顾及波束入射角的常梯度声线跟踪水下定位算法

海水声速的时空变化会使声波沿传播方向发生折射,有效消除声波的折射效应对提高水下声学定位精度至关重要。在声速剖面已知的情况下,声线跟踪是削弱折射效应的有效方法。但现有的声线跟踪方法要求波束入射角为已知,而基于距离交会原理的水下声学定位系统通常未对波束入射角进行直接观测。针对上述问题,提出了顾及波束入射角的常梯度声线跟踪水下定位算法,采用搜索法确定波束入射角,通过对声线跟踪与定位解算的迭代计算,实现波束入射角和目标坐标的渐次修正。为进一步提高计算效率,提出了迭代求解超越方程的解算法。试验结果表明,本文方法有效利用声速剖面消除了声线折射效应的影响,且解算法计算效率优于搜索法。     

水声定位中一种大入射角声线跟踪方法

在高精度水下声学定位中,常采用分层等梯度声线跟踪的方法对水下目标进行定位。但当声线入射角度过大时,该方法入射角的迭代解算会出现发散问题。首先,针对该问题产生的原因进行了分析,并在此基础上提出了一种新的入射角迭代方法,新方法采用曲率半径R代替Snell常数p进行迭代。利用500m水深模拟数据进行了验证,结果表明:在声线入射角较小时(如不大于80°),新方法和原方法的定位精度相当;在声线入射角度进一步增大时,新方法的定位效果优于原方法。     

顾及偏移参数先验信息的海底控制点贝叶斯估计模型

在全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）/声学定位系统中,声学换能器的位置由GNSS接收机天线位置通过偏移参数和姿态观测信息计算得到,偏移参数的测量误差必然会影响声学换能器的位置,从而影响海底控制点的定位精度。若不考虑偏移参数的先验信息,直接将其作为未知数与海底控制点坐标一起解算,可能会因参数之间强相关而出现观测方程病态的问题,导致解算结果不可靠。首先给出了GNSS/A定位的一种顾及偏移参数的贝叶斯估计模型,分析了偏移参数误差对定位结果的影响;其次推导了位置参数和偏移参数之间的相关性,从理论上阐述了观测方程产生病态的原因,进而构建了一种顾及偏移参数先验信息的贝叶斯估计模型。算例结果表明,该模型可以解决参数之间因强相关而引起的观测方程病态问题,能有效提高海底控制点三维坐标和偏移参数的解算精度。     

GNSS-A水下定位的动态非线性Gauss-Helmert模型及其抗差总体卡尔曼滤波算法

GNSS-声学组合式观测是确定海底控制点位置的重要手段,但会受到声速不确定性、海面平台定位偏差等误差因素的干扰,而基于误差传播定律的常规方法对各类误差的处理策略使得海底点坐标解算不准确。针对这一问题,本文将声速测距误差非时变项设为待解参数,在水下观测方程的系数矩阵中讨论声速测距误差时变项与换能器位置误差的影响,构建了GNSS-声学水下定位的动态非线性高斯-赫尔默特(Gauss-Helmert, GH)模型,并推导了该模型的总体卡尔曼滤波解。在此基础上,进一步考虑扩展后的观测信息受到粗差污染的情况,给出了模型的抗差处理方法及解算步骤。最后分别通过仿真试验和胶州湾海域实测试验进行了验证,试验结果表明,在不同深度或不同换能器位置误差大小的无粗差设定下,本文方法解算精度及稳定性较常规方法均更高;当观测信息含有粗差时,模型的抗差滤波算法能更准确地识别及定位异常信息,其三维点位精度明显更优,解算效果达到最佳。     

水下定位声线扰动分析与分段指数权函数设计

声速误差是水下声学定位的重要误差来源,主要包括声速测量本身的不确定性及声速时空变化误差.本文基于常梯度声线跟踪模型,导出入射角、声速梯度及深度变化产生的声线扰动数学模型.已有研究表明,对于相同的水深和声速梯度,入射角越大其扰动对声线影响越大,声线弯曲影响越明显.依据导出的入射角扰动对声线扰动的函数响应关系,构建了入射角相关的水下定位分段指数函数随机模型.试验结果表明:分段指数函数随机模型的定位结果相较于等权模型、指数模型有明显改善,与分段余弦随机模型定位结果相当,但本文随机模型会保留更多观测信息.     

