基于海洋环境场预报的水下移动节点自适应采样方法研究
发布时间：2021-03-20 16:19
海洋环境场的建模与预报工作是海洋科学领域的重要研究内容,高精度、高分辨的环境参数对于水声传播、目标探测、水声通信等相关研究具有重要的作用。由于海洋环境复杂多变,且区域广袤,对于有限的观测资源,如何高效采集海洋环境场参数的关键时空样本,以提高预报的准确性,已成为近年来海洋环境监测领域研究的重点和难点问题之一。海洋环境观测数据可以通过潜标/浮标等固定节点或携带传感器的移动节点采样获得。由于在海洋中大范围布放固定观测节点成本高昂,而移动节点具有观测灵活且覆盖范围广的优点,近年来,以自主水下航行器、水下滑翔机等移动观测节点为代表的自适应采样技术逐渐成为研究重点。水下移动节点的自适应采样问题在数学上可建模为一个约束优化的路径规划问题,即在环境预报场的基础上,根据给定的观测任务和平台资源的限制,优化得到最佳的观测路径,以实现观测资源在相关准则下的最佳利用,减小环境场预报的误差。本文基于海洋动力模式预报输出,以提高环境场后验估计精度为主要目标,研究水下移动节点自适应采样的路径规划方法,主要工作包括以下三项内容。首先,本文基于海洋动力模式输出的温度场模型,提出移动节点自适应采样路径规划的优化目标,并根...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
016年6月某一时刻的ROMS南海温度预报场及其梯度场
2水下移动节点自适应采样路径规划方法13(a)(b)(c)(d)(e)(f)图2.2ROMS数据同化前后的结果以及ROMS数据同化前后的误差与ROMS数据同化前的温度梯度比较。(a)、(c)、(e)是实验海区中水平方向坐标为(10km,10km)、(10km,20km)、(20km,10km)的点在ROMS数据同化前后的垂直温度剖面结果，(b)、(d)、(f)是实验海区中水平方向坐标为(10km,10km)、(10km,20km)、(20km,10km)的点在ROMS数据同化前后的温度剖面误差绝对值和该剖面数据同化前的温度梯度对比
浙江大学硕士学位论文283静态环境场自适应采样路径规划仿真本章将基于第二章的自适应采样路径规划方法，设计静态二维平面的移动节点路径规划仿真实验，并将二维平面的自适应采样方法拓展到三维空间中，对基于蚁群算法的三维路径规划方法进行仿真验证。本章通过二维高分辨数据同化算法，分析并对比蚁群算法和遗传算法的自适应采样效果，说明不同路径优化算法的采样路径特点及其优劣，再通过三维高分辨数据同化的方法，评估蚁群算法在三维温度场的自适应采样效果。本章将分别在静态的二维垂直温度剖面、二维水平温度剖面和三维温度场上开展仿真实验，并考虑海域大小与移动节点数量的配比，设计单移动节点和多移动节点的路径规划仿真实验。此外，本章将分析不同的梯度分辨率下的采样数据对高分辨插值误差的影响，并提出现有建模环境下的最优梯度分辨率。3.1海洋环境预报场数据本章的海洋环境预报场数据来源于2016年6月在中国南海开展的海试实验，该实验使用ROMS海洋动力模式输出，为数据同化提供环境预报场，然后将各环境传感器采集的环境数据经处理后输入ROMS中完成数据同化，更新ROMS下一步预测的初始环境场，提高后续环境场的预报精度。海试中主要的环境传感器包括四个固定TD/CTD观测阵和搭载在AUV上的CTD设备，其中二号TD/CTD阵的实测温度如图3.1所示。图3.1二号TD/CTD阵实测温度
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国全球业务化海洋学预报系统的发展和应用[J]. 王辉,万莉颖,秦英豪,王毅,杨学联,刘洋,邢建勇,陈莉,王彰贵,仉天宇,刘桂梅,杨清华,吴湘玉,刘钦燕,王东晓. 地球科学进展. 2016(10)
