水下声学定位关键技术问题研究

发布时间：2020-11-19 01:57

　　 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,然而我国海洋形势十分严峻,水下自主导航与长期观测基本上是空白,因此迫切需要对水下定位开展研究。本文是在国家重点研发计划“海洋大地测量基准与海洋导航新技术”课题的支撑下,开展了水下声学定位所涉及到一些关键技术问题的研究工作。主要研究和结论如下:1、归纳总结了水下定位技术和声速改正模型的国内外研究进展,介绍了水声定位系统和组合定位系统,并分析了各种系统的适用条件和优缺点。介绍了水下声学定位的误差源以及提高精度的方法,系统研究了用于声速计算的ARGO数据和间接测量法需要的声速经验模型,包括Dell Grosso、Wilson、Leroy、Mackenzie、EM、Medwin等6种。实测数据计算表明:Dell Grosso模型计算的声速值与其他模型的偏差值比较大,不同模型声速值与温度、盐度变化的关系中,除Dell Grosso模型外,其他模型的吻合度较高。介绍了水下长基线定位系统的P2/94原始文件,介绍了数据格式和解译方法,为水下声学非差和单差定位算法研究提供数据基础。2、介绍了水下长基线定位系统的P2/94原始文件的数据格式和解译方法。研究了水下声学非差和单差定位模型,在经典最小二乘解算的基础上,将基于IGG方案选权迭代的抗差最小二乘法引入水下声学定位解算中,给出了基于抗差估计的水下声学非差和单差定位模型。顾及水下定位的几何结构与实际情况,提出采用忽略垂直方向,将斜距改为平距进行二维定位的方法,由此提高平面位置精度。3、根据南海实测数据对本文提出的水下定位方法进行了验证与比较。采取四种方案开展了水下声学定位实验:非差三维定位、非差二维定位、单差三维定位、单差二维定位,结果表明:采用将斜距改为平距的二维定位算法可行,且精度有明显提高,定位结果与三维差分法相当。基于IGG方案的抗差最小二乘法可有效剔除粗差,大大提高了定位精度和可靠性。通过历元间求单差方法可以有效减弱系统误差和空间相关性误差的影响,定位精度优于非差法定位。忽略垂直方向采用二维定位方法的平面位置精度优于三维定位的平面位置精度。4、研究了水下声学定位中的声速跟踪算法,并提出了利用泰勒级数展开法代替加权平均声速法的声速跟踪法。计算结果表明:改进的声线追踪法较其他方法的精度有明显提高,可以满足厘米级精度的定位需求。在此基础上,提出了基于单差模型的声速改正算法,仿真算例表明,基于单差法的声速改正算法,提高了声速改正的精度和可靠性。
【学位单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB56
【部分图文】：

比如卫星导航、雷达等。然而，声波在海水中有很行定位、导航和通信时我们通常采用声学定位。本章我和定位原理。统位系统系统的换能器之间的距离为几个厘米，它主要包括四部外部设备。声标装在水下探测系统上，声基阵装在船舷之间的距离差，结合船上的 GPS 等外部设备，实时计系统之间主要有声学应答、电信号触发以及同步钟三可连续跟踪定位。缺点：只能在浅水区、作用距离较短短基线定位原理。

cosT xX R ；T ycosT z式中， , ,x y z 是声射线与声基线阵的夹角；v 是声波在水中的传播速度；, x y 答器到声基线单元的相位差； 是声波的波长；R是换能器到应答器的距离； 为基阵单元之间所接收的时间差；1 2b ,b 为基线单元之间的距离，安装时设定的 , ,T T TX Y Z为应答器位置[32]。由于解算公式中包含了距离比例因子 R /b，测相误离成比例变化，定位精度会随着声线长度的增大显著降低。所以，超短基线一短距离的定位。.2 短基线定位系统短基线定位系统基线长度在 20-50 米，安装在母船上或者其他水面载体上。短系统的工作原理与超短基线定位系统工作原理类似，船上换能器发送信号，水接收信号并反馈，得到多个距离观测值，并根据外围其他设备计算目标点坐标的工作方式是距离测量。

2 2 23 3 3 321( ) ( ) ( )2soundx x y y z z V t 式（2-11），我们可以利用圆曲线定位求出应答器的三维位置我们可以利用最小二乘来进行计算，具体见第四章。定位的优点：较高的定位精度、较大的工作区域；缺点是：存测量、施工效率较低[34]。 GPS 定位系统水下载体的水下收发机、水下水声通讯链路、水上无线电通讯、陆基或船基数据处理与监控中心、GPS 陆面基准站、GPS 定位系统[35]。海面大地测量基准是水下定位的测量基线，主要S 浮标和陆面上的基准站。GPS 水下定位系统工作模式主要有式。图 2.3 是水下 GPS 定位系统。
【参考文献】

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本文编号：2889525