应用于无人直升机海洋航空磁力测量的机载GPS定位系统

无人直升机海洋航空磁力测量工作需要为磁力数据提供精确的位置和高程.根据无人直升机海洋航空磁力测量的实际工作环境和对定位精度的要求,设计了该机载单频GPS定位系统,并进行了模拟试验和野外试验,处理GPS数据采用商业软件.试验结果表明:该机载GPS定位系统满足定位精度要求,可应用于无人直升机海洋航空磁力测量.     

基于GPS高频数据的海浪测量方法

研究了基于GPS高频数据进行海浪测量的方法。利用TRACK解算得海上载体高精度的垂向位移,经浪潮分离提取海浪信号,分别采用相关函数法和周期图法估计海浪信号的功率谱,并计算海浪要素。利用实测数据进行试验,结果表明,周期图法推算的平均波高和平均周期精度较高,与测波仪结果差异分别小于2cm和0.25s,基于GPS高频数据的海浪测量方法可有效反演海浪要素。     

基于谱分析的GPS浮标测量参数提取方法

介绍采用谱分析原理提取海浪信息的方法。根据GPS浮标测量得到的海浪高度数据,先通过滑动平均的方法分离海浪信息和潮流潮位信息,然后对海浪信息采用AR模型法进行功率谱估计,并对海浪信息进行连续小波变换,对AR模型法功率谱估计结果和小波变换结果进行综合研究,提取海浪特征参数———周期。最后通过一个GPS浮标试验对上述方法进行了验证。     

超短基线定位的海上应用及精度评估

超短基线定位系统可以为水下调查设备提供精确的定位信息,是当今海洋探测工作必不可少的装备。超短基线定位系统的定位结果包含了多种来源的误差影响,对超短基线定位数据进行有效的处理是保证水下精确定位的前提。本文通过对超短基线基阵进行校准,并对其定位精度进行精度评估,对海上应用采集到的数据进行处理分析,对原始数据中出现的跳点进行剔除、滤波处理,得到较可靠的水下定位结果。     

基于卡尔曼滤波的水下滑翔机组合导航研究

水下滑翔机定位与导航精度的提高对于其完成水下作业任务至关重要。水下滑翔机传统的定位方法是依托于GPS信息的航位推算,定位精度较低,不能满足按既定路径航行的导航要求。为此,本文提出了一种利用卡尔曼滤波的组合导航方法,该方法在传统航位推算技术的基础上采用卡尔曼滤波器融合惯性导航系统数据和深度计数据,得出深度的卡尔曼最佳估计值,以此代替传统航位推算技术中的深度计直接测量值,从而提高航位推算精度。基于该方法,进行了仿真分析,并通过样机水池实验验证了该方法的有效性。     

海浪对水下电磁场幅值影响的分析

讨论了海浪波动基本规律,分析了海浪波动对水下接收点电磁场幅值的影响。理论计算表明,这种影响取决于海浪的有效波高和电波穿透深度的比值。在近似正态分布的海浪作用下,水下场强幅值呈现出对数正态分布的规律。海浪波动会造成场强均值增加和场强幅值波动。海浪对场强幅值的影响随着电磁场频率的下降显著地降低。     

用海洋GPS进行水下运动载体的三维定位

用单个装载超短基线的海洋GPS进行水下运动载体的三维定位,和三个智能型浮标进行水下运动载体的三维定位相比,定位精度相当,隐蔽性更好,造价更低,更具实用价值。本文对单个装载超短基线的海洋GPS进行水下运动载体三维定位的原理和精度进行了较为详细的讨论,并得到了一些有益的结论,以供同行参考。     

定位精度优化驱动的水下无人平台航路规划方法

航路规划指在有障碍物的环境中,为无人平台规划出无碰撞的最优路径。以水下定位为任务的航路规划为水下无人平台规划出高定位精度指标的最优路径,对于提高水下无人平台的工作效率至关重要。 传统的水下无人平台航路规划主要基于人工势场法、蚁群法、遗传算法等,在这些算法中主要考虑的是避障问题,而没有充分考虑载荷任务,因此任务执行效率低。特别是对于水下定位任务,由于定位精度受到航路影响较大,因此需要对定位精度进行优化。针对这一问题,结合人工势场法与定位精度,提出了一种定位精度优化驱动的水下无人平台航路规划方法,实现了对避障能力与定位任务能力的兼顾,提高了基于水下无人平台的定位精度。     

