摘要為填補現在全球衛星導航系統GNSS聲學團結解算研究中的不足提出1種海底控制點布設的團結定位模子給出觀察歷程統一併顧及基準轉換的GNSS聲學團結定位原理並在差異作業距離差異應答器數目條件下推導出團結模子響應的數學模子最後以分層等梯度聲速跟蹤終點位置為參考通過實測數據舉行驗證效果解釋當水下觀察數據質量及數目受限時較之傳統多步求解法團結定位法能獲得更高的定位精度,要害詞GNSS全球衛星導航系統基準轉換聲學聲速跟蹤多源融合底控制點測繪學,隨着經略海洋戰略的制訂建設可靠的海洋大地基準已迫在眉睫12作為組成海洋大地丈量控制網的要害一環海底控制點高精度3維坐標簡直定成為近年來海洋測繪領域的熱門34567美國在20世紀80年月就基於全球衛星導航系統在海洋測繪中應用的諸多優勢提出行使水下聲學定位手藝連繫GNSS海面定位手藝對海底點舉行觀察標定8現階段被普遍認可的是行使可控航跡的丈量船搭載丈量裝備及相關傳感器舉行觀察的實行方案該方案以丈量船為樞紐通過距離交會確定全球坐標框架下海底控制點的絕對坐標,龐大海洋環境以及多類觀察信息的融合勢必會帶來更多潛在誤差的影響9為削弱組合定位中的各種誤差海內外學者從差異方面睜開了研究從觀丈量獲取角度思量海面GNSS定位憑證作業距離是非可以選擇與岸基基準站差分定位或深遠海動態周詳單點定位10文獻11論證了優化航跡的實質是改善聲學觀察空間的幾何結構進而提高聲學定位精度文獻12憑證靠山聲速剖面誤差和聲速長周期系統誤差的特點設計了多應答器中垂線航跡通過應答器間作差分可以消除相關誤差從數據處置角度思量可以將主要誤差項參數化13或接納更貼近誤差轉變特點的精化模子14此外另有學者15行使聲學初始入射角來完善水下定位隨機模子針對控制點垂直偏向精度不高這一難點現在大多通過加入換能器至應答器的高精度深度差丈量值來約束原始測距方程16提升點位精度上述研究在解算待求點坐標時均將海面及海面以下觀察歷程脫離處置思量到水下觀察精過活益趨近海面GNSS觀察精度文獻1718提出可以通過函數關係及觀丈量間權比的準確形貌將GNSS觀察信息姿態信息水下聲學觀察信息等相連繫舉行整體處置近年來包容多種丈量手段強調多源數據融合的綜合定位導航授時系統逐步生長19可以預見確立統一觀察信息的GNSS聲學團結定位模子將會組成確立我國海洋大地丈量控制網的主要理論基礎,已有研究對GNSS聲學團結定位的基礎理論舉行了探討然則模子確立尚存在許多可擴展的細節針對現在研究的不足本文細化在近海深遠海域單應答器多應答器等差異實驗條件下對應的GNSS聲學團結定位模子以期為相關研究提供參考,1GNSS聲學團結定位原理,11海面及水下觀察歷程,隨着GNSS全球化生長曆程的加速衛星定位手藝正逐漸融入海洋測繪領域的諸多主要環節雖然海面行使電磁波丈量簡捷且可靠但其在水下的流傳會泛起嚴重衰減無法支持正常的丈量事情因此現在水下基本依賴聲脈衝信號舉行目的測距基於此頭腦各國最先實驗連繫GNSS定位手藝和聲學定位手藝確立海底控制點其觀察歷程如圖1所示,作為整個觀察歷程的樞紐丈量船需要提前設計好航行軌跡相較於浮標或早期實驗船的漂浮戰略可以在阻止過多冗餘數據的同時保證優越的觀察空間幾何結構削弱聲學測距誤差丈量船搭載GNSS天線舉行實時GNSS動態觀察若在近岸海域通常需再設立岸基基準站舉行同步觀察此外船上還需搭載定向羅經姿態丈量鹽溫深丈量等傳感器若接納最常用的長基線水聲定位方式則船體底部應安置單探頭收發換能器裝置與海底應答器舉行聲脈衝信號傳輸通過採集GNSS觀察信息姿態觀察