水声定位

摘要： 水下定位是自动化设备在水下建筑物安全监测工作过程中基础性、关键性的工作。滤波算法是水声定位算法的重要组成部分,有助于抑制噪声还原真实数据。衰减记忆滤波可以一定程度上处理由于模型不准确或模型变化及舍入误差累积等因素所引起的滤波发散问题。记忆衰减方式对算法的性能影响很大,对水声定位中的扩展卡尔曼滤波算法的记忆衰减方式进行了改进,主要改进在判断是否需要进行记忆衰减后,以观测值为标准进行记忆衰减。3种不同工况的水声定位仿真试验结果,验证了改进算法中记忆衰减方式的合理性和准确性;通过与现有记忆衰减算法仿真比较,改进算法可改善定位效果,提高连续定位精度。

摘要： 针对未来水下载体长航时、远距离和高精度的定位需求,分析了传统长基线和超短基线等传统水声定位技术应用特点,指出了单信标水声定位技术在全球海域定位中的应用优势。详细介绍了基于虚拟长基线与位置跟踪两大类单信标水声定位方法及其研究进展,概括分析当前单信标水声定位技术现状,并结合水下定位、导航及授时体系建设需求,对单信标水声定位技术应用前景进行展望。

摘要： 针对飞行器在海上入水点测量的难题,充分考虑深海环境下测量设备运用的性能特点,提出深水域入水点复合声学测量的方法,并基于方位交会与时差交会定位模型,对测量性能进行建模与仿真。通过分析不同声呐设备测量能力与布设方案,对覆盖能力和测量精度进行比较,结果表明,按照假想模型进行仿真,采用两条船水平和垂直方向距离约30km和40km拖曳线列阵声呐条件下,测量精度为900m~1200m;采用水听器阵潜标以8km边长进行三角形布阵,达到500m精度的区域约80%~85%,达到1000m精度的区域可达95%以上。

摘要： 声速剖面表示声速与深度的函数关系,常用于水声定位,以纵轴表示海深,横轴表示声速。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,提出一种声速剖面自适应分层算法。该算法根据声速在有限范围内规律变化的特点,对声速剖面逐层搜索。通过声速层之间声速变化梯度差情况找出声速变化的节点,保留原始声速剖面特征,实现对声速剖面的简化。仿真实验结果表明,根据阈值选取的大小,算法自适应分层处理后对原声速剖面的精简可达70%。在选取合适阈值时,与D-P算法相比可以获得更小的定位误差,具有良好的工程应用价值。

摘要： 传统利用水下声学定位系统的航行器自定位存在两方面问题,一方面没有考虑测量周期内航行器的运动,另一方面没有考虑水声声速的不确定。为解决上述问题,构建了航行器运动状态下的时间测量定位模型,并对声速不确定性进行建模。分别推导了基于加权最小二乘的运动航行器定位方法和基于最大似然估计的声速更新方法。利用所提模型和时间测量,不仅可以估计航行器位置,还可以更新声速。仿真结果验证了本文所提方法在各种参数设置下均优于现有方法,并且在时间测量噪声不大时可以达到克拉美罗下界(Cramer-Rao lower bound, CRLB),在时间误差不大时,声速更新结果显著提高。

摘要： 本文提出一种基于长基线和超短基线组合定位的浮标定位系统实现对水下运动目标定位,利用海洋浮标技术将两者组合,降低了系统干扰和误差,提升超短基线的方位检测能力;同时,采用组合定位方式又可以有效减少长基线阵元数量,提高试验效率。在组合定位解算中采用时延/相位差参量信息,依托基于最小均方误差准则和最大似然估计准则的融合方法解决了同步信标高帧率、跨周期所带来的距离模糊问题,提高了系统对运动目标的定位精度;仿真精度分析验证了结果的有效性。