一种基于常梯度模板插值的声线跟踪算法

常梯度声线跟踪在计算波束脚印位置时精度高,但过程复杂、效率低,应用于深海测量时尤为严重,因此提出了一种基于常梯度声线跟踪模板的波束点插值计算方法.首先研究了基于常梯度声线跟踪模板进行波束点位插值计算的理论基础,发现通过模板差值可以确定波束足迹;然后提出了基于常梯度模板插值的声线跟踪算法,主要包括常梯度声线跟踪模板构建、...     

顾及声线入射角的水下定位随机模型

水下定位中广泛采用的等权随机模型,实现简单但与实际不符,影响水下定位精度。针对该问题,结合水下定位实际,考虑水声测量误差和声线弯曲误差影响,在分析随机模型不完善条件下参数估计性质的基础上,构建了4种基于声线入射角的水下定位随机模型。通过模拟算例和实测数据进行了验证。结果表明：所构建的4种入射角随机模型比等权模型在定位精度上具有一定优势,其中分段余弦模型定位结果最好;入射角阈值取值在40°~50°范围内时,定位精度最高;100 m以内水深环境下,基于声线入射角的随机模型改善了传统等权模型的定位结果。     

GNSS/声学联合定位的自适应滤波算法

海底控制点布设是构建海洋时空基准的重要环节,而可靠的海洋基准定位模型及方法又是实现高精度海底控制点布设的前提和基础。应用广泛的走航船测量方式兼具灵活性和可控性,但载体异常扰动影响不可避免,易导致海底控制点联合定位模型解算失真。针对这一问题,本文提出一种基于自适应选权滤波的GNSS/声学联合解算方法。首先推导了统一海面及水下观测过程的GNSS/声学联合定位数学模型;然后研究了在联合模型的自适应滤波解算中对载体异常扰动的判别标准,给出了各状态参数自适应因子的构造方法;最后通过仿真和实测数据进行了试验验证。结果表明:引入自适应滤波算法后,能有效改善状态扰动对GNSS/声学联合定位的异常影响,提升其定位稳定性及定位精度;当分别对各类状态参数的自适应因子进行合理构造后,滤波效果可达最佳。     

一种非组合Galileo三频精密单点定位方法及精度分析

同时播发多个频段的导航信号已经成为新一代GNSS卫星的显著特征与未来趋势。多频导航信号设计对提升GNSS精密单点定位精度及缩短初始化时间方面尤其具有重大意义。本文提出了一种利用非组合Galileo三频观测数据的PPP定位算法,采用实测Galileo三频数据按照该算法进行了解算,并采用传统双频算法对相同数据进行解算形成参照,结果显示Galileo三频PPP算法在定位精度及收敛速度上均优于传统双频PPP算法,这种优势在观测数据异常时更为显著。     

BDS系统三频基线定位算法

BDS系统播发三频观测数据,这一特性对于改进基线定位具有重要意义。本文针对精密定位应用中的基线相对定位问题给出了一种基于BDS三频观测数据的定位算法,利用MGEX网澳大利亚境内测站的实测数据分别对一条短基线和一条中长基线以三频算法进行了解算,同时采用传统双频算法对相同数据进行解算作为参照,结果显示:基于三频的BDS基线定位算法较传统双频算法能同时提高模糊度固定成功率与定位精度,而且这种提升的效果对于中长基线更为显著。     

GNSS‐声学海底定位的声速误差处理方法综述

全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）‐声学海底定位是面向海底俯冲带板块形变监测需求提出的一种定位技术,也是建设海洋时空基准网的一种重要技术,有着广阔的应用前景。虽然目前GNSS‐声学海底定位技术的研究成果还不能满足海洋时空基准网的建设需求,但其数据处理方法尤其是声速误差精细处理方法,对海洋时空基准网海底部分（海底大地基准）的建设具有重要借鉴意义。介绍了GNSS‐声学海底定位技术的起源,并将其分为静态测量和动态测量两类,同时将声速误差处理方法作为该技术的发展脉络进行梳理,提炼了该技术的3个发展阶段:仅假设海洋声速垂向分层、考虑声速的时域变化、考虑声速的水平梯度。对于仅假设海洋声速垂向分层的阶段,国外学者采用几何结构对称的方式来削弱声速误差的影响;国内学者则主要对声速以外误差源（杆臂矢量误差、时标偏差、姿态角误差等）进行了研究,并用优化随机模型的方式削弱系统误差对定位的影响。对于考虑声速时域变化的阶段,国外学者利用拟合方法（多项式拟合或三次样条拟合）结合参数平滑约束来解算声速的时域变化量,提高定位的稳定性;国内学者基于此细化了参数拟合的方法（考虑参数长周期项的变化特征）,并创新性地提出了水下差分定位算法。对于考虑声速水平梯度的阶段,国内外学者在GNSS‐声学海底定位中解算了声速水平梯度参数,提高了水平方向定位的稳定性,并利用海洋数值模型验证了结果的可靠性。展望了将GNSS‐声学海底定位高精度数据处理方法应用于海底大地基准建设的前景,并引入了小时空尺度声速层析的概念（基于海洋时空基准网的声速误差处理方法）,以期解决数值预报模型不能提供小时空尺度产品的问题,进而为水下潜器提供更高精度的声速误差改正服务。     

