提高水下目标定位精度的关键算法研究

The underwater high precision positioning is the foundation of ocean exploitation.Different from the traditional method based on Least-squares estimation,we focus on the key algorithm of underwater positioning for improving the precision of underwater objects in the project. The main research contents of the project include: (1) research on the measure to improve the underwater observation precision from the perspective of sound velocity correction and data preprocessing;(2) research on the key algorithm on the basis of fully considering the particularity of the underwater positioning,which includes: ①the establishment of mathematical model including zero-differences, single-differences and double-differences; ②the fitting method by selection of the parameter weights to solve the ill-conditioned problems in underwater positioning equations. Combined with the practical applications of underwater positioning, an appropriate regularizer with the definite physical meaning is chosen to weaken the ill-condition of the normal equations and realize the high precision rapid positioning; ③the influence law of the positioning geometric structure determined by the trajectory of a motion ship. Improve the precision and reliability of the positioning objects by optimizing the positioning geometric structure;(3) the comparisons are carried out between the new algorithm and the traditional ones, which are improved by using the simulated and practical observations. The key algorithm put forward in the project could improve the positioning precision of the underwater objects and provide the reliable coordinate reference framework for the ocean exploitation and utilization, which has the important theoretical significance and practical value.

水下高精度定位是海洋开发的基础，本项目采用不同于以往基于最小二乘法水下定位的研究思路，侧重研究水下定位的关键算法，以提高水下定位的精度。 主要研究内容：（1）从物理机制和质量控制的角度，研究提高水下观测精度的措施,包括水下声速改正和数据预处理的新方法。（2）研究克服水下定位环境特殊性影响的关键算法：①水下非差、单差及双差定位数学模型的建立方法；②水下定位模型中病态问题的选权拟合解法，结合水下定位实际，选取具有明确物理意义的正则化矩阵，实现高精度快速定位；③运动船运行轨迹对定位几何结构的影响规律，优化定位的几何结构，提高水下定位的精度和可靠性。（3）利用模拟和实测水下测量数据，验证完善新算法，并与传统方法进行比较。 该项目研究成果将提高水下定位的精度，可为海洋坐标参考框架的建立提供理论参考，对于海洋资源开发与利用具有重要的理论意义和实用价值。

水下高精度定位是海洋开发的基础，本项目采用不同于以往基于最小二乘法水下定位的研究思路，侧重研究水下定位的关键算法，以提高水下定位的精度。.本项目的主要研究内容包括：.① 研究水下定位声速改正新方法.提出了水声定位中一种大入射角声线跟踪方法；研究了一种适用于深海长基线定位的自适应分层声线跟踪法；进行了水下声学定位中声速改正方法的比较。.② 水下定位差分模型建立及解法.建立了水下单差和双差定位模型，详细推导了基于走航式和基于GPS浮标的水下单差和双差数学模型。提出根据水下定位实际，采用选权拟合法解算病态方程。.③ 研究水下声学定位的几何结构.④ 完成新算法的湖试以及海上验证.南海实验结果：.实验时间为2016年10月25日至2016年11月5日，于南海某海域进行水下定位试验。采用Sonardyne公司的OBC声学定位系统和中石油东方地球物理公司和中国石油大学(华东)联合研发BPS声学定位系统。.相同编号的两套应答器捆绑在一起，所以可以据此进行绝对位置验证，统计两套系统X、Y方向的坐标偏差，得到几何法和差分法定位偏差。实验处理结果表明：BPS系统与OBC系统相比解算精度相当。统计7个观测充分应答器解算结果，从内符合精度角度来看，几何法X方向0.073m，Y方向0.231m；单差法X方向0.036m,Y方向0.136m，均小于半米。从外符合精度来看，几何法定位精度在1m量级，单差法精度提高到半米，在定位精度上具有一定优势。.与中石油东方地球物理公司合作，成功研制了为海底电缆（OBC，Ocean Bottom Cable）勘探定位服务水下差分定位算法，以及主控器、编码器、换能器、应答器等BPS声学定位设备。在500米以内的水深区域定位精度在1米以内，形成了具有自由知识产权的产品和系统，该设备不仅可应用于海上油气勘探，也可广泛应用于近海海洋工程。