Underwater Terrain Positioning Method Based on Least Squares Estimation for AUV

To achieve accurate positioning of autonomous underwater vehicles, an appropriate underwater terrain database storage format for underwater terrain-matching positioning is established using multi-beam data as underwater terrain-matching data. An underwater terrain interpolation error compensation method based on fractional Brownian motion is proposed for defects of normal terrain interpolation, and an underwater terrain-matching positioning method based on least squares estimation (LSE) is proposed for correlation analysis of topographic features. The Fisher method is introduced as a secondary criterion for pseudo localization appearing in a topographic features flat area, effectively reducing the impact of pseudo positioning points on matching accuracy and improving the positioning accuracy of terrain flat areas. Simulation experiments based on electronic chart and multi-beam sea trial data show that drift errors of an inertial navigation system can be corrected effectively using the proposed method. The positioning accuracy and practicality are high, satisfying the requirement of underwater accurate positioning.     

改进的单纯形法及其在非线性参数估计中的应用

采用了改进的单纯形法,该算法利用遗传算法的变异操作来增强单纯形法的全局搜索能力,既兼顾了全局收敛性,又具有高效的局部搜索能力。并通过实例验证了该算法的优越性,以及应用于测量上的非线性最小二乘估计的可行性。     

基于非线性滤波的水下地形辅助导航方法

为了解决水下航行器惯性导航误差随时间积累问题,利用地形辅助导航技术进行导航位置修正。由于水下地形的非线性,对基于扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)和粒子滤波(PF)3种非线性滤波方法的水下地形辅助导航算法进行研究。针对传统基于单波束声纳量测模型在小起伏地形区域导航精度低、易发散问题,从提高量测地形信息量角度,建立了基于多波束测深声纳的量测模型。使用多波束实测地形数据进行仿真试验,结果表明:无论在粗糙地形区域还是较平坦地形区域,多波束量测模型有效缓解了3种方法易发散问题,提高了导航精度。     

基于自适应抗差最小二乘的DEM数据粗差剔除

数字高程模型(DEM)生产中最关键的环节是质量控制,而粗差是影响DEM质量的重要因素之一。简单介绍了自适应最小二乘估计的原理,并将其用于DEM趋势面拟合中,结果表明该方法具有良好的抗粗差的能力,用含粗差的数据拟合出的曲面与实际地形比较符合。     

基于压缩感知的水下目标定位

研究水声环境下匹配场定位中快拍数少和相干声源导致定位不准确问题。在水下目标定位的稀疏数学模型基础上,通过对测量矩阵中的列向量的模进行标准化,降低了由于距离原因对声源定位性能的影响;使用奇异值分解法对快拍数进行精简,降低了算法的时间复杂度;结合压缩感知理论的SOMP算法,实现高效的水下目标定位。仿真实例验证了该算法的有效性。     

基于最小二乘法的超短基线水声定位系统校准方法

超短基线水声定位系统是海洋工程及水下无人系统中应用较广泛的精密仪器设备,为了提高对水下目标的定位精度,在使用前需对其进行校准。描述了一种基于最小二乘法迭代修正的超短基线水声定位系统校准方法,该方法以最小二乘法为基本原理,通过多次迭代修正的方式,修正基阵与GPS天线之间的平移偏差以及基阵与罗经之间的旋转偏差,从而提高系统的测量精度,最终通过湖上试验验证了该方法的有效性。     

欠驱动AUV水平面动力定位控制方法研究

以欠驱动自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)为试验平台,提出了一种水平面动力定位控制方法.根据自研AUV平台的运动执行机构配置,针对其欠驱动特性设计运动控制器,控制纵向推力与转艏力矩,经过路径跟踪与区域镇定两个阶段,使航行器先沿预设路径快速接近目标点,再低速逐渐调整水平位...     

用于AUV定位的等效声速剖面改进算法研究

以自主式水下机器人为载体,搭载多种测量设备的深海工程作业的方式,目前已经得到了广泛的应用。而基于AUV完成各类水下任务的前提是能否精确的进行定位,传统的声学定位方法因过于依赖声速剖面而导致定位精度不高且造成实际操作过程复杂化,在各种声线改进的方法中,等效声速剖面法的计算过程较为简单,且对实际声速剖面的依赖程度较低,然而最大的问题是相对面积误差的求解过于复杂。结合AUV自身特点,提出了超短基线与等效声速剖面法相结合的水下AUV定位方法,并改进了等效声速剖面法。实验结果表明,改进后的方法计算精度得到提高且相对面积误差的求解更加简单,另外也改进了原始方法误差随水深及掠射角变化而增加的问题,具有良好的工程应用价值。     

基于小波变换和LS-SVM的船面风速风向估算方法

为了对锚泊状态下未来0.5 h的船面风速和风向进行估算,提出了一种基于小波变换和最小二乘支持向量机的估算方法。首先对原始风速数据进行正交分解,得到X轴和Y轴风速;然后分别对X轴和Y轴风速进行小波分解,提取出低频和高频数据序列;其次利用最小二乘向量机方法,分别对低频、高频序列进行估算,分别将X轴和Y轴各序列估算结果进行叠加得到X轴和Y轴估算风速;最后利用矢量法则,同时实现了风速和风向未来0.5 h的估算。以试验船在东海海域锚泊状态下船舶气象仪所测的风速风向数据进行建模与实例验证分析,结果表明该方法具有较高的估算精度。     

