学术交流 水声定位办法研讨进展

发布时间:2022-06-05 06:31:21 | 作者:环球体育竞猜

  水下定位运用广泛,跟着国家海洋战略的施行,对水下定位精度的要求越来越高。因为声波是水下信息传输仅有有用的载体,水声定位成为水下定位的首要挑选。以基线办法鼓励的水声定位技能是一种经过丈量声波传达的时刻、相位等信息完结定位的技能。水声定位体系按应答器基阵基线长度分为长基线(LBL)、短基线(SBL)、超短基线(USBL),三者的功能比较见表1。

  表1 不同基线体系的功能比较我国水声定位技能正处于快速发展期,典型代表有中国科学院声学研讨所、哈尔滨工程大学等。因为水下环境杂乱,基线水声定位精度的研讨首要从以下2个方面下手:

  传统基线体系定位的根底是声响沿直线传达,声速是常数,但实践上因为水中声速随空间改动,声响传达途径是曲折的,不是一安稳常数。声速不确认以及海洋动态环境中的噪声、折射、温度、盐度、水流等都会对基线水声定位精度发生较大差错。

  海底应答器基阵之间的方位差错以及海面母船相关于每个应答器的方位差错取决于设备的开始装置精度以及海底基阵的布局。在实践布阵进程中,因为水下环境的影响,通常会存在方位差错,然后导致的基阵差错,下降定位精度。声速批改办法研讨进展

  声速批改办法首要分为两类:第1类办法以公式法和查表法为代表,算法简略,核算功率高,但核算简略核算错误,定位精度低;第2类办法以精度较高的有用声速法和声线批改法为代表,运用广泛,但有用声速法需求很多核算,功率低,声线批改法模型杂乱,核算量稍大。

  泰勒级数打开法和声速经历公式法是前期声速批改公式法的代表。1964年,Vaas提出的泰勒级数打开法是将声速在近似声速处打开成泰勒级数的方式。1987年,Anderson提出的声速经历公式法是海水中温度、盐度和静压力的函数,海洋科学家们相继提出不同海水声速经历公式,共有10种(见表2),每个声速的经历公式都有其特定的运用范围。其间,Chen-Millero-Li公式(1994)是对Chen-Millero公式(1977)的改善,Chen-Millero公式用于海水声速的算法是世界公认的水文数据规范。2006年,葛亮等提出一种查表法,预先依据深度等操控参数的改动树立声速表格,在定位求解时依据特定的操控参数值选用插值办法取得有用声速,在笔直入射状况下,该办法与泰勒级数打开法比较插值差错缩小近8%,当俯仰角较小时尤为显着。梁民赞等于2009年提出一种声线批改的查表法,与有关文献中的查表法不同的是:经过树立传达时延、声源与接纳机的水平间隔的对应联系表,依据所测得的时延值查表得到水平间隔值,运用声线在水平面的投影水平间隔经过圆交汇解算出方针的方位,防止因运用均匀声速使得球面交汇半径一起弹性导致的解算成果差错。一起,声速批改表能够离线求出,防止了在线核算,具有杰出工程运用性。

  2001年,VINCENT等在深水声学定位研讨中初次将海洋空间中恣意两点间的声速界说为有用声速(ESV),并提出ESV的估量办法,可是此办法仅适用于直达波地点区域内ESV的求解。孙万卿于2007年提出一种依据有穷状况自动机的浅海信道ESV估量办法,虽考虑了海面海底反射,但对海面反射考虑得不行充沛,以小步长查找时核算量甚大。阳凡林提出一种依据最小二乘技能的ESV估量办法,运用很多的观测值,可一起定位水下静态方针。关于50~100m海深中的方针,完结一次方位与ESV估量大约需求5~10min,此办法无需声速笔直散布先验信息,但带来深重核算量,对快速获取ESV空间散布的物理图画难以短时完结。

  林旺生等也曾就浅海信道ESV的估量进行过开始评论,有关文献进一步研讨浅海信道的ESV,提出一种依据特征射线伪查找的ESV估量办法,以快速获取信道中恣意两点间ESV及其空间散布的物理图画。ESV在笔直维度上的改动率要较水平维度高一个数量级,且在数十米范围内,有用声速改动较小。2018年,有文献树立了一个深海通道模型,经过在该模型上查找最短推迟特征线,得到最早抵达准则下的ESV估量。2019年,有文献提出一种依据ESV的声速批改办法,经过大局优化办法中的遗传算法取得包括ESV大部分信息的稀少ESV表,并从中查找最优ESV,最小化体系硬件担负、按捺非均匀声速的影响,然后完结实时操作的高精度定位。在现场试验中可将定位的反向均方根差错从5.02m减小到2.35m。

