声速不均匀修正对水声定位系统测距精度的影响

已知动目标水声定位系统的定位误差由测距误差决定。在高精度水声定位系统中测距误差常为0.01m量级。这类系统对于由声速不均匀和声线弯曲引入的斜距误差常采用(全程)平均声速修正,但这种修正仍保留了一定的剩余误差,对此应予认真考虑。为修正声速不均匀和声线弯曲,本文提出采用数值计算二分法解超越方程,按一定精度计算斜距的方法。 实例计算表明,本文的计算方法与程序均正确;要使声速不均匀和声线弯曲计算满足高精度测距要求(小于0.01m),方程根的精度应取为E_p=10~(-4)(°)。对大量不同声速分布斜距的计算表明,当斜距较大时,在进行平均声速修正后保留的剩余误差远大于测距误差。本法可满足高精度定位要求,但有一定的计算量。     

短基线水声定位系统的后置处理

用卡尔曼滤波器作为后置处理的基本手段,结合简单而有效的预处理,实现了对水下目标运动轨迹的平滑估计,改进了靶场跟踪系统的性能。湖上和海上实验结果表明,该方法使同步式定位系统的定位精度得到明显改善。     

一种改进型声线修正算法在超短基线定位系统上的应用

根据声线分层恒速修正原理和超短基线设备测量的水下温度、深度信息,结合系统海上使用的环境特性,提出一种改进型声线修正新算法进行水下精确测距。该算法通过湖上试验和海上验证,较传统平均声速算法大幅提高测距精度,有效解决了声线在水下复杂环境中曲线传播的难题,提高了超短基线定位系统的水下测距及定位精度。     

座底式长基线水声跟踪系统校阵方法研究

为了解决座底式长基线水声跟踪系统的高效校阵问题,结合工程项目实际提出一种智能化分组并行校阵方法。该方法利用水下基阵布阵施工时获得的水声及差分全球定位系统(Differential Global Positioning System,DGPS)测量数据为基准,在校阵试验中采用多个水下基阵分组并行校阵的快捷方式,根据自动反馈的测量数据进行校阵误差收敛测量,当满足事先设定的校准误差后,获得水下基阵的精确位置信息,同时完成多个水下基阵的阵型校准。最后,在某水域采用跑船试验的方式进行验证。长基线系统测量的船只航行轨迹与DGPS轨迹重合性好,证明该方法具有智能化程度高、测量精度高、测阵效率及经济性好等优点,具有较高的军事及民用价值。     

船载式水声定位系统信号处理改进算法研究

针对船载式水声定位系统的特点,在座底式等常规水声定位系统信号处理算法的基础上,对船载式系统可能出现的声脉冲叠加现象进行仿真分析,证明常规算法存在丢失数据的可能性,并且常规算法对声信号幅度变换较快的情况难以适应。提出一种并行实时数字信号处理算法,允许每块数据拥有不同的属性,并采用数据匹配方法进行后置冗余处理,获得有效数据。经过湖上跑船试验证明,该算法具有更高的检测率,并能提高跟踪轨迹的平滑性和真实性,具有较高的工程应用价值。     

未知声速分布下的一种水下目标GPS定位修正算法

由于海洋中声速分布不均匀,要实现水下目标GPS的精确定位,必须进行误差修正。阐述了采用应答器工作模式的水下目标GPS系统定位原理,在水下目标GPS系统定位过程中,分析了一种基于欧氏几何原理的修正算法在声速分布未知时的定位修正效果和局限性,研究了算法出现盲区的原因,并据此对该算法进行了改进。仿真计算结果表明改进后的算法可有效减小声速分布未知时声速估计不准确造成的定位误差,提高了水下目标GPS的定位精度。     

一种基于超短基线的高精度多目标水声定位技术研究

超短基线定位系统由于基阵尺寸小、安装方便，在海洋开发中得到了广泛的应用。信号设计是多目标水声定位系统的关键。与常规的跳频序列相比，COSTAS阵列具有良好的相关特性。文中对COSTAS跳频信号进行了分析，仿真结果表明，由它构建的跳频信号有着较好的多目标信号抑制能力，并且可以找到合乎系统要求的多目标信号编码组。试验结果也证明了采用这种基于COSTAS阵列的跳频工作方式较为适合水下多目标声学定位。     

一种长基线中野值点判定、剔除及修正方法

为准确获取水下目标的位置和速度信息,需要对长基线定位中的野值点进行剔除和修正。提出了改进残差检测法用于对野值点的剔除和修正,以卡尔曼滤波的残差绝对值作为判别标准,对野值点进行判别和剔除,以调整后的卡尔曼滤波估计值作为野值点的修正值,针对滤波模型与实际运动不匹配导致滤波前后数据偏差较大的问题,选择对正常点的数据不做处理。湖上实验结果表明,对存在野值点的定位轨迹,未剔除野值点的定位均方根误差为55.68 m,使用残差检测法处理后的定位均方根误差为8.11 m,使用改进残差检测法处理后的定位均方根误差为2.04 m。改进残差检测法可以对长基线定位轨迹中的野值点进行判定、剔除和修正,减小定位误差,提升长基线系统定位精度。     

一种新颖的水声相干通信接收算法

为了克服水声信道的多径衰落,消除码间干扰,获得可靠的数据传输,提出了一种新颖的水声相干通信接收算法。该新型算法有两个优点:一是将自适应判决反馈均衡器和迭代译码技术相结合,二是译码采用Turbo译码原理,整个译码系统可以看作是串联迭代译码器,只是其中的内部译码器被编码比特对数似然率(LLR)计算器所取代,有效地降低了运算复杂度。同时,自适应判决反馈均衡器采用了变步长因子算法,改善了均衡器的收敛速度。仿真实验验证了该组合接收算法的性能     

