水下声学高精度定位算法的研究

论文摘要

约占地球表面积71%的海洋是人类资源环境可持续发展的希望,海洋强国战略承载着中华民族伟大复兴的中国梦。然而,当前我国海洋形势十分严峻,国家主权和海洋权益正面临巨大挑战。构建高精度的海底控制网尤为重要,水下定位技术单调、手段匮乏,陆海空地理空间信息未形成统一体系,因此迫切需要对水下定位展开深入研究。在“海洋大地测量基准与海洋导航新技术”重点研发计划的支撑下,展开了对水下声学定位中相关的一系列关键技术问题进行了研究。现将主要工作总结如下:1、以水下声学定位的基本原理为切入点,介绍了现有水声定位系统以及组合定位系统的原理和系统组成,从原理和实用性出发,分析了各个系统的适用条件和优缺点。2、从水面误差、水下误差和其他误差三个方面,详细阐述分析了水下声学定位过程中的误差源,重点研究了影响水下定位精度的主要误差源。针对6种经典声速经验模型:Dell Grosso、Wilson、Leory、Mackenzie、EM和Medwin,利用实测的Argo数据和一组模拟数据分析这些声速经验模型的适用性。实验结果表明,Dell Grosso模型与其他模型声速值计算的相似度较低,不适合该研究海域的声速剖面计算。3、基于声线跟踪的基本原理,系统介绍了常用的几种声速改正方法,提出了一种基于分层等梯度声线跟踪和泰勒级数展开的组合声速改正算法,结合水下声学定位算例对加权平均声速法、等效声速剖面法、分层等梯度声线跟踪法以及组合法进行了对比实验。得到以下结论:加权平均声速法和等效声速剖面法定位精度相对较差,分层等梯度声线跟踪法与组合法较加权平均声速法、等效声速剖面法精度高,定位精度均可达厘米级,可满足当前水下高精度声学定位的需要。与分层等梯度声线跟踪法相比,组合法能够更好更快地确定海底应答器位置的初始坐标值,减少迭代计算次数,提高计算效率。4、对基于测量船走航式和基于GNSS浮标的水下声学单差、双差定位的数学模型进行了详细推导,分析两种定位方法主要误差源和优缺点。利用模拟仿真数据和实测数据对两种定位模型的精度和可靠性进行验证,并深入分析了不同量级大小(不同水深)的系统误差对水下差分定位精度的影响。实验结果表明,差分定位模型能够有效消除或减弱系统误差的影响,尤其是系统误差较大(水深较深)的情形,从而显著提高水下定位精度。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张炳生

导师: 徐天河

关键词: 水下声学定位,声速剖面,数据,声线跟踪,走航式定位,浮标,差分定位模型

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,海洋学,工业通用技术及设备

单位: 长安大学

基金: 国家重点研发计划“海洋大地测量基准与海洋 导航 新技术” ( 编号:2016YFB0501700)

分类号: P733.2;TB56

总页数: 78

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