信息聲速剖面觀察信息水位計觀察信息聲學觀察信息等實現海面基準轉達至海底控制點,圖1GNSS聲學團結觀察歷程,12船體坐標系,海面GNSS動態定位可以獲得全球坐標框架下的天線中央坐標但與海底應答器確立聯繫的船底收發換能器中央與其並不重合還需要舉行基準轉換思量到水位計丈量值等在局部坐標系下討論更為直觀故須引入2種船坐標系,選擇船體上某點作為坐標系原點通常為與海面相切的船重心X軸指向丈量船前進偏向Z軸垂直於平均海平面向下Y軸與X軸共平面指向相符右手坐標系稱此時確立的坐標係為船體水平坐標系又稱船體尺度坐標系此坐標系確立在丈量船理想航行狀態的基礎上以為坐標軸指向恆穩雖然而受風浪等海洋環境影響丈量船在航行歷程中時刻發生着姿態或航向的轉變因此需要確立更相符現實運動狀態的坐標系約定坐標系原點穩固X軸指向船艏Y軸指向右舷坐標軸Z軸垂直於船體向下此時的局部坐標系即為船體坐標系由於船體坐標系在航行歷程中追隨船體姿態實時轉變故姿態轉變是在船體坐標系下而不是船體水平坐標系下舉行討論的事實上丈量船舉行作業之前需要舉行各傳感器丈量中央的相對位移標定根據界說標定值所屬坐標系也應為船體坐標系,13海面基準轉換,GNSS聲學團結定位模子將海面觀察與水下聲學觀察團結求解為了確立GNSS天線中央坐標與海底應答器坐標之間的聯繫就需要在同1個函數模子中對海面基準轉換舉行準確形貌,憑證2種船坐標系的界說可以發現對船體坐標系下各參考點的相對偏移舉行橫搖角縱搖角航向角3種姿態角轉化則可以將其轉換至船體水平坐標系下再憑證全球坐標框架與局部坐標系之間的坐標旋轉關係可將船體水平坐標系下的參考點偏移轉換至全球坐標框架下最後連繫觀察獲得的GNSS天線中央地理坐標即可獲得其他參考點如換能器在全球坐標框架下的絕對地理坐標上述歷程可以示意為,式中下標GNSSVesseltarget劃分示意GNSS天線中央船重心和換能器中央XYZT示意全球坐標框架下的地理坐標xyzT示意船體坐標系下的局部坐標R示意包羅所有轉換歷程的轉換矩陣已有學者對其詳細設置舉行了研究17當討論行使換能器與應答器的水位計水深差作為約束條件的算法時也可以行使上式變形舉行求解在上述原理基礎上本文對差異作業條件下應該若何組織最合理的GNSS聲學團結定位模子對海底控制點舉行整體求解舉行了探索,2差異作業模式下的GNSS聲學團結定位數學模子,21作業模式1深遠海域單應答器布設,海洋廣袤無垠的特點使陸地上部門手藝手段無法直接應用於海洋測繪領域在距離海岸上百千米的深遠海域因遠遠超出可靠的作業距離局限很難依賴海面動態差分定位應改用不受作業距離限制的船載動態PPP模式為保證時間的同步性水下接納幾何定位法並加入基準轉換方程將海面與水下觀察方程聯繫起來此時GNSS聲學團結觀察模子可以示意為,式中下標sat示意衛星P劃分為無電離層組合后的偽距和載波相位觀丈量為由聲學時延丈量值盤算獲得的換能器至應答器間的丈量距離f示意求2個坐標間的數學距離Xsatxyzsat為觀察衛星坐標XxyzGNSS為船載GNSS天線中央坐標Xtxyzt為換能器坐標Xtpxyztp為應答器坐標c為理論光速dtr為吸收機鐘差參數包羅未矯正的偽距硬件延遲誤差TZWD為對流層延遲濕分量P為觀察噪聲及其他未模子化誤差N劃分為組合后波長和吸收了硬件延遲誤差的模糊度參數R為包羅姿態角及坐標軸的旋轉矩陣l為船體坐標系下換能器至GNSS天線中央的相對位移d為聲學信號時延流傳誤差v為由聲速測距系統帶來的誤差為其他隨機誤差,為提高垂直解精度可以行使相對更高觀察精