贝叶斯反演在高精度水声定位中的应用研究

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随着水声定位技术的不断发展，目前水声定位系统已经基本具备了与全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）类似的定位、导航及测量功能。然而由于复杂海洋环境、多种系统误差及模型近似误差的影响，水声定位的精确度与GNSS相比仍存在几个量级的差距，从而阻碍了海底测地作业（Seafloor Geodesy）的进一步发展。本文以海底测地作业对海底应答器准确静态定位与水下潜器准确动态定位两类高精度水声定位问题的需求为背景，研究了利用贝叶斯联合反演估计并补偿背景信息误差与模型近似误差的方法，实现了在非准确声速剖面条件下对应答器地理坐标的准确定位，提高了长基线水声定位系统在非准确参考坐标条件下对运动潜器轨迹的定位精确度。
　　对于声源坐标反演问题，信号传播的准确正演建模是高精准定位的前提。本文建立了基于射线声学理论的以声线传播时间为观测量的高精度水声定位模型，有效地修正了声线弯曲传播对定位准确度的影响。在此基础上推导了线性化贝叶斯反演策略下目标坐标后验概率密度的解析表达式。
　　针对声速剖面测量偏差使应答器地理坐标标定结果不准确的问题，提出了应答器地理坐标与声速修正量联合反演算法。该算法将声速偏差量视为未知模型参数与应答器地理坐标联合反演，并通过采用多掠射角测线与精准压力传感器数据提供充分有效的数据与先验信息，降低了应答器深度与声速修正量之间强相关性对反演稳健性的影响。仿真与湖试数据处理结果表明：该算法与仅依赖对称观测的常规标定方法相比，能够有效地补偿声速偏差对应答器标定的影响。湖试中该算法将应答器深度定位准确度由常规方法的0.046?0.003 m提高到了0.004?0.003 m，其有效性得到了充分的验证。
　　进一步，针对应答器标定作业过程中声速剖面随时间变化的问题，提出了应答器地理坐标与时变声速补偿量的联合反演算法。该算法利用时间窗对观测数据进行划分，利用不同的声速剖面等效修正量补偿各时段内的时变声速影响，并将该时变声速的等效修正量与应答器位置进行联合反演。仿真与海试结果表明：该算法能够有效地弥补现有“两步式”方法的不足，准确地反演声速剖面的时变趋势与应答器坐标。海试中该算法将应答器深度与时变声速反演平均误差分别减小至0.093?0.032 m与0.056?0.026 m/s的同时，还极大地提高了反演计算的收敛速率。
　　针对长基线定位中应答器坐标误差导致的参考坐标不准确问题，采用了潜器轨迹与应答器坐标联合反演算法。该算法将应答器坐标与潜器轨迹进行联合估计，并通过先验信息提供了定位参考坐标系信息。仿真与海试结果表明：该算法能够有效地补偿应答器地理坐标误差的影响，正确地估计潜器定位结果的后验可信度区间，并提高潜器轨迹的定位准确度。采用该算法后海试中长基线定位误差为2.5?0.9 m，优于常规定位方法因忽视应答器坐标误差而产生过大误差（6.9?2.8 m）。
　　针对潜器轨迹与应答器坐标联合反演算法中将潜器设定为静态而产生的模型近似误差问题，提出了运动潜器轨迹、应答器坐标与测时修正量的联合反演算法。该算法仅利用声学测时数据补偿了潜器的运动影响：在补偿应答器坐标误差的基础上引入了测时修正量，并通过与运动潜器轨迹的联合反演改正了静态模型的模型近似误差。针对反演中的欠定问题，利用准确估计的模型参数先验估值补足了观测数据中缺失的信息，实现了高维度模型参数的准确反演。仿真与湖试结果表明：该算法能够有效改正静态模型对测时数据使用不准确的问题，提高长基线系统对运动潜器定位的准确度。湖试中该算法将长基线对运动潜器的平均定位误差由0.19?0.14 m显著地减小到0.034?0.014 m，成功地达到了补偿运动潜器影响的目的。

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作者
李昭;
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作者单位

哈尔滨工程大学;

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授予单位哈尔滨工程大学;
学科水声工程
授予学位博士
导师姓名孙大军;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类水下通信（声纳通信）;
关键词
贝叶斯反演; 水声定位; 海底测地; 时变声速剖面; 参考坐标误差; 运动潜器定位;

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