论文摘要
本文基于国内的高精度超短基线(USBL)定位系统，研究系统的海上安装校准及声线跟踪定位算法。经过安装校准，可以计算声线的初始掠射角，才能使用声线跟踪进行定位，而没有声线跟踪算法也无法验证校准的准确度、无法保证系统定位精度，因此这两个内容对于USBL是密不可分的。安装校准的技术核心是它所使用的安装校准观测方程，它的性质决定了校准的流程和工程实现，从而决定了校准结果是否具有一定的稳健性。稳健性包括：首先校准要有结果，即求解不能不收敛；其次因海上操作的成本，单次校准结果要可信任，即校准的一致性和不确定区间要得到保证；最后校准的结果要保持一定的无偏性，以保证定位的精度。因此，本文重点研究了已有观测方程的性质并对其进行改进，给出了最小二乘准则下估计解的形式，讨论了方程解区间唯一性、无偏性和方差的性质。首先校准航迹是影响方程是否收敛(区间唯一性)和校准不确定区间(方差的性质)的重要因素，它需要有一定的尺度并且尽量对称；其次方程需要粗测安装垂直位移偏差来保证收敛，这在理想条件下是不影响其它的估计的；再次影响方程解偏差(估计的准确度)大小的主要因素是水下声线的弯曲，声线弯曲补偿可以对方程进行去偏，而方程的去偏也可视作声线弯曲补偿，因此第一步的校准方程估计平均声速而第二步方程采用去偏形式；最后，由于方程的非线性和海况，具体的数值解法也是影响估计精度和方差的重要因素，而M估计有较好的抗差性及稳健性，因此本文对最小二乘估计和M估计进行了理论研究后，给出了一种基于异常点剔除算法的加权形式，可不必考虑具体的准则函数直接设置观测权。综上所述，改进的观测方程、合理的航迹和合适的数值解法可基本保证校准的稳健性。对于声线跟踪定位，假设校准合理、测量条件良好，影响定位精度的主要原因是定位算法。定位算法的工程实现通常是使用常梯度或常声速进行分层跟踪，因此分层好坏直接影响算法的精度，显然分层越密算法精度越高，但这个准则对于USBL实时或深海定位是不可接受的。另外，声速剖面的测量质量或变化对于定位精度的影响难以表达，这对于工程实现也是不利的。而本文初步建立了水平定位误差传递模型，它是由误差传递公式经过变化并且仿真生成参数而建立的。根据模型，本文设计了一种可由算法精度要求而对剖面进行分层的自适应方法，它基于自适应辛普森方法，是辛普森方法的逆过程。另外模型对其它工程问题有一定的指导意义，如剖面在定位之前的处理、常声速和常梯度跟踪的区别等。之后本文讨论了温、盐、压的声速剖面测量方法、剖面的平滑算法和拓延算法，最后总结了USBL声线跟踪定位的转换公式与流程的基本，通过实验数据验证了公式和流程的合理性。最后对实验数据进行统计处理，统计结果表明了航迹、M估计对估计方差有所改善，以及方程去偏补偿后对校准一致性有所改善。校准之后进行定位，可以看到定位的散点图不再有圆半径的“适应性”，使用某半径上数据进行校准，对其他数据定位依然可以较好的收敛，这验证了校准及跟踪定位的正确性。
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标签：超短基线论文; 非线性模型参数估计论文; 安装校准论文; 声线跟踪论文;