度的水位計壓力深度值對觀察模子舉行約束16連繫式1可以推導出在船體水平坐標系下換能器至應答器的深度差公式即約束方程為,式中htpt為換能器至海底應答器間的丈量深度差R為由式1推導的轉換矩陣將式2線性化后可以獲得響應的誤差方程為,式中劃分為偽距載波相位和聲學測距觀丈量在誤差方程中對應的殘差項係數矩陣和自由項X為待估參數向量,為更真實地描繪團結定位函數關係須對觀察信息舉行統一處置可以將3種姿態角作為參數介入解算17對於以上動態融合定位歷程顧及約束方程可以接納約束卡爾曼濾波20舉行參數估量求解i曆元詳細求解歷程為,式中Xi劃分為未經約束和約束后的狀態向量為預告狀態向量由上一曆元約束后的狀態向量遞推獲得AiLiPi劃分為誤差方程中的係數矩陣觀察值矩陣和觀察值權矩陣為預告參數權矩陣為約束后的狀態向量協方差矩陣為式3中的約束係數矩陣為式3中的約束觀丈量向量事實上的求解公式和式4的尺度卡爾曼濾波求解公式形式相同,由以上剖析可知在深遠海域對海底單應答器舉行定位時GNSS聲學團結定位模子的狀態向量詳細形式應為,式中xyz為船載GNSS天線中央坐標矯正數tr為吸收機鐘差矯正數zpdw為對流層延遲濕分量矯正數劃分為橫搖角縱搖角航向角矯正數xtpytpztp為應答器坐標矯正數nsat為可用衛星數N為模糊度矯正數,22作業模式2深遠海域多應答器布設,思量到遠海丈量高成本多耗時的特點對於深遠海域多應答器位置簡直定將是未來海洋基準研究的重點該作業條件下仍可以根據上節方案將各應答器單獨舉行處置但效率較低此時可以行使多應答器同步信號傳輸的特點優化丈量船航跡在應答器間舉行水下差分消除部門聲學測距誤差21,以雙應答器為例若通過合理設計航跡使2個應答器的信號傳輸距離在本次航行歷程中始終一致則可以將同曆元觀察方程舉行差分以到達消除部門聲速測距誤差的目的經由差分組合式2中的水下聲學信號觀察方程改寫為,式中示意對應項作差運算上標12示意方程中2個應答器的對應項作差XtiX1tpiX2tpi劃分為換能器坐標第1個應答器的坐標和第2個應答器的坐標vii劃分為由內波引起的聲速測距短周期誤差和隨機噪聲可以通過增添觀察樣本削弱其影響海面動態定位仍然接納PPP模式此時GNSS聲學團結定位模子可示意為,響應地約束方程變為2維形式,式中h2tpt劃分為換能器至2個應答器間的丈量深度差聯立式8式9舉行求解可獲得此時響應的待估狀態向量詳細形式為,從狀態向量的組成可以發現接納此模子定位深遠海域多應答器位置時待估參數較多一方面應該保證有適量需要觀察數據阻止平差秩虧問題另一方面應實時關注動力學擾動造成的參數異常問題可以通過引入自順應濾波方式削弱其影響22,23作業模式3近岸海域單應答器布設,在近岸海域舉行丈量船走航作業時通常提前在海岸上確立岸基基準站並與丈量船同步舉行GNSS觀察實現差分動態定位為盡可能地削減待估參數數目可以先在丈量船載天線和岸基基準站吸收機間舉行單次求差然後選取基準星舉行差異衛星間的2次求差以消除衛星鐘差和吸收機鐘差參數此外選擇無電離層組合觀丈量介入求解消除電離層延遲參數假設基準站1r和船載天線2r同時跟蹤m顆GNSS衛星關於衛星sat1sat2的偽距和載波相位雙差觀察方程可示意為,式中示意雙差算子即,為吸收了吸收機端和衛星端硬件延遲的等效雙差模糊度,將式2中海面觀察方程替換為式11並聯立式3即為該作業模式下GNSS聲學團結定位觀察模子待估狀態參數向量為,24作業模式4近岸海域多應答器布設,在上述剖析的基礎上海面與岸基基準站舉行動態差分定位水下在