六自由度水下USBL定位计量装置设计与测试

该文基于4-DoF空间至6-DoF空间量值传递数学模型和目标声信号模拟技术,设计并研制了6-DoF水下超短基线定位计量装置。该装置由消声水池、水池4-DoF测控系统、4-DoF扩展安装装置、目标模拟声信标机、水听器、数据控制器,以及标准钢卷尺、万能角度尺、声速剖面仪等标准器具构成,具有6-DoF水下定位计量能力,同时解决了小尺度水池中大定位距离的定位计量问题。经测量不确定度分析评定得出,该装置的相对合成标准不确定度为0.34%,测试试验验证了装置各项功能和工作的稳定性,且装置满足《超短基线水声定位仪(JJG(交通)152-2020)》计量检定要求。该装置在声呐系统计量实验课程建设、实验教学、高校计量认证等方面具有示范辐射作用。

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。

综合测绘在海上风电电缆后保护施工中的应用

为提升海上风电场风机间非掩埋电缆后保护施工的作业效率,降低施工成本,综合运用多波束技术和侧扫声呐技术,对非掩埋电缆后保护施工作业区进行精确的地形地貌测绘。根据测绘结果,结合MS1000成像声呐和船舶定位与超短基线水下定位技术,监控和定位液压释放架布放混凝土联锁排,对非掩埋电缆进行后保护施工作业。实际应用结果表明,该施工技术能提高布放混凝土联锁排的作业效率,降低施工成本,取得良好的社会和经济效益。

三应答器SINS/USBL紧耦合导航算法

SINS/USBL组合导航误差因素主要包括USBL测距精度误差、USBL测角误差、USBL到SINS的安装误差以及应答器的位置误差,且现有USBL设备的普遍特点为:测距精度高而测角精度相对较差。针对上述误差因素和特点,提出一种三应答器SINS/USBL紧耦合导航算法,避免了USBL测角误差以及USBL到SINS的安装角误差等对导航精度的影响,仿真结果表明能够较大程度上提高组合导航定位精度。此外,该算法无需对安装角进行标定,使用更加便捷。

海洋地震勘探中USBL定位数据分析及处理

本文主要讲述在海洋地震勘探中USBL定位数据的分析及处理方法,通过大量的USBL定位数据建模分析,针对分析结论研究处理方法,并将算法细分为各个步骤,逐步演示处理过程,最终将USBL定位数据提取、优选、约束、平差后计算后得到节点位置坐标。使用LBL定位结果与USBL定位结果进行对比验证,通过真实有效的数据来验证其处理流程、算法的实用性、计算结果的可靠性,得出影响USBL定位结果精度的几个重要因素。

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。

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。

海底应答器绝对位置快速校准

提出了一种基于超短基线定位系统的单应答器两点绝对位置快速校准算法,并对其性能进行了详细地分析。与常规的应答器位置校准算法相比,该方法能够更加快速地实现对应答器绝对位置的精确校准。海上试验结果验证了该结论。

基于超短基线的缆控水下机器人动力定位

动力定位 (DynamicPositioning(DP) )技术是水下机器人的关键技术之一。因此针对当前动力定位主要在缆控水下机器人 (ROV)中应用的情况 ,给出了ROV动力定位技术的实施方法。通过声学定位技术确定ROV的坐标 ,计算出与期望位姿的差 ,将其作为神经网络控制器的输入量来控制ROV ,从而进行动力定位。同时还重点研究了ROV动力定位中的主要研究内容即水声定位技术和定位控制技术的构建。

单应答器导航深海试验

布放于海底的单只应答器能够为安装有超短基线的水下潜器定位导航。介绍了单应答器导航的基本原理,简要分析了各种可能误差源对导航精度的影响。为了验证系统在深海中的工作性能,在中国南海进行了深海试验并给出了结果。

热液硫化物现场调查中超短基线异常定位数据的快速剔除

热液硫化物现场调查所需的船舶动力定位系统给水下定位数据带来较大的噪声干扰,而调查的现场决策与后续研究均对水下定位数据提出更高的要求。针对现有的Posidonia 6000超短基线水下定位系统,快速有效地剔除受干扰的异常定位数据对热液硫化物调查研究具有积极的意义。本文从超短基线解算过程数据(x,y,z三维分量)入手,根据现场作业水深、滑轮偏角,建立异常定位数据的三维剔除模型;根据三维各自的时间系列分布图,采用合理的数据结构与算法,实现对异常定位数据的交互式剔除。本研究成果能快速有效地剔除异常定位数据,为热液硫化物调查的现场决策和各搭载传感器的后续资料研究提供更准确的水下定位数据。

