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。     

抗差Helmert方差分量估计在水下声学定位中的应用

水下声学定位观测数据中不可避免地存在粗差,随机模型解算广泛地采用等权模型,模型实现简单,但与实际不符,且不能抑制粗差影响。针对该问题,提出一种基于IGG3方案的抗差Helmert方差分量估计方法。该方法通过水深和观测距离将观测值分为两类,利用Helmert方差分量估计确定不同类观测值的权比,抗差解决了粗差导致Helmert方差分量估计模型失效的问题。实验结果表明,相比于传统解算方法,抗差Helmert方差分量估计方法可以合理确定各观测值权比,削弱粗差影响,提高水下定位精度和可靠性。     

基于三频观测值中长基线快速动态定位方法

针对全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)的中长基线快速动态定位,提出了一种基于三频组合观测值的实时动态差分(real-time kinematic, RTK)卡尔曼滤波定位方法,以位置参数和宽巷组合观测值的双差模糊度为状态向量进行参数估计,采用最小二乘模糊度降相关平差(LAMBDA)方法搜索固定模糊度,以改正后的超宽巷组合观测值为高精度“伪距”,以宽巷组合观测值作为载波相位进行定位解算。通过香港和河南省境内的两组中长基线实验数据,详细分析了该方法在中长距离下的快速动态定位解算性能。实验结果表明,采用该方法宽巷模糊度可实现单历元固定,在静态固定率达到约100%,动态情况下固定率也可以达到约65%,达到了快速高精度定位解算的要求,平面位置精度均能实时达到厘米级。     

Bancroft算法在多卫星导航定位系统解算中的推广应用

提出了一种改进的Bancroft算法运用于组合双系统SPP解算。为检验新算法的解算精度,选取2013年2月采集于武汉大学实验大楼楼顶的GPS/BD双频双模接收机实测数据进行解算。实验结果表明改进的Bancroft算法与传统的最小二乘算法的解算精度相当,其解算效率与最小二乘算法相比提高了22%,从而验证了改进的Bancroft算法在组合双系统SPP解算中的可行性及优越性。     

基于多系统组合的PPP模糊度快速固定研究

探讨了组合多系统的精密单点定位(PPP),通过MGEX实测数据进行多系统PPP解算,分析了不同系统组合PPP定位精度和收敛速度,以及多系统组合对GPS模糊度首次固定时间的影响。实验结果表明,在静态和仿动态条件下,组合系统PPP的收敛速度和短时间定位精度明显优于单系统PPP,同时多系统组合PPP能够加快浮点模糊度收敛,缩短GPS PPP模糊度的首次固定时间。     

基于GNSS观测网的双差和非差解算结果比较分析

利用BERNESE软件双差定位模块与PANDA软件非差精密单点定位模块,处理了中国沿海GNSS观测网2009年120天~365天的数据资料,分别从外符合和内符合精度对结果进行比较分析。结果表明:BERNESE软件双差定位解算出的坐标精度要优于PANDA软件精密单点定位,但相差不大。     

GPS/GLONASS组合实时动态精密单点定位

针对传统模式下,单系统实时动态精密单点定位精度不高、受环境影响严重等缺点,研究了双系统实时动态精密单点定位的方法,基于非差无电离层组合载波和伪距观测量,依据拓展Kalman滤波进行参数估计,从多种情况进行了实时动态PPP的实验。实测数据解算实验表明,双系统定位较单系统有明显改善,其U、N、E方向收敛后RMS分别为0.224m、0.062m、0.102m,分别较单系统改善了42.9%、26.2%、69.6%,能够满足海上实时动态的厘米至分米级的定位需求。     

海面高因素对北斗系统海上无源定位精度的影响

研究了海面高因素对北斗系统定位精度的影响，并利用“三星＋高程约束法”、“星际差分＋初始高程约束法”和“余弦定理解析求解法”三种解算方法进行仿真计算，计算结果表明，考虑海面高因素能有效地提高北斗系统定位精度且提高幅度与解算方法有关。     

基于三角高程测量的跨海高程传递方法

对黄岛试验区实测数据进行最小二乘平差和抗差估计解算,结果表明,对于10km以内的跨海距离,基于三角高程测量的跨海正常高程传递精度为2mm/km,达到二等水准的要求.基于三角高程测量的跨海正常高差与直接观测的水准高差和EGM08模型的计算高差互差均小于3mm/km,与天文重力水准计算的高差互差为5mm/km.     

利用恒星日滤波削减油田井架BDS多路径效应

针对油田井架全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)动态变形监测中存在的多路径效应,限制了变形监测的精度,提出一种BDS(Beidou navigation satellite system),双频单历元恒星日滤波方法削减多路径效应。该方法针对北斗导航卫星系统BDS不同类型卫星,通过单差残差序列提取多路径误差,并基于观测值域对各颗卫星单差残差序列进行改正,再利用LAMBDA方法固定模糊度,解算坐标。通过油田井架模拟及实际监测数据,对多路径误差改正前后的单差残差以及基线解进行分析。结果表明：该方法可以有效削弱油田井架环境的多路径效应,提高定位精度。在模拟试验中,东北天方向精度较改正前提升46.4%、35.5%、42.7%;实际工程监测试验中,东北天方向精度较改正前提升14.7%、11.4%、19.2%。     

基于GPS精密单点定位技术的水深测量

首先阐述了水深测量的两种作业模式：传统人工验潮水深测量和GPS无验潮水深测量，对两种作业方式作了简单的比较。简要介绍了GPS精密单点定位（PPP）的基本原理，给出了GPS无验潮水深测量数学模型。然后，针对传统水深测量作业模式的弊端，提出采用GPS精密单点定位技术进行无验潮水深测量作业，并从静态和动态定位两个方面验证了PPP技术进行无验潮水深测量作业的可行性。     