  2019年,黄健等经过剖析ESV与方针和水听器相对方位之间的联系,提出一种不知道声速下依据粒子群优化(PSO)算法的LBL体系定位办法,运用LBL体系中的冗余信息树立多参数优化函数,经过PSO算法解算优化函数的估量ESV对方针进行定位。该办法可在无法准确取得声速剖面的状况下进步LBL体系定位精度。

  声线批改法实质上是依据射线年,吴德明对LBL平面阵型进行声线批改,运用迭代法迫临核算方针方位。在杂乱水文条件下仍有较高核算速度,但将其运用到SBL平面阵型时遇到声线曲折大的困难。为处理这一困难,有文献选用内插法求出合理的声线,并运用差分方程求解迭代的批改量。在相同水文条件和阵形状况下,批改后的定位差错可由未经批改时的数米到数十米降至0.5m以下。

  2002年,王燕等从迭代数值核算视点动身,提出一种适用于LBL水声定位体系声线批改的迭代办法,将水下声速散布近似为分层等梯度散布,用数值解法逐渐迫临求出合理的声线和定位点以进步定位精度。该试验是在声速梯度不大的湖上进行的,因而运用环境是定位精度要求不高的定位体系,在杂乱水文环境下分层等梯度的声线盯梢办法存在定位精度与核算量的对立。结合分层盯梢和等效剖面的思维并针对有关文献中的问题,张居成等于2013年提出一种自适应查找可满意定位精度的分层间隔的分层办法,并逐层进行声线曲折补偿。经过非等距区分有用操控了层数,且核算量可削减至本来的30%。2015年,李圣雪等也针对有关文献中的问题,提出一种自适应分层声线盯梢法,依据声速梯度改动状况对声速剖面数据进行自适应分层,依据阈值巨细保存必要的声速层,与有关文献比较,在确保定位精度的前提下削减了迭代核算时刻。

  2018年,有文献提出一种将安稳声速射线盯梢法和等梯度射线盯梢法相结合的组合射线盯梢法,运用经历正交函数对实时声速剖面进行反演,削减了环境等要素对声速剖面丈量的差错。取得声速剖面后,安稳声速射线追寻办法用于声速安稳的区域,而等梯度射线追寻办法用于声速明显改动的区域。在不同入射角和不同深度的状况下,运用组合射线追寻办法相关于安稳声速射线盯梢法的定位差错最小削减了20%,最大削减约为70%。在同深度200m下,入射角为30的定位差错为0.4%,而入射角为40的定位差错为0.6%。

  USBL阵运用间隔丈量和一起丈量基元间的相位进行定位,不合理的基阵布局规划、细小的装置差错都会构成定位差错。详细改善办法首要有2种:改善基阵间尺度,加大基阵孔径;改动基阵阵型或添加阵元数量。

  传统的USBL定位体系多选用孔径小于半波长的三元基阵来预算方针的方位。因为基阵孔径小导致体系定位精度受限、随机噪声的影响导致测得信号的相位崎岖,使得超短基线定位体系在远间隔定位时精度不高,信标放在海面以下100m,接纳阵在5m处,则相位丈量差错为1.4%。为了进步USBL定位体系远间隔的定位精度,2006年,喻敏等加大基阵孔径,构成新基阵来进步定位精度。国内传统USBL的定位差错约为3%,运用新基阵所得的定位差错减小到传统基阵的1/8。

  大都加大USBL孔径的办法是经过规划有冗余阵元,运用无含糊阵元的相位差或相邻阵元间相位差的差分信息来处理孔径增大后的含糊问题。而郑翠娥等于2009年提出一种依据双脉冲的相位解含糊办法且无需冗余阵元的改善阵型。在南海一水深约为110m处,用小间隔基元组定位得到的坐标,其北方向规范差为22.46m,东方向规范差为24.67m;而用依据双脉冲抗含糊办法的改善阵型定位得到的坐标,其北方向规范差为4.74m,东方向规范差为5.09m。马根卯等于2016年首要针对USBL成阵后基元自身的方位进行准确校准和丈量,从对角基元的间隔(孔径)丈量、视点丈量、高度差丈量三方面进行差错剖析,然后选用稳态波形相位差法丈量,为USBL供给准确方位校准数据。