GPS浮标数据反演海浪谱的理论仿真与试验验证

GPS浮标作为一种新型的海洋测量设备,近年来在海面高度现场测量和星载高度计定标方面取得了重要应用。通过仿真试验对反演海浪谱的方法和流程进行研究,旨在探索从GPS浮标测量的海面高度序列中提取海浪谱的方法。首先,使用Longuest模型生成了海浪波面位移时间序列,并通过Pierson-Moscowitz风浪谱对波面位移的统计特性进行约束,其随机性由相位引入。结合典型潮汐和GPS浮标仪器噪声的仿真时间序列,合成了仿真时间长度1h的1Hz(每秒1次)随机海面高度序列。然后,利用自相关函数法,进行高通滤波和数据压缩,得到了仿真的海浪谱。该仿真结果和理论海浪谱非常接近,可满足海浪谱反演的需求。最后,通过山东石岛外海的GPS浮标现场试验,验证了本文提出的反演方法的适用性。本文的研究解决了GPS浮标反演海浪谱的关键问题,丰富了海浪谱反演的手段,拓展了GPS浮标的应用领域,有望为未来我国的星载波谱仪定标服务。     

船测瞬时海面大地高的获取与数据处理分析

为获得高精度的沿海区域瞬时海面大地高数据,利用船载GPS RTK技术能在动态条件下获得厘米级定位精度这一优势,采用高斯滤波及卡尔曼滤波方式对采集到的观测数据进行处理。从实验数据出发给出了高斯分布参数的选择方法并成功用于高程数据的滤波处理,同时以卡尔曼滤波方法作比较,分析了在获取瞬时海面大地高这一具体问题中两种方法的优劣,认为高斯滤波方法优于卡尔曼滤波。     

波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析

为满足对远洋环境进行长时间、大范围监测的实际需求,设计提出一种波浪动力滑翔机,该设备是一种无需携带能源即可实现自主航行的新型海洋监测平台,其主体结构由水面母船、水下牵引机和柔性缆绳三大部分组成。平台通过即时获取海洋中的波浪能、太阳能、风能作为行走的动力源,克服了传统海洋监测设备在能源供应上存在的短板。为进一步提升水下牵引机对波浪能的利用率,采用Ansys软件中的Fluent模块对水下牵引机进行水动力仿真研究,分析了侧翼板形状、侧翼板工作最大摆动角度以及侧翼板安装分布间距对滑翔机总体行走效率的影响。结果表明:NACA翼型侧翼板具有更好的水动力性能;随着最大摆动角度的增加,水下牵引机的推进效率先增大后减小,最大摆角在20°左右时,推进效果最佳;随着侧翼板分布间距的增大,水下牵引机的推进效率逐渐减小,分布间距在80 mm左右时,推进效果最佳。     

内波的生成、传播、遥感观测及其与海洋结构物相互作用研究进展

内波是层结海洋中普遍存在的一种海洋动力学现象,包含内潮、内孤立波、近惯性内波等多种形式,由于其携带能量巨大,分布范围广,发生频率高,对海洋结构物造成严重威胁。对国内外关于内波生成、传播演化、海遥感观测及其与海洋结构物相互作用方面的研究进展进行综述。总结了关于内波的生成机制、浅水和深水区域内波传播演化特征、实际海洋内波特征的遥感观测以及内波与海洋平台及水下潜器相互作用的研究成果,讨论了数值模拟、模型试验、遥感观测等研究手段在海洋内波研究中的应用以及取得的相应研究成果。最后,在探讨海洋内波研究趋势的基础上对未来关于内波生成机制及其海洋学特征观测相关研究需考虑和解决的问题进行了展望。     

Survey of underwater robot positioning navigation

Underwater robot positioning and navigation achieve autonomous underwater robot movement based on the premise that positioning obtains the coordinates of the relative position of the underwater robot using a sensor, and navigation yields a known location to the destination path planning. Due to the location of an underwater robot and the complex and changing environment in which it operates, it is difficult to achieve precise positioning using the traditional positioning method. This paper systematically analyzes and summarizes several typical localization and navigation methods of underwater robots, such as multisensor information fusion technology, underwater acoustic localization and navigation methods, GPS buoy, underwater vision, SLAM and coordinate localization and navigation of multiple underwater robots. Multisensory information fusion technology integrates the advantages of the above methods, enhances the system stability and robustness, overcomes the disadvantages of traditional positioning and navigation, and enables the autonomous navigation and positioning of underwater robots. Underwater acoustics enable flexible and convenient positioning, whereas GPS can achieve high-precision and high-positioning navigation information, and visual positioning effectively overcomes the problem of error accumulation. Multirobot cooperative positioning resolves the problem of positioning failure caused by the collapse of a single system and completes complex tasks that cannot be completed by a single robot, thus enhancing the stability and robustness of the system. This paper systematically describes the realization of these methods, presents an actual analysis of their respective advantages and problems, and discusses the development of the field of research prospects and application prospects.     