各應答器間舉行差分定位連繫合理設計的丈量船航跡可以直接獲得該作業模式下GNSS聲學團結定位觀察方程為,約束方程形式與式9一致響應地此時誤差方程待估狀態向量詳細形式為,3實驗與效果剖析,基於以上理論推導和實測實驗特點對在深遠海域單應答器布設作業模式下GNSS聲學團結定位模子效果舉行了實驗驗證與剖析為獲得高精度應答器的絕對位置作為與模子定位效果的對比參考量本文首先對各種實測數據舉行預處置并行使分層等梯度聲速跟蹤獲得聲線波束腳印坐標,31波束腳印位置盤算,本文接納的實測數據來自膠州灣口海域實驗的后處置效果實驗的日期為20181011丈量船搭載全球定位系統天線聲速剖面儀電羅經加拿大Applanix公司的POSMV定位定姿系統等傳感器丈量船在該海域舉行了時長約為35min的海上觀察如圖2所示測區水深約18m水下布設了1個應答器行使安裝在船底的聲學基陣對應答器舉行標定基陣與姿態傳感器姿態傳感器與GPS天線丈量船重心與姿態傳感器之間的相對位置關係已準確測定船載基陣和應答器處各牢靠了1個水位計水位計至基陣中央應答器中央至應答器水位計的垂直距離已提前丈量水位計提供天下協調時universaltimecoordinatedUTC水溫壓強和深度信息聲速剖面儀丈量了該水域的聲速剖面包羅聲速水溫深度信息,圖2測區位置,原始丈量數據包羅姿態傳感器丈量文件GPS觀察文件聲線基陣觀察文件水位計數據聲速剖面數據其中姿態丈量文件可以用Applanix公司配套處置軟件提取出後續處置需要的姿態角等信息而GPS觀察數據提供了水下定位的水面基準若其不能靠將會嚴重影響應答器定位精度本文接納高精度GNSS數據處置軟件Rtklib動態定位模塊連繫周詳星曆周詳鐘差偽碼誤差differencedcodebiasDCB文件天線矯正文件等對丈量船數據舉行預處置獲得逐曆元的船位坐標行使以上數據信息舉行分層等梯度聲線跟蹤可以獲得高精度的應答器坐標,1水位計數據處置原始數據包羅船載基陣處的深度數據和海底應答器處的深度數據基陣深度和應答器深度的盤算公式為,式中下標Tleveltplevel劃分示意換能器基陣和應答器處的水位計H為深度丈量值hTlevelThtptplevel劃分為換能器基陣和應答器與各自水位計間的標定距離差由於水位計採樣周期為1s而聲學基陣採樣周期約為2s因爾後續處置時需要將聲學觀察曆元和水位計數據匹配和插值,2聲速剖面數據處置根據分層后層內聲速轉變等梯度的原則將原始聲速剖面舉行分層處置由於後續處置時需要聲速迭代初始值需提前盤算加權平均聲速實測聲速剖面如圖3所示,圖3實測聲速剖面曲線,3解算應答器概略坐標由於布設應答器時未舉行提前標定故應答器概略坐標是未知的而聲速跟蹤模子需要應答器概略坐標作為近似值介入解算因此需要行使聲基陣觀察數據大略求解應答器坐標解算時接納長基線定位系統處置單應答器模式時的定位方式行使多個丈量船船位實現應答器坐標解算需要注重的是GPS動態PPP效果是船載天線中央的坐標而水下定位需要的是船底基陣中央的坐標這就需要通過坐標系轉換對基陣坐標舉行改化由於GPS觀察數據採樣率與聲基陣觀察採樣率也不相同改化后的基陣中央坐標序列仍需要舉行插值處置對所有曆元的觀察數據舉行最小二乘平差后可以獲得應答器概略坐標思量到平差中使用了近似坐標可以舉行迭代平差以保證效果精度,4表層入射角精化現實處置時發現隨着丈量船的航行部門曆元基陣中央至應答器較遠此時其表層入射角將變大當角渡過大時逐層盤算的聲線入射角可能不再是實數即入射角盤算髮散為阻止這個問題可接