  传统USBL定位体系的阵列规划研讨首要为四元十字阵列和四元正四面体阵列。经过改动阵型规划或添加阵元数量后,运用冗余的时差信息,可取得更高精度定位。2003年,陈华伟等针对四元十字阵定向和定距精度受方针方位影响这一缺陷,提出五元十字阵列的声方针定位计划。十字平面阵对三维空间定向精度较高,但对稍远一点的方针定距差错较大且定位差错大的区域较多,这是平面阵的根本特色。对此,2006年,孙书学等运用正四棱锥定位,构成空间序列,与平面阵比较,该阵能有用对近间隔方针定位且下降了声阵列的盲区,但定距精度受仰角的影响较大;针对四元平面方阵定距精度差和有关文献存在的缺陷,2008年,林晓东等经过规划六元阵列减小了仰角对定位成果的影响,当声方针坐落仰角为10~80的水域范围内时具有较好定位功能。Arkhipov于2012年经过规划依据五极点凸多面体(正方形金字塔)的五元USBL接纳阵列在大范围俯仰角和横滚角内均为牢靠操作。阵元数目的添加能够进步定位精度,但一起意味着体系杂乱度、本钱的添加,即阵元数目与所需定位精度之间存在一个折中计划。因而阵元数目及阵型结构对定位精度的影响是一个十分值得评论的问题。

  针对这一问题,南德等于2019年运用定位差错的克拉美罗下界作为点评方针,对阵型结构及阵元数目进行优化,确认优化的九元立方体阵列,并运用梯度下降法完结渠道轨道优化,使得体系最快收敛到需求的定位精度。在1000m内,运用优化轨道能够将定位均方根差错快速收敛至预设的0.2%以内。此外,关于海试试验收集数据的方针定位成果显现,对距基阵约700m及400m的方针,五元阵定位规范差相较四元阵缩小了约2m及1m。

  水声定位是AUV水下方针定位的重要研讨范畴,具有广泛的运用远景。在声速批改办法中,数值法(公式法和查表法)算法比较简略,功率较高,但其定位精度比有用声速法和声线批改法的定位精度低,适用于所需定位精度不高的运用环境;有用声速法需求很多核算,功率不高;声线批改法模型杂乱,核算量也稍大;有用声速法和声线批改法定位精度较高,近几年很多声速批改办法研讨首要会集在这2种办法的改善上,如有用声速法中怎么查找最优ESV。

  在基阵的2个详细改善办法中,加大基阵尺度构成新基阵,能有用减小定位差错,但因为装置不太方便会带来装置差错。经过改动基阵阵型或添加阵元数量可取得更高精度定位,但一起意味着体系杂乱度、本钱的添加。比较2个办法,阵型阵元改善与所需定位精度的折中计划更具发展潜力。

  ⑴遗传算法和PSO算法的组合用于优化稀少ESV表。在依据ESV的声速批改办法研讨进展中,经过遗传算法、粒子群优化算法等一些大局优化办法取得包括ESV大部分信息的稀少有用声速表,并从中查找最优ESV,然后完结实时操作的高精度定位。遗传算法经过界说本钱函数来查找参数,这使得查找进程变得简略。查找进程可能是并行的,能够一起比较多个个别,使其愈加强壮。但是,遗传算法的缺陷是在面临高维问题时查找功率较低。在PSO算法的每个进化进程中,只要最优粒子才能将信息传递给下一代,这使得查找速度十分快,但一起也简略堕入部分最优。此外,PSO算法难以有用地处理非直角坐标系中的优化问题。将两者算法优势互补,遗传算法和PSO算法的组合将会是未来进步定位精度的研讨方向之一。

  ⑵针对超短基线易受水声环境以及阵元制造、装置等外界要素的影响、远间隔定位精度低一级问题,许多研讨者从不同方面改善定位办法,如经过加大基阵孔径来进步定位精度。但阵元数越多,定位差错越受制造、装置等外界要素影响。因而怎么在阵元数较少的状况下,本着减小阵元制造难度,下降布放本钱的准则,经过优化不同阵元间隔来进步超短基线的定位精度是进一步研讨的方向之一。

  ⑶依据组合基阵定位体系辅佐的声速批改算法。2017年,针对水下定位体系差错存在随时刻累积、GPS体系无法在水下定位以及传统LBL体系杂乱等问题,张涛等树立了惯导、DVL和三阵元基阵定位的间隔耦合组合导航模型,提出一种依据组合导航体系模型辅佐的等效声速批改办法。当AUV深度不知道时防止了求解方位时的含糊问题,一起在深度30m内能有用批改差错,且定位差错小于4m。该算法还不行老练,为使水声定位体系的定位差错更小,依据基阵规划的定位体系辅佐的声速批改算法还有待进一步研讨。

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