超短基线定位原理及校正方法研究

通过探讨超短基线和GPS技术相结合的三维立体定位原理,分析超短基线定位误差来源,如安装偏差、声速误差、船姿态变化引起的偏差等,利用以最小二乘法为理论基础的动态校正法对超短基线定位误差进行了修正,将校正前后的定位数据标准偏差和剩余偏差处理后对比发现,这种方法可以极大地提高水下目标定位的精度,减少定位的误差,这也在实际应用中得到验证。实现对超短基线定位数据的有效校正将极大地扩展超短基线在海洋科学研究和海洋勘探开发活动水下定位领域的应用,对提高水下目标的定位精度具有重要的现实意义。

基于多阵元基阵的超短基线声定位方法

传统超短基线声定位系统的基阵尺寸较小,无法实现对远距离目标的准确定位,进而成为超短基线定位系统在水声导航领域进一步被广泛应用的瓶颈。为此,文中探讨了采用多阵元基阵定位方法来提高系统的定位精度,并通过计算机仿真证明了该方法的可行性。

HiPAP100水下定位系统在海底摄像中的应用

分析了HiPAP100高精度声学定位系统及其水下定位原理,阐述了影响水声传播的因素及HiPAP100的解决办法,介绍了水下定位系统在我国海洋区域地质调查海底摄像测站作业中的应用,分析比较海底摄像常规定位与HiPAP100超短基线的定位精度,说明水下定位在海底摄像等水下拖曳和定点作业中的必要性和重要性。

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。

自适应时延估计在蛙人超短基线定位中的应用

蛙人超短基线(Ultra-Short Base Line, USBL)定位设备实现浅水环境下高精度定位的关键技术之一是精确的时延估计。由于自适应时延估计方法具备环境自适应能力强的特点,文章将混合调制的拉格朗日直接时延估计方法应用于蛙人USBL定位时的高精度测向上,它可以在信标信号中心频率已知的情况下将小数时延滤波器调制到信号中心频率处,以较低的阶数提供更高的时延估计精度;并根据USBL阵型和信号自身的特点,对混合调制的拉格朗日直接时延估计在低信噪比下的具体使用模式进行了探讨和仿真验证;结果显示,所采用的自适应时延估计方法可以在中低信噪比下提供1°~3°的定位测向精度。

声速修正技术在高精度水下定位系统中的应用

为进一步研究声速修正技术在水声定位系统中的应用,提出1种利用声速修正技术降低测速误差改正的声线跟踪算法:分析超短基线定位的误差来源;然后以基阵中心为参考,离线计算声波从基阵中心到达作业区域所有位置的有效声速,得到1个有效声速表,保证了计算的准确性,提高了工作效率;最后进行模型误差分析。结果表明:在声线入射的几何夹角较大的情况下,有效声速法能够在保持计算速度的同时,具有较高的精度;但是随着几何夹角的减小,有效声速法的角度估计误差逐渐增大,不再适用高精度的水声定位。

基于超短基线的AUV自主对接流程及算法

自主式水下航行器(AUV)自身携带能源有限,需要在完成一段任务后自主航行至水下基站与其对接。文中分析了目前对接基站的现状,针对包容式基站,在分析对接工作原理的基础上,提出了一种基于超短基线信息的对接流程:首先根据导引信息和到对接基站的距离不同,将AUV自主对接分为远程、中程、近程和末程4个阶段;其次详细分析了每个阶段的工作特点、对接流程和控制算法;最后通过在VS2008中的数学仿真和搭载AUV开展湖上试验,验证了对接流程和控制算法的可行性。仿真和试验结果均表明,该AUV自主对接控制流程和算法稳定可靠,具有良好的工程应用前景。

超短基线纯方位定位的目标搜索航迹规划

超短基线纯方位定位可在缺乏斜距信息的条件下实现对声信标的定位,以实现对丢失声信标的打捞.针对该方法定位误差与测量船航迹有关的问题,探讨了对搜索航迹的规划,以在保证定位精度的条件下提高搜索效率.从两测点纯方位定位模型出发,分析了纯方位定位算法定位误差的空间分布情况,确定了此方法的定位高精度区域.据此分别研究了采用直线航迹与圆弧航迹进行定位的误差特点,将两者的定位性能进行比对后,得出在相同误差条件下圆弧航迹定位精度优于直线航迹的结论,并通过计算机仿真与外场实验进行了验证.最后结合分析结果与两种航迹的大范围搜索效率规划出采用"直线-圆弧"航迹联合搜索定位丢失信标的方案.

基于多处理器的水下潜器定位系统设计

设计了一种对水下潜器实时定位的微处理系统,采用宽带超短基线定位方法,通过在潜器上加装声学传感器来实现对潜器的实时定位。为了实时接收处理声学传感器发出的定位信号,设计了基于多DSP的数字信号处理微系统。该系统采用3片高性能TMS320C6416处理器结合一片FPGA芯片,完成对水下目标的实时数据采集和定位解算功能。试验结果表明:该定位系统对目标的轨迹跟踪误差小于1%斜距误差,具有良好的定位性能。