群陷入局部最优解.仿真实验表明,所提出的算法能够有效提高声速未知情况下超短基线系统的定位精度.

一种面向AUV动态对接的声学补偿无迹粒子滤波算法

[目的]针对浅水环境下自主水下航行器(AUV)动态对接过程中超短基线定位系统(USBL)声学相对导航问题,提出一种基于扰动观测器的补偿无迹粒子滤波算法(CUPF)。[方法]该算法依据航位推算模型补偿USBL数据中的缺失值,利用观测器技术估计AUV动态对接过程中的未知扰动,结合无迹粒子滤波过滤USBL数据中的野值,并实现AUV状态的预估。[结果]湖试数据表明,所提方法能够有效地剔除USBL定位中的野值并填补缺失值,速度估计误差不超过15%,计算时间相较于传统算法减少了57%。[结论]所提方法可充分利用相对量测信息,在平滑AUV运动轨迹的同时提高USBL定位精度,准确估计AUV运动状态,有利于AUV顺利对接。

船用水声定位模拟器设计

传统的水声定位系统价格高昂,且开发周期长,不符合当今高速发展的社会。因此选择以LabVIEW为系统的软件平台,模拟超短基线水声定位系统水下应答器在接受到定位基阵的信号后发出的应答信号,该系统能够实现模拟五目标四基元的接收信号,实时显示船的轨迹,参数可以根据用户需要进行设置,包括环境参数、船的航行状态、信号参数等,且可保存原始数据。

基于倒置声学基阵的INSUSBL组合导航算法研究

文中关注水下潜航器导航定位时,电磁波传播途径中能量衰减、惯导系统长航时积累误差以及提高水下潜航器定位精度等问题。基于倒置的超短基线声学基阵,分析声波往返传播时间(RTT)、平面波近似方法和USBL导航解算方法及其坐标转换过程,结合INS误差方程,建立INS/USBL松组合模型。为进一步提高系统精度、动态性能和抗干扰性,考察USBL的原始斜距、斜距差以及声学基阵的空间分布信息,提出基于USBL原始输出信息的INS/USBL紧耦合组合导航方法。通过MATLAB仿真对导航算法进行验证,结果表明两种算法能充分抑制纯惯导误差随时间积累问题,且有效地估计出姿态、速度和位置误差角;其中紧耦合方法状态估计误差最小,导航参数精度相对松组合提高30%以上,对于提高水下载体导航定位精度、海洋探测具有重大意义。

顾及声速误差的USBL/SINS紧组合导航算法研究

采用水下超短基线定位系统和捷联惯导系统组合对水下潜器进行导航时,未知的声速误差会严重影响组合导航的精度。顾及超短基线定位系统的噪声水平、阵列上接收单元的误差特性以及和捷联惯导系统在导航性能的互补性,基于平面波近似原理,建立了SINS/USBL紧组合系统的状态方程和量测方程,并对未改正的声速误差在线估计,提出一种超短基线定位系统和捷联惯导系统紧组合算法。新算法可以将非高斯的未知声速误差进行建模后进行估计,有效提高了捷联惯导系统的误差估计性能。仿真实验结果表明,新算法能有效估计未知声速误差,滤波收敛后的精度明显优于松组合方案,具有很强的实用性。