一种修正的电阻层析成像Landweber迭代算法

研究了灵敏度矩阵更新的Landweber迭代图像重建算法,以期提高重建图像精度。灵敏度矩阵更新时的初始图像由Landweber迭代法获得,对不同迭代次数的灵敏度矩阵更新间隔进行了比较,并且对灵敏度矩阵的更新次数进行了分析,仿真及实验结果表明,该方法能有效提高图像重建精度。     

超短基线声学定位系统的校准技术研究

超短基线声学定位系统的应用开发和技术研究在现代海洋科学调查中起着重要作用。在安装超短基线定位系统进行水下声学定位测量过程中,很难保证换能器中心与测量船重心之间三坐标轴完全重合,即存在系统偏差,这些是导致超短基线系统定位误差的一个重要原因,必须对其进行校准。将GPS与水下声学定位系统有效结合起来,应用空间测距交会的方法确定水下应答器坐标位置,通过不同坐标系之间的转换关系,精确求出换能器与测量船之间的系统偏差,完成声学定位系统的安装校准。现场实例表明,该校准方法简单、快捷、有效。     

浅海信道有效声速估计及其在水声定位中的应用

提出了基于本征声线视在搜索的浅海信道有效声速估计方法。在给定海面海底及垂直声速分布条件下,该方法能快速准确地估计浅海信道中任意两点的有效声速以及有效声速空间分布物理图像。因该方法采用本征声线视在搜索思想,计算量大为减小,易于实际工程应用。随后探讨了其在长基线水声定位解算中的应用。海试与应用结果表明,该方法可以提高长基线定位系统对浅海信道复杂水文的适应能力。     

一种声速-位置联合估计的水声导航定位方法

长基线水声导航定位方法利用各信标到水下航行器的信号传播时间和等效声速来估计水下航行器的位置,但各信标到水下航行器的等效声速估计存在误差,导致定位误差较大,且随着导航距离的增加,定位误差呈增长趋势。针对这一问题,提出了一种基于粒子滤波的水声导航定位方法,将等效声速和水下航行器的位置作为估计状态参量,通过测量信标信号到水下航行器的传播时间,建立粒子滤波模型对其位置进行估计,准确地估计并跟踪等效声速变化,从而提高定位精度,减小估计误差。仿真结果表明,在水下航行器初始位置未知的情况下,与常规方法相比,文中所提方法的定位精度提高了4倍左右。     

基于最小方差的声线跟踪自适应分层算法

针对高精度水声定位系统中定位精度与计算量相互矛盾的问题,提出了基于最小方差的声线跟踪自适应分层算法。该算法根据声速在有限范围内规律变化的特点,对声速剖面全局搜索,通过各段声速散点到其拟合直线的总方差表示拟切分段与原始声速剖面的差别,利用最大差别找出最佳切分点,保留原始声速剖面特征,实现对声速剖面的简化。实验结果表明,该算法在保证定位精度的同时能够提高计算效率,具有良好的工程应用价值。     

一种声线修正的查表方法

在利用时延测距的水声定位系统中,由于在海洋中存在声速梯度,声线传播发生弯曲,为了提高定位精度,提出了一种声线修正的查表方法。由射线声学理论可知,声传播距离和时间都是声线初始掠射角的函数,在声源深度、接收深度和声速分布已知的情况下,对每一个初始掠射角,必有唯一一个传播时间和距离与它相对应,根据声线的这一特征,可以用查表法通过声传播时间来确定相应的传播距离。通过建立传播时延与声源与接收机的水平距离的对应关系表,利用声线在水平面的投影水平距离通过圆交汇解算出目标的位置,而不是利用声线弯曲的斜距进行球面交汇解算出目标的位置。仿真和海试结果表明,在复杂水文条件下,该方法能有效提高水声定位精度。     

水下目标定位标校系统研究

为了给出水下目标的精确大地坐标,设计了以浮筒作为载体的水下目标定位标校系统,具有灵活方便的优点。研究了影响系统定位误差的相关因素,并分析了系统综合定位精度,编写了标校系统显控软件,将差分GPS数据和方位姿态数据进行数据处理,解算出水下基准位置坐标。对标校系统进行了陆上验证试验,结果表明作为模拟目标的水下位置基准定位误差小于1m,可为水声定位系统提供海上定位校验的位置标准。     

声速经验公式的适用范围分析

声速经验公式是海水中温度、盐度和静压力的函数,通过对直接测量声速和间接测量声速的分析,并应用近年来收集的南海声速剖面仪SVP和CTD数据,对九种声速经验公式计算的声速与直接测量声速的差异进行了分析,得出了声速经验公式的计算差异范围,结果表明各个声速经验公式各有优势,不同的公式适用的范围也不一样,并给出了在不同的范围内应用何种声速经验公式能获得较高精度的结论。     

小波变换在水声定位数据后置处理中的应用

水声定位系统在工作过程中由于受到环境噪声和多途信号的干扰会导致定位结果出现异常跳变点即野值。提出一种水声定位数据后置处理方法,该方法首先对目标原始定位轨迹进行预处理,然后利用小波变换的方法对预处理后的轨迹进行野值剔除和滤波平滑,得到新的目标轨迹。利用该方法对某长基线水声定位系统海上试验数据进行轨迹平滑,并与卡尔曼滤波轨迹平滑结果对比,对比结果证明了该方法的有效性。