摘要： 在水下多个非合作目标声学定位问题中,当目标声学特征未知或多个目标声学特征相似,则会存在观测数据与目标关联的困难,使得数据关联算法复杂度高、关联正确率低。针对这一问题,本文提出基于目标后验概率空间分布的水下多非合作目标定位算法。该算法首先结合定位系统确定观测区域,并将整个区域离散化,然后计算所有离散位置的目标后验概率,最后依据目标后验概率空间分布对位置离散点做筛选,对满足条件的点聚类分析,得出多目标定位结果。仿真和试验验证结果表明,该算法无需进行复杂的观测数据与目标的关联,可有效提高传统分布式定位系统对多个非合作目标的定位能力。

摘要： 利用水下自主潜航器(AUV)定位是水下大区域静止目标定位主要方法之一.针对单AUV定位存在的定位周期长,定位覆盖区域低,长时间定位误差累积大的缺陷,该文提出一种基于正交运动的双AUV的静止目标定位方法.每个AUV通过自身携带的惯性导航系统(INS)和多普勒计程仪进行自身定位,并在多次运动过程中通过与静止目标间的通信时延差测量进行定位.该方法需要2个相对航向角呈90°的正交移动AUV通过最少2次与静止目标间通信完成次定位.相比于传统的单移动传感器定位方法,该算法需要的定位周期更短,对同步要求更低.实验结果表明,该方法定位精度有显著提高,同时有效定位区域增大,在长时间定位过程中对AUV位置误差影响更低.

摘要： 论文主要分析了长基线水声定位系统的原理,提出了一种新型的合作信标信号;分析了Gold编码信号的产生原理及相关性,并通过理论仿真分析了不同体制Gold编码信号的信号检测概率及测时精度,同时在隐蔽性方面与CW信号进行了对比;通过海上试验,验证了Gold编码信号的可行性.

摘要： 随着海洋开发活动的深入,海洋定位与导航的需求从水面以上转变为水上、水下的全部海洋空间.尽管全球导航卫星系统极大地推动了大地测量与导航定位领域的全新发展,但电磁波在水体中快速衰减的特性使其无法直接用于水下目标的定位与导航.声波在海水中具有良好的传播特性使得水声定位技术被广泛研究,不仅研发出了多种民用领域常用的水声定位系统,水声定位技术也成为构建海洋大地测量基准的核心技术之一.在分析总结水声定位技术方法和理论体系发展现状的基础上,对高精度水声定位技术发展的若干关键问题进行了探讨和展望.

摘要： 水下垂向运动航行体具有速度快、历时短、工况复杂等特点,其运动轨迹的高精度测量一直是工程上的瓶颈问题.针对此类工况提出了一种有合作目标条件下的长基线水声定位测量方法,测量模型基于多元测距体制建立,以合作声信标的性能为约束条件,通过一阶展开将非线性方程组的最优估计问题转化为超定线性方程组的最小二乘估计问题,并采用牛顿迭代法进行数值求解.通过仿真分析得出了多个共面海底阵元和单个海面浮体阵元构成的测量阵的误差分布规律,并对有限区域内三种典型阵元构型方案进行了比对.计算结果表明,测量阵水平方向定位精度明显优于垂直方向,6元阵,8元阵和15元阵在阵内水平方向标准差量级分别为0.5m,0.3m和0.2m,垂直方向标准差量级分别为3.5m,1.5m和1.0m,阵外水平方向标准差优于0.3m区域相对于阵内区域的比值约为0.3～1.9,阵外垂直方向标准差优于1.5m区域相对于阵内区域的比值约为0.2～1.1.理论分析和仿真结果表明,该方法能够有效建立复杂工况下测试区域精度分布对基阵构型、数量变化的响应关系,可为相关测量系统的设计和测试方案的制定提供参考.从测试需要和工程实现两方面因素考虑,三种阵元构型中呈"XX"型分布的8元阵是一种相对合理的方案.