基于TIN模型的水下地形匹配定位算法

针对当前尚无直接利用海图水深构建不规则三角网(triangulated irregular network,TIN)进行水下地形匹配定位的现状,提出了一种基于TIN模型的水下地形匹配定位算法。首先,在经典TERCOM(terrain contour matching)算法的基础上,设计基于TIN模型的匹配搜索区的确定方法;然后,给出待匹配航迹点的水深值计算公式;最后,构建目标匹配定位的地形相关组合算子,实现匹配定位。实验结果表明:(1)本文所提算法可以用海图的原始水深直接构TIN模型作为匹配基准图进行匹配定位,且其定位精度可明显高于基于规则格网模型的经典TERCOM算法;(2)新方法可以有效的降低误匹配的发生;(3)提出的MMD+MSD组合匹配算子能够一定程度上克服水深系统误差对定位精度的影响。     

基于卫星的水下载体实时水声定位模型

为适应水下载体高精度实时导航定位的需求,提出了基于卫星导航定位的浮标水声定位系统定位模式,主要讨论了长基线固定浮标定位系统和超短基线单体智能浮标系统的工作原理和点位计算模型,分析了水声定位系统定位的准确度和误差源,对促进全球海域实现全天候高精度完全水下自主定位具有一定的指导意义。     

基于压缩传感的OFDM水声信道估计方法研究

简要介绍了两种经典的基于压缩传感(CS)的稀疏信号重构算法:匹配追踪(MP)和正交匹配追踪(OMP)。结合逆矩阵的阶数递归算法,针对OMP算法复杂度高提出了改进型的基于阶数递归的OMP算法,简称为ORMP算法。经研究发现,水声信道的冲击响应是典型的稀疏信号。因此,把基于压缩传感的ORMP算法应用到水声信道估计中,并通过仿真和海试实验验证了算法的可行性及优越性。     

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。     

基于最小二乘的磁性目标磁矩确定方法

磁性目标产生明显的磁异常是磁探测的前提,而磁性目标的磁异常分布主要取决于目标磁矩。针对常用的消元法确定磁矩未能顾及目标磁矩测量过程中误差的影响,基于磁矩测量模型,提出采用最小二乘法来确定磁性目标磁矩,并通过仿真实验和实测数据验证方法的有效性。研究结果表明:最小二乘法有效地利用了磁矩测量中的测量数据,可以有效减弱测量中误差对目标磁矩各分量的影响。为了解决实际测量中目标磁矩分量计算结果的不稳定性问题,建议增加观测数据。研究结果可为磁性目标的有效探测提供理论依据。     

基于分层图像复原的水下目标距离估计

水下目标的距离估计对于水下作业有着十分重要的意义。目前常用的距离估计方法无论是光测距还是声测距都对于设备有很大的依赖性,本文提出一种基于复原技术的距离估计方法,通过建立水下退化图像的分层复原模型并利用清晰度评价函数,根据对图像清晰复原时的参数估计实现目标距离估计。这种方法紧需要单幅水下图像就可实现目标整体距离估计。文中通过实验验证了该方法的有效性。     

面向AUV自主水下对接的视觉检测算法

针对自主式水下机器人水下对接过程中近距离视觉导引存在的定位精度低、计算时间长的问题。基于Cascade RCNN神经网络模型设计了一种高精度视觉检测算法。首先,基于热力图导向的泊松复制建立混合数据增强策略,在实例级和图像级上扩充训练样本;其次,采用完备交并比损失函数提高算法模型输出边界框的回归准确率;然后,使用学习率余弦退火策略,通过周期性的热重启和衰减使算法模型能概率性地跳出局部最优解并最终趋于全局最优,以进一步提高目标检测精度;最后,使用混合精度策略减少算法模型计算复杂度,提高实时性。水下对接实拍图像目标检测试验表明：该算法模型的平均精度达到94%,检测速度超过20帧/秒。     

关于最小二乘问题近似解误差估计的进一步分析

Brezinski等人给出了最小二乘问题近似解的一族误差估计。该误差估计含有1个实参数。本文的贡献有3个方面:其一是给出了1种参数选择策略;其二是对该族误差估计的性质做出进一步分析;其三是分析了应用于Tikhonov正则化时应注意的一些问题。     

基于扩频通信的深海水声定位技术研究

深海空间站在母船伴随保障时面对恶劣天气存在安全风险及水下多平台作业低效的问题,传统的单一的保障船模式仅依靠超短基线等水下定位方法,水下平台定位速度慢、误差大、相互感知协作困难,已无法满足要求.提出了一种基于通信信标的深海水声定位方法,采用宽带扩频通信进行时延估计,然后利用已建立的等效声速表查找等效声速,完成声线修正,从...     

一种基于时延的水下声基阵坐标估算方法

阵形估算是水听器阵列应用中的关键问题,基于时延的水下声基阵大地坐标标定方法利用声源发射和声阵接收的CW脉冲之间的时延获得空间中的三个声源发射点到阵元的距离,并以这三个声源发射点为圆心,以声源发射点到阵元的距离为半径做球面,得到的交点即为阵元的大地坐标.通过实验数据分析结果可以得出如下结论:基于时延的球面交汇法得到的阵形标定结果的绝对误差均值为0.13 m,可以把该方法运用于实际的工程测量当中.     

基于分数阶傅里叶变换的水下目标速度估计

在高斯白噪声背景下,匹配滤波器作为线性调频信号的最优检测器,在水声信号处理中被广泛应用。 当发射信号为线性调频信号时,由水下目标径向速度引起的多普勒频移会造成回波和样本之间失配, 使匹配滤波器的检测性能下降,增加了目标速度估计的难度。 利用分数阶傅里叶变换对于线性调频信号的聚焦特性,提出了应用分数阶傅里叶变换的水下运动目标线性调频回波检测算法,完成对目标速度的估计, 推导目标运动速度与分数阶傅里叶变换阶数之间的关系,并对测量结果进行误差分析。 仿真测试表明,该算法可有效地估计混响背景下的目标径向速度,且具有良好的估计性能。