納改善表層入射角迭代盤算公式23即,式中N為聲速剖面分層數iC為逐層入射時的聲速y0為水平位移的初始值R為曲率半徑gi為逐層的梯度通過式16一定水平上解決了原本迭代盤算斯耐爾Snell常數時其值的細小擾動對入射角會造成較大影響的問題,5追加流傳時間舉行聲線跟蹤精化入射角的實質是精化Snell常數行使表層入射角可以獲得各層的初始入射角進而獲得層內聲線流傳時間已知應答器深度能確定總層數N通過逐層追加的方式求得聲線流傳總時間在i曆元內可以確立誤差方程,式中求導表達式中的t示意聲波在水中流傳的時間xtpytpztp為應答器坐標ti0為通太過層等梯度聲線跟蹤法盤算的流傳時間為聲線基陣觀察的時間通過最小二乘平差迭代盤算可以最終獲得可靠的應答器坐標效果由以上剖析可知雖然分層等梯度聲線跟蹤法盤算龐大需要思量的因素較多但盤算曆程異常嚴密本文將其盤算效果作為團結模子定位效果的參考量,32團結模子定位效果剖析,基於自編GNSS聲學團結定位解算軟件原型對膠州灣口數據舉行了處置觀察模子設置與21節相同接納卡爾曼濾波舉行參數估量逐曆元獲得應答器3維坐標另根據傳統多步求解方式設計對譬喻案船位坐標接納Rtklib軟件動態差分定位模塊逐曆元解算效果在不思量姿態誤差的情形下通過基準轉換獲得逐曆元換能器坐標介入水下定位解算行使實測聲速剖面獲得加權平均聲速與觀察時延相乘作為逐曆元的水下測距觀察值測距誤差設為03倍的斜距觀察值接納最小二乘法舉行迭代平差解算以聲速跟蹤效果作為2種方案解算效果的對比參考值將多步求解法效果與聲速跟蹤效果作差統計各偏向上的絕對差值分量為159125452387m將團結定位效果與聲速跟蹤效果作差獲得誤差序列統計序列的尺度差各偏向上的STD值劃分為107307821812m,剖析統計效果數據可知受限於水下實測觀察數據質量及數目較之精度較高的聲速跟蹤效果本實驗中多步求解法最小二乘解算效果並不理想而此時GNSS聲學團結定位方式相對更具優勢因其函數模子較準確地形貌了衛星端至海底應答器的觀察歷程通過對GNSS信息水下聲學信息姿態信息等觀丈量在統一數學模子中舉行統一處置一定水平上改善了單一觀丈量可能造成的精度損失問題由於我國海底控制點布設尚處於實驗階段實測數據較少GNSS聲學團結定位模子在其他幾種作業模式下的應用效果另有待在後續研究中舉行驗證,4竣事語,現在多源觀察信息融合手藝在海洋測繪中的主要性愈發顯著針對現在海底控制點布設中的研究不足在行使走航式丈量船舉行海面及水下觀察的基礎上本文顧及差異海域差異數目應答器的實驗條件特點劃分推導了差異作業模式下的GNSS聲學團結定位數學模子並基於實測數據舉行了開端驗證得出以下結論,1分層等梯度聲速跟蹤模子盤算細節較多但描繪的曲線能迫近最真實的聲線流傳路徑故其跟蹤獲得的波束終點位置具有較高的精度,2GNSS聲學團結定位模子顧及各種觀察信息對海底控制點定位歷程的孝順合理準確地形貌相互間的函數關係使得團結衛星和聲學觀察信息解算海底控制點成為可能在水下觀察數據質量不高或數目較少的情形下較之傳統多步求解法本文提出的方式可以獲得更高精度的應答器定位效果,下一步研究需要對差異作業模式下的團結定位模子舉行細節精化如引入抗差估量和自順應選權濾波算法削弱觀察粗差和動力學異常的影響再如各種傳感器間的時間配准問題等阻止不需要的精度損失進一步改善團結濾波效果,魚缸風水擺放哪個位置(魚缸放在家裡什麼位置好)
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