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。     

水下声学定位中声速改正方法的比较

介绍了水下声学定位原理以及目前常用的几种声速改正方法,提出了一种泰勒级数展开法和声线修正法组合的声速改正方法。通过模拟算例,将加权平均声速法、泰勒级数展开法、等效声速剖面法、声线修正法和组合方法进行了比较,展示声线修正法和组合方法的效果。     

海洋声速场的经验正交函数描述及声速剖面预报

针对位于东海外缘台湾东北部冲绳海槽张裂带以西的深海海域声速场的统计资料,分析利用少于５号经验正交函数描述声速场。探索利用经验正交函数、海表和温跃层水温对海水声速剖面进行预报的方法。研究结果对于声速场数据库的建设、海洋声速场的预报和水下声层技术具有重要的意义。     

基于二次多项式拟合的超短基线声线修正方法

超短基线定位解算中的距离观测值是指换能器与水下应答器之间的直线距离,而海水声速的不均匀分布导致声波在海水中的实际传播路径为连续弯曲的曲线,需要结合实测声速剖面进行声线修正。根据声速在分层介质中的传播特性,本文提出了一种基于二次多项式拟合的声线跟踪算法,采用线性插值方法对声速剖面数据进行合理加密并按等深度进行分层,设定每层声速梯度是不断变化的,用二次多项式拟合声速,基于运动学原理建立了完整的数学解算模型。仿真结果表明,该方法修正后的水下目标分布具有明显的收敛性,且优于等梯度声线跟踪算法和等效声速剖面法,显著提高了超短基线水声定位系统的定位精度。     

深海作战战场环境保障需求问题研究

深海战场空间的独特性和超前性引发了深海军事的发展和变革,并逐步改变军事斗争的战略态势。因此,迫切需要加速形成深海战场环境保障能力,为维护我国安全和海外利益拓展等提供基础支撑。总结归纳了深海概念及环境影响,提出面临形势与未来挑战,深入分析深海战略威慑、水下航行、导航定位、 预置武器和预报预警等场景下的战场环境保障需求,最后提出深海战场环境保障建设的措施建议。     

深水新型水下立管支撑平台研究

FPSO系统在深海海洋油气资源开发中扮演着重要的角色,而深水FPSO系统水下立管管路较长,立管整体重量较大,立管在水流作用下产生的涡激振动也较强,这些将给FPSO主船体带来严重的稳性、强度及疲劳问题。鉴于此,深海FPSO系统在油气资源开发过程中,须在水下一定深度设置若干水下软管支撑浮体,用以支撑来自深海海底的管线,减轻深水立管对FPSO的负载作用。随着深海资源开发的深入发展,传统水下软管支撑浮体作为FPSO系统的关键装备已经无法满足深海开采的需求,寻求大型化、深海化、生命周期长久化的新型水下立管支撑平台迫在眉睫,设计简便快捷、低风险的安装方法成为其开发过程中的重点和难点。详细描述了水下软管支撑浮体的产生及其发展历程,针对深海开发的需求提出了新型立管支撑平台的新概念,着重对新概念下下水安装更便捷的耐压立管支撑平台设计原理及其下水安装方式展开了分析,最后对水下软管支撑浮体和新型立管支撑平台的关键技术进行了总结,并提出了需进一步解决的问题。     

深海自治式水下航行器组合导航/定位误差分析与建模

在深海海洋油气资源勘探开发中,导航定位数据是各个测量参数的基准信息,测量载体的定位精度在一定程度上决定了其搭载的传感器探测精度。以COSL Explorer型深水自治式水下航行器为研究对象,分析其组合导航/定位系统的特点,得出包含超短基线水下定位、多普勒计程仪与惯性系统组合导航、海水中声速影响的深水自治式水下航行器导航/定位误差模型,并对该模型参数进行等误差剖面分析,得到该载体导航/定位误差分布趋势。并针对不同航速、不同定位斜距、不同时间间隔下的组合导航定位误差进行预报,为自主航行器在大海深、大范围工程勘察测量时参数设置提供理论依据。     

海洋声速起伏对声传播及定位精度影响分析

海洋中声速起伏导致水声信道发生变化,进而引起声线到达结构的变化,对水声传播及定位精度产生一定影响。为讨论这一效应,基于TDOA体制建立了考虑声线弯曲的水下目标无源定位模型,分析了声速起伏对水下声传播路径及传播时间的影响,进而研究了声速起伏对水下无源定位测量精度影响程度。结果表明:当水平传播距离较大时,声速剖面起伏对声传播路径及传播时间的影响更为显著;以典型四元阵为例,若基线长度为20 km,接收阵位于水下5 km处,在不考虑其它随机误差影响下,海洋声速起伏造成的声源定位误差量级在0.5 m以内。分析结果有助于更好地利用环境特征优化无源定位测量方案,可为高精度水下无源定位系统设计及精度评估提供依据。     

一种适用于深海长基线定位的自适应分层声线跟踪法

在深海定位中,声线传播距离长,声速剖面层数多,采用分层等梯度怕线跟踪法运算量大,会明显降低定位的计算效率。针对这一问题,提出了一种自适应分层声线跟踪法,根据声速梯度的变化情况对声速剖面数据进行自适应分层,保留主要声速层以减少运行时间。实验表明,该方法在保证定位精度的前提下显著地提高了计算效率。     

基于分层EOF的深海声速剖面时变特征建模

针对目前局部海域小时间尺度声速场建模方法未顾及不同深度区间内声速变化规律的问题,本文根据实测深海声速剖面的统计特征,提出了声速剖面分层方法,并进一步基于经验正交函数（Empirical Orthogonal Function, EOF）提出了局部小时间尺度的声速剖面分层时变模型构建方法。利用南海实测全海深声速剖面数据,分析了分层EOF第一模态系数和等效平均声速的日变化特征,并比较了不同拟合模型的精度。最后,利用试验海区的温度和潮汐数据分析了声速剖面周期变化的影响因素。结果表明： ①声速剖面分层EOF第一模态系数及等效平均声速具有日周期变化特征,上层声速日周期变化特征不明显,中层声速日周期变化特征较明显,下层声速变化较小但仍具有日周期变化特征;②局部海域小时间尺度声速拟合应考虑长期变化项的影响;③试验海区声速剖面EOF第一模态系数变化与温度显著相关,提取的声速剖面时变特征与海区潮汐周期特征基本吻合。