附加深度差和水平距离约束的深海控制点差分定位算法

针对现有方法确定海底控制点(应答器)三维坐标垂直解偏差大的问题,提出了附加控制点间深度差和水平距离约束的差分定位算法。首先研究了声速剖面的变化规律,并分析了声速剖面的不确定性对测距误差的影响。其次,根据测距误差的变化规律设计了相应的测线,并提出了适合这种走航策略的差分算法。仿真试验的结果显示,相比于传统方法(圆走航),控制点垂直解的偏差由30多个cm减小到了10 cm左右,表明本文提出的方法可以有效改善控制点定位垂直解偏差大的问题。     

北斗伪卫星信号的室内多径传播特性

北斗伪卫星系统因其较强的抗干扰能力和灵活机动的组网能力可以应用于室内位置服务。多径效应是影响伪卫星定位精度的主要因素,因此,掌握北斗伪卫星室内多径传播特性是抑制多径、提高定位精度的前提。本文针对北斗伪卫星特有的信号体制,利用射线追踪法,研究了室内环境下伪卫星信号路径损耗、功率角度分布等多径特性参数,通过Wireless Insite软件,构建了大型商场的三维模型,在此基础上进行了仿真试验验证。结果表明,伪卫星多径数量在非视距条件下会急剧减少,且伪卫星多径分量以相近功率值分布在特定范围的水平方向角内;同时其衰落信道模型服从小尺度衰落,符合瑞利-对数正态分布,大尺度衰落与对数距离路径损耗模型相吻合。     

基于GPS／BDS组合的浅海AUV定位性能分析

针对水下机器人在浅海工作时定位误差大的问题,在浅海电磁波信号衰减不大的情况下,文中重点介绍一种基于GPS/BDS双模组合定位技术的浅海水下机器人高精度定位导航系统,为了比较双模定位系统的定位性能,设置了GPS和BDS单模定位系统作对比,提出了使用中值滤波算法和卡尔曼滤波算法相结合的定位数据处理方法,通过对双模定位系统测试数据的滤波处理,得出系统的定位性能。测试结果表明,双模定位系统的定位精度要高于单模定位系统;中值滤波和卡尔曼滤波相结合算法的应用能够明显提高双模定位系统的定位精度。      

WorldView-2影像双介质摄影测量的浅海地形测绘试验

主要研究利用高分辨率WorldView-2卫星影像和双介质立体摄影测量方法进行浅海地形测绘的可行性,同时解决双介质立体摄影测量精定位算法(即折射改正算法)适用性差的问题。首先依据通用的双介质物像几何关系,提出了一种普适的双介质立体摄影测量折射改正算法;然后以海南省三沙市甘泉岛、珊瑚岛周围浅海区域为试验场,利用两个地区的WorldView-2立体影像,运用双介质立体摄影测量方法进行了浅海地形测绘试验。试验成功提取到了两个地区浅海海底的数字高程模型(DEM)。其中,甘泉岛地区的浅海DEM精度达到2.08 m(剔除其中的高程异常点后的结果)。研究表明:提出的折射改正算法,无论"空中同名光线延长线是否相交"都是适用的,且能改善浅海地形测绘精度。在水体清澈、无海浪情况下,利用相应的WorldView-2立体影像和双介质立体摄影测量方法进行浅海地形测绘是可行的。     

海底大地测量控制网研究进展综述

高精度的海底大地测量控制网是数字海洋和水下网络中心战的基础设施之一,而现阶段我国海底控制网的建设和研究几乎为空白。为自主建立我国高精度的海底大地测量控制网,本文借鉴发达国家的经验,结合国外海底控制网的发展与研究现状,系统介绍了GNSS/Acoustic系统的组成及发展;详细梳理了数据处理中的关键技术,分析了影响海底控制点精度的因素和控制点定位精度;结合我国现状,建议加紧开展我国海底控制网的建设与研究。