超短基線系統(tǒng)安裝校準(zhǔn)技術(shù)研究.pdf

1、本文基于國內(nèi)的高精度超短基線(USBL)定位系統(tǒng),研究系統(tǒng)的海上安裝校準(zhǔn)及聲線跟蹤定位算法。經(jīng)過安裝校準(zhǔn),可以計(jì)算聲線的初始掠射角,才能使用聲線跟蹤進(jìn)行定位,而沒有聲線跟蹤算法也無法驗(yàn)證校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度、無法保證系統(tǒng)定位精度,因此這兩個(gè)內(nèi)容對(duì)于USBL是密不可分的。
　　安裝校準(zhǔn)的技術(shù)核心是它所使用的安裝校準(zhǔn)觀測方程,它的性質(zhì)決定了校準(zhǔn)的流程和工程實(shí)現(xiàn),從而決定了校準(zhǔn)結(jié)果是否具有一定的穩(wěn)健性。穩(wěn)健性包括:首先校準(zhǔn)要有結(jié)果,即求解不能不

2、收斂;其次因海上操作的成本,單次校準(zhǔn)結(jié)果要可信任,即校準(zhǔn)的一致性和不確定區(qū)間要得到保證;最后校準(zhǔn)的結(jié)果要保持一定的無偏性,以保證定位的精度。因此,本文重點(diǎn)研究了已有觀測方程的性質(zhì)并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),給出了最小二乘準(zhǔn)則下估計(jì)解的形式,討論了方程解區(qū)間唯一性、無偏性和方差的性質(zhì)。首先校準(zhǔn)航跡是影響方程是否收斂(區(qū)間唯一性)和校準(zhǔn)不確定區(qū)間(方差的性質(zhì))的重要因素,它需要有一定的尺度并且盡量對(duì)稱;其次方程需要粗測安裝垂直位移偏差來保證收斂,這在理

3、想條件下是不影響其它的估計(jì)的;再次影響方程解偏差(估計(jì)的準(zhǔn)確度)大小的主要因素是水下聲線的彎曲,聲線彎曲補(bǔ)償可以對(duì)方程進(jìn)行去偏,而方程的去偏也可視作聲線彎曲補(bǔ)償,因此第一步的校準(zhǔn)方程估計(jì)平均聲速而第二步方程采用去偏形式;最后,由于方程的非線性和海況,具體的數(shù)值解法也是影響估計(jì)精度和方差的重要因素,而M估計(jì)有較好的抗差性及穩(wěn)健性,因此本文對(duì)最小二乘估計(jì)和M估計(jì)進(jìn)行了理論研究后,給出了一種基于異常點(diǎn)剔除算法的加權(quán)形式,可不必考慮具體的準(zhǔn)則函

4、數(shù)直接設(shè)置觀測權(quán)。綜上所述,改進(jìn)的觀測方程、合理的航跡和合適的數(shù)值解法可基本保證校準(zhǔn)的穩(wěn)健性。
　　對(duì)于聲線跟蹤定位,假設(shè)校準(zhǔn)合理、測量條件良好,影響定位精度的主要原因是定位算法。定位算法的工程實(shí)現(xiàn)通常是使用常梯度或常聲速進(jìn)行分層跟蹤,因此分層好壞直接影響算法的精度,顯然分層越密算法精度越高,但這個(gè)準(zhǔn)則對(duì)于USBL實(shí)時(shí)或深海定位是不可接受的。另外,聲速剖面的測量質(zhì)量或變化對(duì)于定位精度的影響難以表達(dá),這對(duì)于工程實(shí)現(xiàn)也是不利的。而本文

5、初步建立了水平定位誤差傳遞模型,它是由誤差傳遞公式經(jīng)過變化并且仿真生成參數(shù)而建立的。根據(jù)模型,本文設(shè)計(jì)了一種可由算法精度要求而對(duì)剖面進(jìn)行分層的自適應(yīng)方法,它基于自適應(yīng)辛普森方法,是辛普森方法的逆過程。另外模型對(duì)其它工程問題有一定的指導(dǎo)意義,如剖面在定位之前的處理、常聲速和常梯度跟蹤的區(qū)別等。之后本文討論了溫、鹽、壓的聲速剖面測量方法、剖面的平滑算法和拓延算法,最后總結(jié)了USBL聲線跟蹤定位的轉(zhuǎn)換公式與流程的基本,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了公式和