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海洋声速场构建与海底基准网平差方法研究

禹小康  
【摘要】:海洋蕴藏着丰富的资源,由于科学技术的进步以及生产生活的需要,开发与利用海洋资源已经成为世界各国的共同战略,人类对水下高精度声学定位技术的需求与日俱增。我国海洋大地基准的建设仍处于起步阶段,高精度声学定位技术成为海洋时空基准建设的重要组成部分和急需解决的关键问题。在“海洋大地测量基准与海洋导航新技术(2016YFB0501700)”这项国家重点研发计划的支撑下,本文对海洋声速场构建与海底基准网平差的相关内容展开了深入研究,取得了以下研究成果:一、概括了水声定位技术、海洋声速场以及海底基准网的研究现状,比较了四种常见定位系统的优缺点,分析了定位过程中的各类误差。针对声线弯曲误差问题,本文详细阐述了声线跟踪模型与等效声速剖面两种改正算法。二、在研究传统声速空间场构建的基础上,针对声速剖面(Sound Velocity Profile,SVP)在时间域上无法及时准确获取的问题,本文提出了基于径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络的声速剖面反演预报方法。该方法基于神经网络的非线性函数逼近能力,结合海区表面实测温度、盐度和Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)数据进行声速剖面预报模型的构建。利用Argo观测数据对提出的声速剖面预报方法进行了验证。研究结果表明:基于RBF神经网络的声速剖面预报方法适用于海洋声速剖面的近实时预测,它不仅具有较短的训练与建模时间,而且可以通过引入海面的温、盐信息来改善浅水层的预报精度,获得更加接近实际的声速剖面。三、海底基准点的标校通常采用基于走航式声学定位的绝对校准方法,该方法能够通过测量船将陆上测量基准传递到海底。由于受到包括声速误差、声线弯曲误差,观测粗差在内的多种误差以及观测结构不合理的影响,走航式标校的解算精度会降低。针对以上问题,本文提出了基于改进声线跟踪算法和抗差估计的基准点标校方法,该方法通过在声线跟踪过程中不断改善平均声速的精度来提高解算效率,并引入抗差估计,极大削弱了声速相关误差与观测粗差的影响。实测数据验证了新算法可以有效提高基准点的定位精度,并且比较了不同航迹的解算结果,验证了分布均匀且对称性好的走航路线可以有效提高基准点定位结果的精度和可靠性。四、针对海底基准网平差常规方法无法削弱测距系统误差的影响,本文引入半参数估计理论,提出了基于半参数估计和附加深度值约束的三维网平差模型。利用深海基准网实测数据对该方法进行了验证,结果表明:新方法通过引入了非参数分量,有效削弱了声速系统误差的影响,通过附加深度值约束,有效提高了深海基准网垂直方向的估计精度,基准点整体标校结果也更加接近参考坐标值,为海底基准网数据处理提供了很好的研究思路和方法。


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