Underwater spreading and surface drifting of oil spilled from a submarine pipeline under the combined action of wave and current

Tremendous economic loss and environmental damages are caused by oil-spilling accidents in sea. Accurate prediction of the underwater spreading and surface drifting of oil spills is important for the emergency response. In the present study, numerical investigation on the underwater spread and surface drift of oil spilled from a submarine pipeline under the combined action of wave and current was carried out to examine the effects of physical ocean environment, leaking flux and spilled oil density and viscosity. Reynolds-Averaged-Navier-Stokes (RANS) equations, realizable k-ε turbulence model and volume of fluid (VOF) model are employed to describe the multiphase flow, and velocity-boundary wave-making technique combined with the sponge layer damping absorber technique realizes the numerical wave flume. Oil spill experiments were conducted to validate the numerical model. The calculation results indicate that compared with the environmental conditions of still water, only current and only wave, a larger scope of underwater spreading and relatively slower rising rate and relatively faster drifting rate of oil droplets are observed under the combined action of wave and current. The leaking flux affects the floating time and dispersion concentration, while the ocean environment affects the horizontal migration and surface drifting. Under the specific conditions of present work, oil density has obvious effect on the underwater spread but limited effect on the surface drifting, while oil viscosity has little effect on both the two processes.     

基于水下滑翔机的湍流观测平台研究

海洋湍流混合过程对大洋热盐环流具有重要调控作用,因此海洋湍流混合特征量如湍动能耗散率等物理量的定量刻画,主要通过现场湍流观测来实现。为满足长期连续海洋湍流混合观测资料的迫切需求及打破国外的技术封锁,自行研制了基于水下滑翔机的湍流观测仪。为了测试滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性,将一个携带有剪切探头的湍流仪安装在滑翔机本体上,并在千岛湖进行了一系列的实验。滑翔机平台的主要噪声来源于浮力调节机构中的油泵,油泵会在接近剖面的底端时开启。三轴加速度谱在30 Hz左右有明显的谱峰,说明滑翔机油泵的振动频率应该是在30 Hz左右,在其他频率点上振动较小。由剖面下潜过程(开泵)的波数谱可知,开泵时虽然对湍流观测有影响,但是振动频率在波数空间中处于无效观测谱一侧,由此说明平台的振动对剪切信号影响很小。剪切探头测得的耗散率在10-7 W/kg量级上,且都与Nasymth理论谱吻合良好,验证了滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性。     

深海季节性环境变化对半会聚区尺度水面声定位影响分析

针对深海声定位受海洋环境变化影响明显、需考虑测量系统的环境适应性和宽容性设计问题，提出一种评估海水环境变化对定位性能影响的仿真分析方法，将声场计算、误差传播与交会解算联合建模，以西太平洋中纬度海域夏季和冬季环境为代表性场景讨论了季节性环境变化对定位性能的影响方式和影响程度。仿真结果表明，当接收器位于海洋近表层时，在夏季和冬季呈现出两种不同的声信道样式，夏季季节性温跃层影响下的定位精度较差，冬季表面波导影响下的定位精度相对较好，两者均方根误差(RMSE)相差超过50 m；当接收器位于海洋中上层时，直达波有效作用范围的季节性变化引起定位性能差异，冬季定位精度优于夏季，两者RMSE相差15～20 m；当接收器位于海洋近底层时，利用可靠声路径定位精度较高，定位性能季节性变化不明显。研究认为，海水的季节性环境变化能够改变半会聚区尺度水面声定位的声信道特性以及到达声信息、误差传播、交会求解等测量因素，进而对接收深度位于海洋上层的声定位性能产生明显影响。     

水下地貌调查测量精度提高方法研究

海洋调查中,为确保调查信息与实际位置相匹配,提高调查成果的可信度,必须提高作业船拖曳调查设备的定位精度。论述了基于超短基线（USBL）水声定位与差分全球定位系统（DGPS）组合的新方法,消除了因作业船频繁变向、潮流的流向及流速等造成的调查设备位置的测量误差,成功地解决了调查信息错位,提高了海底地貌调查的定位测量精度,实用性较强。