海底大地基准多源数据自适应融合处理理论与算法研究

The ocean is an important space for the sustainable development of human beings, and thus the infrastructures of the national geodetic datum should not only cover the land areas, but also the ocean and marine bottom. China has established the 2000 national geodetic coordinate system and its reference frame (CGCS2000), which has built a relatively perfect geodetic datum on land. However, the existing national geodetic datum fails to effectively cover the ocean, which has lagged behind the national social and economic development and national defense strategy. The high precision fusion of seafloor geodetic multi-source data, as a key problem of establishing the marine geodetic datum, has become the research focus and frontier direction of marine surveying and mapping. This research focuses on the theory and algorithm of adaptive fusion processing for multi-source data of seafloor geodetic datum, in order to get high accuracy seafloor geodetic datum coordinates. The influence characteristics and sizes of all kinds of errors on the seafloor geodetic observations are analyzed, and the error detection and quality control of multi-source data is studied to improve the robustness of the results. All kinds of systematic error compensation models for observation data are studied, and the traditional observation function model is improved, in order to establish a coordinated fusion function model for underwater multi-source data. For taking advantage of multi-technique observation and aprio-information, the co-variance harmony between them will be considered, and the stochastic model of observation will be optimized to improve the contribution of all kinds of observation information. Adaptive fusion principle and algorithm will be researched, and the corresponding program will be completed.

海洋是人类可持续发展的重要空间,国家大地基准应该覆盖陆地和海洋（底）。我国建立了2000国家大地坐标系及其参考框架,在陆地建成了较为完善的大地测量基准，但现有国家大地基准未能有效覆盖海洋,已严重滞后于国家社会经济发展新形势和国防战略需求。海底大地基准多源数据高精度融合处理作为构建海底大地基准的关键技术已成为海洋测绘的研究热点和前沿方向。本项目着重研究海底大地基准多源数据的自适应融合处理理论与算法，以期望获得高精度的海底大地基准点坐标。分析各类误差对海底大地基准成果的影响特性与大小，研究水下多源数据异常误差探测与质量控制，改善结果的稳健性；研究观测数据的各类系统误差补偿模型，改进传统的观测函数模型，以期建立适用于水下多源数据的协调融合函数模型；研究随机模型补偿算法，改善各类观测信息的贡献；研究融合准则和方式，以建立适合水下多源数据融合处理的自适应算法。

海洋大地基准是国家大地基准的重要组成部分，我国海洋大地基准的建设严重滞后于国家社会经济发展新形势和国防战略需求。当前，海底大地基准多源数据高精度融合处理作为构建海底大地基准的关键技术已成为海洋测绘领域的研究热点和前沿方向。本项目着重研究海底大地基准多源数据的融合处理理论与方法，以期获得高精度的海底大地基准点三维绝对坐标。开展了如下相关研究：（1）海底大地基准多源数据误差分析。证明了特定条件下传播时间与声速剖面面积线性负相关关系；分析了参考深度误差对控制点解算模型的影响，提出了顾及参考深度的控制点定位迭代算法；研究了偏移参数误差对定位结果的影响，建立了一种顾及偏移参数先验信息的贝叶斯估计模型。（2）海底大地基准多源数据的系统误差函数模型和随机误差模型。推导了测距误差的函数模型；针对声速时空变化引起的系统误差中的短周期项建立了半参数平差模型；对已有的4种顾及声线入射角的随机模型（一般正比例函数、入射角余弦函数、入射角指数函数、入射角分段余弦函数）是否适用于深海环境进行了理论和实验分析；推导了距离观测值的随机模型。（3）观测策略组合优化及定位效能分析。给出了一种基于嵌套圆的直线测量模式分析方法,推导出了圆加十字测量模式下获得最优三维定位精度的策略；基于声速误差模型和坐标改正数方程分析了声速误差对圆走航水下控制点定位的影响，得出了最佳的圆走航策略；(4) 海底大地基准多源数据的自适应融合处理算法。提出了声速剖面自适应分层方法，提高了声线跟踪的计算效率；若设计测量船走航航迹为直线，融合测量精度较高的压力传感器深度信息，提出了附加深度差和水平距离约束的深海控制点差分定位算法；分析了圆走航模式下非差定位和历元间差分定位模型，构建了对称差分定位函数模型；提出了一种控制系统误差影响的海底大地基准定位的系统误差约束模型，解决了参数过多导致的法方程病态甚至秩亏问题。