貝葉斯反演在高精度水聲定位中的應用研究.pdf

1、隨著水聲定位技術的不斷發(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、導航及測量功能。然而由于復雜海洋環(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相比仍存在幾個量級的差距，從而阻礙了海底測地作業(yè)（Seafloor Geodesy）的進一步發(fā)展。本文以海底測地作業(yè)對海底應答器準確靜態(tài)定位與水下潛器準確動態(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)合反演估計并補償背景信息誤差與模型近似誤差的方法，實現(xiàn)了在非準確聲速剖面條件下對應答器地理坐標的準確定位，提高了長基線水聲定位系統(tǒng)在非準確參考坐標條件下對運動潛器軌跡的定位精確度。
　　對于聲源坐標反演問題，信號傳播的準確正演建模是高精準定位的前提。本文建立了基于射線聲學理論的以聲線傳播時間為觀測量的高精度水聲定位模型，有效地修正了聲線彎曲傳播對定位準確度的影響。在此基礎上推導了線性化貝

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

4、聲速偏差對應答器標定的影響。湖試中該算法將應答器深度定位準確度由常規(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證。
　　進一步，針對應答器標定作業(yè)過程中聲速剖面隨時間變化的問題，提出了應答器地理坐標與時變聲速補償量的聯(lián)合反演算法。該算法利用時間窗對觀測數(shù)據(jù)進行劃分，利用不同的聲速剖面等效修正量補償各時段內(nèi)的時變聲速影響，并將該時變聲速的等效修正量與應答器位置進行聯(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現(xiàn)有“兩步式”方法的不足，準確地反演聲速剖面的時變趨勢與應答器坐標。海試中該算法將應答器深度與時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，還極大地提高了反演計算的收斂速率。
　　針對長基線定位中應答器坐標誤差導致的參考坐標不準確問題，采用了潛器軌跡與應答器坐標聯(lián)合反演算法。該算法將應答器坐標與潛器軌跡進行聯(lián)合估計，并通過先驗信息提供了定位參考坐標系信息

6、。仿真與海試結(jié)果表明：該算法能夠有效地補償應答器地理坐標誤差的影響，正確地估計潛器定位結(jié)果的后驗可信度區(qū)間，并提高潛器軌跡的定位準確度。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)定位方法因忽視應答器坐標誤差而產(chǎn)生過大誤差（6.9?2.8 m）。
　　針對潛器軌跡與應答器坐標聯(lián)合反演算法中將潛器設定為靜態(tài)而產(chǎn)生的模型近似誤差問題，提出了運動潛器軌跡、應答器坐標與測時修正量的聯(lián)合反演算法。該算法僅利用聲學測時數(shù)據(jù)補

7、償了潛器的運動影響：在補償應答器坐標誤差的基礎上引入了測時修正量，并通過與運動潛器軌跡的聯(lián)合反演改正了靜態(tài)模型的模型近似誤差。針對反演中的欠定問題，利用準確估計的模型參數(shù)先驗估值補足了觀測數(shù)據(jù)中缺失的信息，實現(xiàn)了高維度模型參數(shù)的準確反演。仿真與湖試結(jié)果表明：該算法能夠有效改正靜態(tài)模型對測時數(shù)據(jù)使用不準確的問題，提高長基線系統(tǒng)對運動潛器定位的準確度。湖試中該算法將長基線對運動潛器的平均定位誤差由0.19?0.14 m顯著地減小到0.034