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深海三维定位仿真研究

作　者: 朱祥娥
导　师: 王权；蔡艳辉
学　校: 中国测绘科学研究院
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 水声定位双曲面定位模型定位范围定位精度声线追踪
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 222次
引　用: 5次
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内容摘要

水下GPS定位系统又称GPS智能浮标系统,通过在水面布设GPS智能浮标构成水面大地测量基准对水下目标声源提供定位导航服务。我国于2001年成功研制了一套差分水下GPS定位系统,并分别在千岛湖、三亚、抚仙湖15¹10m水深范围内对系统的性能作了验证。本文基于该系统对系统深水区定位性能进一步研究。本文利用Argo浮标测量的海水剖面资料,计算海水声速剖面。基于射线传播理论追踪声源声线传播路径,分析双曲面模型深水定位的可行性及定位范围,并模拟双曲面模型定位观测数据,讨论分析了深水定位的精度分布及影响因素,具体如下:1.基于Argo浮标的水声声速分析根据射线理论,水声射线的传播路径与海水声速有关,而海水声速又可表示为海水温度、盐度和深度或压力的函数。文中利用Argo计划观测的海水2000m深至水面的温度、盐度数据计算分析了声速剖面分布。2.水声有效定位范围海水中声的传播在水面存在声影区,声线并不能全部传到水面,被接收设备接收。根据水声射线传播规律,声线到达水面具有一定的发射角度及范围限制,通过追踪声线,推出了系统定位范围的确定方法。确定了（47.956N, ?128.971W）附近约2000 m水深的声源可用声线发射角、水面定位接收器的布设范围及一定接收器网型的声学水下可定位的理论范围。3.双曲面定位模型深海定位的可行性双曲面定位模型在浅海定位中的应用已经经过试验验证,由于声线弯曲的存在,此模型在深海中是否仍然可行需要进一步研究。根据声线弯曲度,结合双曲面定位模型提出的基本原理,分析并证明了深海双曲面定位的可行性。4.带有系统误差的双曲面模型定位精度分布根据Argo浮标剖面资料计算约2000m水深的声速剖面,结合声波射线传播规律模拟一定浮标网形下10km×10km范围内50m×50m分辨率的双曲面模型定位观测数据,并进行定位解算。给定每个声线方向一个声速值计算的定位结果显示:大部分区域系统的外符合定位精度在水平方向优于4m;垂直方向优于10m。考虑到声线各向声速不同的复杂性,实际工作中也很难获得每条声线上的声速值,将各向声速统一为垂直方向的声速值。结果表明:采用统一声速极大的提高了网形以外区域的定位精度,但同时也使网形内的定位精度有所降低。在观测数据中加入10-4s的浮标相对时间误差,浮标网形内该时间误差对定位结果水平方向的影响在[ ? 0.5m,0.5m]范围内;垂直方向影响≤1m。另外,由于不同的信号发射角度引起的声线弯曲不同,文章引入截止角的概念对2000m水深信号的发射角进行限制,结果显示,发射角≤75o范围内水平定位精度优于1m,垂直定位精度优于4m。5.随机误差对定位结果的影响对星形空间网中间一枚浮标下方2000m水深处声源进行单点多历元观测,观测的信号到达时间中加入10^-3数量级的随机误差,计算结果点位离散的分布在X , Y∈[-2 m,2m]的平面内。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第一章绪论  14-20
  1.1 引言  14
  1.2 水声定位系统简介  14-15
  1.3 水下GPS 定位系统发展现状  15-18
    1.3.1 国外发展现状  15-16
    1.3.2 国内发展现状  16-18
  1.4 问题的提出  18
  1.5 本文主要研究内容  18-20
第二章差分水下GPS 定位系统  20-30
  2.1 差分水下GPS 定位系统工作原理  20-21
  2.2 差分水下GPS 定位系统定位模型  21-22
  2.3 双曲面模型定位算法  22-28
    2.3.1 解析法  22-25
    2.3.2 最小二乘法  25-27
    2.3.3 算例分析  27-28
  2.4 差分水下GPS 定位系统误差  28-29
  本章小结  29-30
第三章基于射线理论的深海定位可行性分析  30-49
  3.1 水声射线传播  30-33
    3.1.1 波动理论和射线理论  30
    3.1.2 斯涅尔定律  30-31
    3.1.3 射线轨迹  31-32
    3.1.4 射线经过的距离  32-33
    3.1.5 射线传播时间  33
  3.2 基于ARGO 数据的水声声速分析  33-42
    3.2.1 声速经验公式  33-37
    3.2.2 Argo 计划  37-41
    3.2.3 深海声速剖面算例分析  41-42
  3.3 水声定位范围分析  42-45
    3.3.1 定位范围的确定  42-43
    3.3.2 算例分析  43-45
  3.4 双曲面模型深海定位可行性分析  45-47
    3.4.1 双曲面模型定位的影响因素  45-46
    3.4.2 双曲面模型深海定位可行性分析  46-47
  本章小结  47-49
第四章双曲面模型深海三维定位数据仿真分析  49-64
  4.1 深海定位数据仿真方法  49-50
  4.2 声线弯曲对系统定位结果的影响  50-56
    4.2.1 四枚浮标定位精度  52-53
    4.2.2 五枚浮标定位精度  53-56
    4.2.3 水下定位截止角  56
  4.3 声速误差对系统定位结果的影响  56-58
  4.4 时间误差对系统定位结果的影响  58-61
  4.5 随机误差对定位结果的影响  61-63
  本章小结  63-64
第五章结束语  64-66
参考文献  66-68
攻读硕士学位期间发表的论文及参加的课题  68-70
致谢  70-71
附录1 点位误差表1（单位：M）  71-74
附录2 点位误差表2（单位：M）  74-77

深海三维定位仿真研究

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