摘要： 海洋环境里声速随着盐度、温度和深度以及其他因素的变化而变化,导致声波并不沿直线传播即声线弯曲.对于高精度水声定位系统,声线跟踪技术已成为克服声线弯曲影响、提高定位性能的必要手段,而广泛采用的等层厚分层方法存在着定位精度与计算量不可兼得的矛盾.常用的声线跟踪算法在求取平均声速时将声波假设为直线传播与声波沿弧线传播的实际不符,带有一定的近似性.基于以上两个问题,本文采用一种自适应分层方法对声速剖面数据进行合理的抽稀,以保留信息量多的声速层,接着提出了一种改进的声线跟踪算法.计算结果表明:基于自适应分层的声线跟踪改进算法,其定位效率总体而言有一定提高,定位精度与传统分层等梯度算法相当.

摘要： 本文研究在长基线水声定位系统下定位算法的数据后置处理部分,通过对目标运动轨迹的仿真计算,分析了环境噪声对定位轨迹的影响.在仿真中采用基于卡尔曼滤波算法的数据后置处理,有效的提高了定位轨迹的精度.利用本文中所采用的数据处理方法对湖上试验数据进行处理结果表明,定位轨迹在经过后置处理后变得更加平滑,对存在较多野点的航次轨迹有较好的处理效果,情况与仿真结果基本一致.

摘要： 对于水声定位系统,由于声速不均匀垂直分布引起的声线弯曲严重影响了系统的定位精度,必须进行声线修正.超短基线水声定位系统是根据信号到达接收基阵阵元之间的时延差进行目标定位解算的,其声线弯曲误差修正方法与长基线定位系统不同,需要同时修正距离信息和角度信息.本文提出了一种适用超短基线定位系统的声线弯曲误差修正方法,根据射线声学理论修正距离信息,根据几何关系修正角度信息.湖上试验数据处理结果表明,该方法能有效修正声线弯曲引起的定位误差,大大改善超短基线定位系统的定位精度.

摘要： 为了有效抑制惯性导航系统的定位误差,提高水下航行器的定位精度,提出了一种利用水声定位技术辅助惯导系统的组合导航方法.建立了组合导航系统的滤波模型,并针对粒子滤波(PF)在高维状态估计中面临的问题,提出了边缘自适应粒子滤波算法(RB-APF).仿真结果表明,该算法有效的减小了组合导航系统的定位误差.

摘要： 环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一.应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点.然而,运动声源的位置时变性限制了观测时间长度和观测信息量.当航速较快或是环境信息的不确定性较大时,环境聚焦方法的效果迅速变差.借鉴卡尔曼滤波处理非平稳过程的参数估计思想,本文将多个时刻的接收信号同时反演,引入能够描述声源位置随时间变化规律的时不变参数,同时降低待估参数的维数.将当前估计结果作为下一次反演的先验信息,实现运动声源的连续定位.该方法在相同的环境不确定条件下,大幅度增加了观测时间和观测信息量,可以较好地改善环境聚焦方法的定位效果.

摘要： 环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一.应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点.然而,运动声源的位置时变性限制了观测时间长度和观测信息量.当航速较快或是环境信息的不确定性较大时,环境聚焦方法的效果迅速变差.借鉴卡尔曼滤波处理非平稳过程的参数估计思想,本文将多个时刻的接收信号同时反演,引入能够描述声源位置随时间变化规律的时不变参数,同时降低待估参数的维数.将当前估计结果作为下一次反演的先验信息,实现运动声源的连续定位.该方法在相同的环境不确定条件下,大幅度增加了观测时间和观测信息量,可以较好地改善环境聚焦方法的定位效果.

摘要： 环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一.应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点.然而,运动声源的位置时变性限制了观测时间长度和观测信息量.当航速较快或是环境信息的不确定性较大时,环境聚焦方法的效果迅速变差.借鉴卡尔曼滤波处理非平稳过程的参数估计思想,本文将多个时刻的接收信号同时反演,引入能够描述声源位置随时间变化规律的时不变参数,同时降低待估参数的维数.将当前估计结果作为下一次反演的先验信息,实现运动声源的连续定位.该方法在相同的环境不确定条件下,大幅度增加了观测时间和观测信息量,可以较好地改善环境聚焦方法的定位效果.