GNSS船姿测量方法及对多波束测深精度的影响分析

GNSS船姿测量以其观测误差不随时间累积的特点得到了广泛研究和应用,本文基于三天线GNSS船姿测量方式,构建了波束脚印误差与姿态误差间的关系模型,设计仿真实验分析了基线长度对姿态误差的影响,以及不同水深环境下姿态误差与GNSS定位误差的关系。为突破传统RTK在测量距离上的限制,本文采用PPP、PPK、MBD (动态参考站差分)三种方法进行GNSS船姿计算,并通过海上实验与高精度惯性导航系统进行对比分析,结果表明使用MBD测姿结果要优于PPK和PPP模式,得到的航偏角、横摇角、纵摇角标准差均在0.1°左右,可满足通常情况下多波束测深对姿态精度的要求。     

多系统GNSS浮标潮位提取精度研究

为实现多频多模GNSS浮标在远距离海洋潮汐测量中的应用,基于精密单点定位(precision pointing positioning,PPP)数据处理策略获取潮位信息,以压力验潮仪为参考,对GNSS浮标测量海面高进行经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD),滤去高频波浪和噪声,获取潮位进行精度分析。结果表明:多系统可以提高PPP解算潮位精度。GPS/GLONASS双系统和GPS/GLONASS/Bei Dou三系统PPP提取潮位与验潮仪潮位差值的最大误差均小于18cm,RMSE小于6. 5cm。因此,多系统PPP解算GNSS浮标海面高可以实现远离海岸的潮位获取与监测,能够提高海上潮位测量的效率。     

不同星历和钟差产品的PPP验潮试验及结果分析

基于动态精密单点定位(PPP)技术,借助研制的PPP软件,采用IGR、IGU等快速星历和钟差产品,进行了海上船载PPP验潮试验,并对其精度进行了分析。结果表明:与传统RTK验潮技术相比,海上PPP验潮的精度优于0.1m,能够满足海上OBC地震勘探等工作对潮汐数据的精度要求;基于IGU星历的PPP验潮方法的时延较短,更加符合海洋潮汐数据的时效性需求。     

Performance of Real-Time Precise Point Positioning

The IGS Real-time Pilot Project (IGS-RTPP) provides real-time precise orbits and clocks, which support real-time positioning for single stations over large areas using the Precise Point Positioning (PPP) technique. This paper investigates the impact of real-time orbits, network configuration, and analysis strategies on real-time PPP implementation and demonstrates the real-time PPP performance. One month of data from the IGS network is analyzed in a real-time simulation mode. Results reveal the following: (1) In clock estimation, differential approaches are much more efficient than the zero-differenced approach. (2) The precision of IGS Ultra rapid (IGU) orbits could meet the IGS-RTPP requirement for precise clock estimation and PPP positioning. (3) Considering efficiency and precision, a network with 50 stations is recommended for the IGS-RTPP. It is demonstrated that the real-time satellite clock precision is 0.1 ns supporting hourly static PPP with a mean precision of 2–3 cm in the North component and 3–4 cm in the other components. Kinematic PPP assessed with onboard GPS data collected from a buoy provided mean coordinate precision of 2.2, 4.2, 6.1 cm in the North, East and Up directions, compared to the RTK solutions.     

机载GPS精密单点定位性能分析

利用地面多基站RTK测量结果和精密单点定位（PPP）测量结果,分析了机载条件下PPP定位、测速性能指标.实验结果表明：机载GPS精密单点定位绝对定位精度在位置、速度上可分别达到0.182 3m和0.024 6m/s,相对定位精度在位置、速度上可分别达到0.1450m和0.024 9m/s.     

机载GPS精密单点定位性能分析

利用地面多基站RTK测量结果和精密单点定位(PPP)测量结果,分析了机载条件下PPP定位、测速性能指标。实验结果表明:机载GPS精密单点定位绝对定位精度在位置、速度上可分别达到0.182 3m和0.024 6m/s,相对定位精度在位置、速度上可分别达到0.1450m和0.0249m/s。     

基于GPU加速的Boussinesq类波浪传播变形数值模型

Boussinesq波浪模型是一类相位解析模型,在时域内求解需要较高的空间和时间分辨率以保证计算精度。为提高计算效率,有必要针对该类模型开展并行算法的研究。与传统的中央处理器(CPU)相比,图形处理器(GPU)有大量的运算器,可显著提高计算效率。基于统一计算设备架构CUDA C语言和图形处理器,实现了Boussinesq模型的并行运算。将本模型的计算结果同CPU数值模拟结果和解析解相比较,发现得到的结果基本一致。同时也比较了CPU端与GPU端的计算效率,结果表明,GPU数值模型的计算效率有明显提升,并且伴随数值网格的增多,提升效果更为明显。     

基于小波变换和LSTM神经网络的格陵兰岛近海海域海平面变化预测

海平面变化包含多种不同时间尺度信息，传统的预测方法仅对海平面变化趋势项、周期项进行拟合，难以利用海平面变化的不同时间尺度信号，使得预测精度不高。本文基于深度学习的预测模型，提出一种融合小波变换（wavelet transform，WT）与LSTM （long short-term memory，LSTM）神经网络的海平面异常组合预测模型。首先利用小波分解得到反映海平面变化总体趋势的低频分量和刻画主要细节信息的高频分量；然后通过LSTM神经网络对代表不同时间尺度的各个分量预测和重构，实现海平面变化的非线性预测。基于该模型的海平面变化预测的均方根误差、平均绝对误差和相关系数分别为12.76 mm、9.94 mm和0.937，预测精度均优于LSTM和EEMD-LSTM预测模型，WT-LSTM组合模型对区域海平面变化预测具有较好的应用价值。