貝葉斯反演在高精度水聲定位中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著水聲定位技術(shù)的不斷發(fā)展，目前水聲定位系統(tǒng)已經(jīng)基本具備了與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）類似的定位、導(dǎo)航及測(cè)量功能。然而由于復(fù)雜海洋環(huán)境、多種系統(tǒng)誤差及模型近似誤差的影響，水聲定位的精確度與GNSS相比仍存在幾個(gè)量級(jí)的差距，從而阻礙了海底測(cè)地作業(yè)（Seafloor Geodesy）的進(jìn)一步發(fā)展。本文以海底測(cè)地作業(yè)對(duì)海底應(yīng)答器準(zhǔn)確靜態(tài)定位與水下潛器準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)定位兩類高精度

2、水聲定位問題的需求為背景，研究了利用貝葉斯聯(lián)合反演估計(jì)并補(bǔ)償背景信息誤差與模型近似誤差的方法，實(shí)現(xiàn)了在非準(zhǔn)確聲速剖面條件下對(duì)應(yīng)答器地理坐標(biāo)的準(zhǔn)確定位，提高了長基線水聲定位系統(tǒng)在非準(zhǔn)確參考坐標(biāo)條件下對(duì)運(yùn)動(dòng)潛器軌跡的定位精確度。
　　對(duì)于聲源坐標(biāo)反演問題，信號(hào)傳播的準(zhǔn)確正演建模是高精準(zhǔn)定位的前提。本文建立了基于射線聲學(xué)理論的以聲線傳播時(shí)間為觀測(cè)量的高精度水聲定位模型，有效地修正了聲線彎曲傳播對(duì)定位準(zhǔn)確度的影響。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了線性化貝

3、葉斯反演策略下目標(biāo)坐標(biāo)后驗(yàn)概率密度的解析表達(dá)式。
　　針對(duì)聲速剖面測(cè)量偏差使應(yīng)答器地理坐標(biāo)標(biāo)定結(jié)果不準(zhǔn)確的問題，提出了應(yīng)答器地理坐標(biāo)與聲速修正量聯(lián)合反演算法。該算法將聲速偏差量視為未知模型參數(shù)與應(yīng)答器地理坐標(biāo)聯(lián)合反演，并通過采用多掠射角測(cè)線與精準(zhǔn)壓力傳感器數(shù)據(jù)提供充分有效的數(shù)據(jù)與先驗(yàn)信息，降低了應(yīng)答器深度與聲速修正量之間強(qiáng)相關(guān)性對(duì)反演穩(wěn)健性的影響。仿真與湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：該算法與僅依賴對(duì)稱觀測(cè)的常規(guī)標(biāo)定方法相比，能夠有效地補(bǔ)償

4、聲速偏差對(duì)應(yīng)答器標(biāo)定的影響。湖試中該算法將應(yīng)答器深度定位準(zhǔn)確度由常規(guī)方法的0.046?0.003 m提高到了0.004?0.003 m，其有效性得到了充分的驗(yàn)證。
　　進(jìn)一步，針對(duì)應(yīng)答器標(biāo)定作業(yè)過程中聲速剖面隨時(shí)間變化的問題，提出了應(yīng)答器地理坐標(biāo)與時(shí)變聲速補(bǔ)償量的聯(lián)合反演算法。該算法利用時(shí)間窗對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，利用不同的聲速剖面等效修正量補(bǔ)償各時(shí)段內(nèi)的時(shí)變聲速影響，并將該時(shí)變聲速的等效修正量與應(yīng)答器位置進(jìn)行聯(lián)合反演。仿真與海試結(jié)

5、果表明：該算法能夠有效地彌補(bǔ)現(xiàn)有“兩步式”方法的不足，準(zhǔn)確地反演聲速剖面的時(shí)變趨勢(shì)與應(yīng)答器坐標(biāo)。海試中該算法將應(yīng)答器深度與時(shí)變聲速反演平均誤差分別減小至0.093?0.032 m與0.056?0.026 m/s的同時(shí)，還極大地提高了反演計(jì)算的收斂速率。
　　針對(duì)長基線定位中應(yīng)答器坐標(biāo)誤差導(dǎo)致的參考坐標(biāo)不準(zhǔn)確問題，采用了潛器軌跡與應(yīng)答器坐標(biāo)聯(lián)合反演算法。該算法將應(yīng)答器坐標(biāo)與潛器軌跡進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)，并通過先驗(yàn)信息提供了定位參考坐標(biāo)系信息

6、。仿真與海試結(jié)果表明：該算法能夠有效地補(bǔ)償應(yīng)答器地理坐標(biāo)誤差的影響，正確地估計(jì)潛器定位結(jié)果的后驗(yàn)可信度區(qū)間，并提高潛器軌跡的定位準(zhǔn)確度。采用該算法后海試中長基線定位誤差為2.5?0.9 m，優(yōu)于常規(guī)定位方法因忽視應(yīng)答器坐標(biāo)誤差而產(chǎn)生過大誤差（6.9?2.8 m）。
　　針對(duì)潛器軌跡與應(yīng)答器坐標(biāo)聯(lián)合反演算法中將潛器設(shè)定為靜態(tài)而產(chǎn)生的模型近似誤差問題，提出了運(yùn)動(dòng)潛器軌跡、應(yīng)答器坐標(biāo)與測(cè)時(shí)修正量的聯(lián)合反演算法。該算法僅利用聲學(xué)測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)補(bǔ)

7、償了潛器的運(yùn)動(dòng)影響：在補(bǔ)償應(yīng)答器坐標(biāo)誤差的基礎(chǔ)上引入了測(cè)時(shí)修正量，并通過與運(yùn)動(dòng)潛器軌跡的聯(lián)合反演改正了靜態(tài)模型的模型近似誤差。針對(duì)反演中的欠定問題，利用準(zhǔn)確估計(jì)的模型參數(shù)先驗(yàn)估值補(bǔ)足了觀測(cè)數(shù)據(jù)中缺失的信息，實(shí)現(xiàn)了高維度模型參數(shù)的準(zhǔn)確反演。仿真與湖試結(jié)果表明：該算法能夠有效改正靜態(tài)模型對(duì)測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)使用不準(zhǔn)確的問題，提高長基線系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)潛器定位的準(zhǔn)確度。湖試中該算法將長基線對(duì)運(yùn)動(dòng)潛器的平均定位誤差由0.19?0.14 m顯著地減小到0.034