摘要： 环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一.应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点.然而,运动声源的位置时变性限制了观测时间长度和观测信息量.当航速较快或是环境信息的不确定性较大时,环境聚焦方法的效果迅速变差.借鉴卡尔曼滤波处理非平稳过程的参数估计思想,本文将多个时刻的接收信号同时反演,引入能够描述声源位置随时间变化规律的时不变参数,同时降低待估参数的维数.将当前估计结果作为下一次反演的先验信息,实现运动声源的连续定位.该方法在相同的环境不确定条件下,大幅度增加了观测时间和观测信息量,可以较好地改善环境聚焦方法的定位效果.

摘要： 传统的定位方法直接利用测量距离进行圆交汇定位解算,这种方法的缺点是在深水海域的定位结果受平均声速误差的影响较大.针对传统定位方法的缺陷,本文提出了一种改进的基于平均声速的高精度深水定位方法.这种方法的基本思想是:利用平均声速和水下应答器与水面发射换能器在一条测线上不同位置的测量时延差,构建双曲线方程,并结合水下应答器的深度信息,得到应答器的坐标位置.本文给出了平均声速的变化趋势以及平均声速误差对测距结果的影响,并通过仿真计算,对比了两种定位方法的定位精度,验证了此方法的优越性.

摘要： 本发明的一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统及定位方法涉及水声定位系统及定位方法，目的是为了克服现有水声定位系统中水声链路可靠性低，容易导致量测数据丢失，以及机动性差的问题，系统包括惯导系统、应答器和超短基线系统；惯导系统固定在水下移动平台上，用于根据水下移动平台的运动状态，输出惯性信息和实时速度信息至超短基线系统；应答器，用于与超短基线系统通信；超短基线系统包括信号处理单元和超短基线基阵，且信号处理单元通过超短基线基阵接收应答器发射的应答信号。

摘要： 本发明提供一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，其通过预先布设在海底的通信信标，接收机定位精度的进行调整，实现接收机位置的快速定位，其特征在于，其接收机位置的快速解算方法包括下列步骤：获取接收机初始坐标；根据所述初始坐标，计算偏导矩阵G与偏差向量B；基于偏导矩阵G与偏差向量B计算接收机坐标误差，对接收机坐标误差进行判断，若所述接收机坐标误差符合阈值要求，则基于接收机坐标误差以及接收机初始坐标，计算最新的接收机坐标。

摘要： 本发明公开了水声定位与授时浮标及水下定位方法，涉及水声定位领域。浮标包括多天线GNSS接收机、惯性测量单元、水声定位设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器；多天线GNSS接收机用于测量主天线的精确坐标和各天线相对于主天线的坐标增量值，得到浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；惯性测量单元用于测量浮标的角速度和加速度信息，并根据一组浮标的起始位置、速度和姿态信息，附加误差的连续计算出之后任意时刻的位置、速度和姿态；水声定位设备用于向水下发射连续的声学信号，水下载体接收声学信号并测得相对于LBL设备的信号传播时间；卫星通讯机用于从卫星获取实时的精密改正信息；控制器用于接收数据、定位、发送结果和控制其他设备。

摘要： 本申请涉及一种基于水声通信与水声定位的信号传输方法及系统。所述方法包括：接收控制终端发送的控制指令，基于控制指令生成第一通信信号，利用水声通信将第一通信信号发送至水下信标端，水下信标端将第一通信信号发送至水下载具，水下信标端获取水下载具反馈的状态信息生成第二通信信号，水下信标端将第二通信信号和水下信标端的定位信号进行融合并将融合信号发送至水面主机端，水面主机端解析融合信号，得到水下载具的状态信息和水下信标端的位置信息。本申请可以实现定位数据在声学通信传输时同步解算，在数据通信过程中，同时得到水下目标的状态信息和位置信息，使得获取水下的信息更全面及更有效率。