[2]基于蚁群算法的水下潜器三维空间路径规划[J]. 刘利强,于飞,戴运桃. 系统仿真学报. 2008(14)
博士论文
[1]捕捉环境不确实性的声学—动力数据同化技术[D]. 金丽玲.浙江大学 2013
硕士论文
[1]基于多源数据的声速场分布式反演与跟踪方法[D]. 陈小宇.浙江大学 2018
[2]基于改进蚁群算法的三维无人机路径规划的研究与实现[D]. 于涛.重庆大学 2017
[3]基于遗传算法的移动机器人路径规划[D]. 张小兵.西安建筑科技大学 2014
本文编号：3091293
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
016年6月某一时刻的ROMS南海温度预报场及其梯度场
2水下移动节点自适应采样路径规划方法13(a)(b)(c)(d)(e)(f)图2.2ROMS数据同化前后的结果以及ROMS数据同化前后的误差与ROMS数据同化前的温度梯度比较。(a)、(c)、(e)是实验海区中水平方向坐标为(10km,10km)、(10km,20km)、(20km,10km)的点在ROMS数据同化前后的垂直温度剖面结果，(b)、(d)、(f)是实验海区中水平方向坐标为(10km,10km)、(10km,20km)、(20km,10km)的点在ROMS数据同化前后的温度剖面误差绝对值和该剖面数据同化前的温度梯度对比
浙江大学硕士学位论文283静态环境场自适应采样路径规划仿真本章将基于第二章的自适应采样路径规划方法，设计静态二维平面的移动节点路径规划仿真实验，并将二维平面的自适应采样方法拓展到三维空间中，对基于蚁群算法的三维路径规划方法进行仿真验证。本章通过二维高分辨数据同化算法，分析并对比蚁群算法和遗传算法的自适应采样效果，说明不同路径优化算法的采样路径特点及其优劣，再通过三维高分辨数据同化的方法，评估蚁群算法在三维温度场的自适应采样效果。本章将分别在静态的二维垂直温度剖面、二维水平温度剖面和三维温度场上开展仿真实验，并考虑海域大小与移动节点数量的配比，设计单移动节点和多移动节点的路径规划仿真实验。此外，本章将分析不同的梯度分辨率下的采样数据对高分辨插值误差的影响，并提出现有建模环境下的最优梯度分辨率。3.1海洋环境预报场数据本章的海洋环境预报场数据来源于2016年6月在中国南海开展的海试实验，该实验使用ROMS海洋动力模式输出，为数据同化提供环境预报场，然后将各环境传感器采集的环境数据经处理后输入ROMS中完成数据同化，更新ROMS下一步预测的初始环境场，提高后续环境场的预报精度。海试中主要的环境传感器包括四个固定TD/CTD观测阵和搭载在AUV上的CTD设备，其中二号TD/CTD阵的实测温度如图3.1所示。图3.1二号TD/CTD阵实测温度
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国全球业务化海洋学预报系统的发展和应用[J]. 王辉,万莉颖,秦英豪,王毅,杨学联,刘洋,邢建勇,陈莉,王彰贵,仉天宇,刘桂梅,杨清华,吴湘玉,刘钦燕,王东晓. 地球科学进展. 2016(10)
[2]基于蚁群算法的水下潜器三维空间路径规划[J]. 刘利强,于飞,戴运桃. 系统仿真学报. 2008(14)
博士论文
[1]捕捉环境不确实性的声学—动力数据同化技术[D]. 金丽玲.浙江大学 2013
硕士论文
[1]基于多源数据的声速场分布式反演与跟踪方法[D]. 陈小宇.浙江大学 2018
[2]基于改进蚁群算法的三维无人机路径规划的研究与实现[D]. 于涛.重庆大学 2017
[3]基于遗传算法的移动机器人路径规划[D]. 张小兵.西安建筑科技大学 2014
本文编号：3091293
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