摘要： 本发明公开了一种海洋地震节点的水声定位和水声检波一体化传感器，该传感器固定在海洋地震节点上，包括：声学压电陶瓷管、隔离层、检波压电陶瓷管；声学压电陶瓷管与一固定在海洋地震节点上的应答器电路连接，用于接收呼叫声波信号，将呼叫声波信号转换为呼叫电信号，并发送呼叫电信号至应答器电路；接收应答器电路发送的响应电信号，将响应电信号转换为响应声波信号后进行发送；检波压电陶瓷管与海洋地震节点上的采集电路连接，用于采集地震信号，并发送地震信号至采集电路；隔离层位于声学压电陶瓷管与检波压电陶瓷管之间，用于隔离声学压电陶瓷管与检波压电陶瓷管。本发明可以简化海洋地震节点的结构，提高施工作业的效率。

摘要： 本发明提供一种水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法，水声定位及通讯系统包括水上服务器、多个水面定位基站以及若干水下终端，水上服务器和多个水面定位基站通过无线网络通信，水面定位基站和水下终端通过水声通信方式通信，以实现水下终端之间的即时通讯，以及对水下终端进行定位和导航，从而解决潜水或水下作业时的沟通不顺畅的问题，使得潜水人员或水下作业人员之间互通，水下人员与水上之间的互通；水上对水下人员状况的监控和保护，对水下人员所处环境的监控，水上对水下人员的调度，使得其功能较多，适应水下的多种需求。

摘要： 本发明的一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统及定位方法涉及水声定位系统及定位方法，目的是为了克服现有水声定位系统中水声链路可靠性低，容易导致量测数据丢失，以及机动性差的问题，系统包括惯导系统、应答器和超短基线系统；惯导系统固定在水下移动平台上，用于根据水下移动平台的运动状态，输出惯性信息和实时速度信息至超短基线系统；应答器，用于与超短基线系统通信；超短基线系统包括信号处理单元和超短基线基阵，且信号处理单元通过超短基线基阵接收应答器发射的应答信号。

摘要： 本发明提供一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，其通过预先布设在海底的通信信标，接收机定位精度的进行调整，实现接收机位置的快速定位，其特征在于，其接收机位置的快速解算方法包括下列步骤：获取接收机初始坐标；根据所述初始坐标，计算偏导矩阵G与偏差向量B；基于偏导矩阵G与偏差向量B计算接收机坐标误差，对接收机坐标误差进行判断，若所述接收机坐标误差符合阈值要求，则基于接收机坐标误差以及接收机初始坐标，计算最新的接收机坐标。

摘要： 本发明公开一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法，其中定位系统包括船载短基阵(1)、信号处理设备(4)、水下信标(3)，船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有发射换能器(11)和发射换能器(31)，且设有对应的GPS天线(111)和对应的GPS天线(311)；信号处理设备(4)设置于工作母船(2)上的数据处理舱(41)；水下信标(3)设置于水下目标(6)，通过短基阵接受水下信标发射的同步/异步水声脉冲信号，经过信号处理设备解算后，进行定位信息的绘制与显示，连续定位便可实现水下目标的航行轨迹跟踪，本发明实现了无需人工实施的自动化校准及智能定位跟踪。

摘要： 本发明公开了水声定位与授时浮标及水下定位方法，涉及水声定位领域。浮标包括多天线GNSS接收机、惯性测量单元、水声定位设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器；多天线GNSS接收机用于测量主天线的精确坐标和各天线相对于主天线的坐标增量值，得到浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；惯性测量单元用于测量浮标的角速度和加速度信息，并根据一组浮标的起始位置、速度和姿态信息，附加误差的连续计算出之后任意时刻的位置、速度和姿态；水声定位设备用于向水下发射连续的声学信号，水下载体接收声学信号并测得相对于LBL设备的信号传播时间；卫星通讯机用于从卫星获取实时的精密改正信息；控制器用于接收数据、定位、发送结果和控制其他设备。