CN113156413B - 一种基于双程声路径的海底基准校准方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双程声路径的海底基准校准方法，涉及海洋测量领域。本发明解决了现有海底基准校准过程中存在测量声速剖面误差的问题。本发明根据待测量的海水环境信息，建立以声学传播时间为观测量的射线声学传播模型，模拟信号在水中的弯曲路径，计算声传播时间和水平距离；根据所述声传播时间和水平距离，以水面发射和接收声信号时刻的全球导航卫星***坐标为参考位置，建立基于双程声路径函数f的观测方程；利用最小二乘方法，对基于双程声路径函数f的观测方程求解，联合声速偏差估计海底基准位置参数。本发明适用于海底基准校准。

Description

一种基于双程声路径的海底基准校准方法

技术领域

本发明涉及海洋测量领域。

背景技术

海底大地基准测量对海洋大地测量网监测各类海洋活动具有重要意义，不仅能够支持工程勘察和地震警报等活动，而且还能为海底地壳动态和潮汐变化提供科学研究。

海底基准校准是基于全球导航卫星***(GNSS)测量网和声学技术进行精确定位的。海底大地基准校准技术最早可追溯至1985年斯克里普斯海洋学研究(SIO)提出的监测海底板块位移方案。发展至今，海底基准校准技术已经在地壳形变监测等领域取得许多研究成果，在海底布设信标测量板块厘米级运动。尽管海底基准校准技术在海洋科学领域已经取得了许多研究成果，例如测量船的航迹由不可控至可控、改善压力计的线性漂移和声速误差反演估计等，但是声学测量过程仍然面临复杂的海洋环境模型近似、仪器测量误差和测量技术成本等限制。

同时声波在水中传播时，会在介质常数不同的界面产生反射、折射和某种程度的反向散射，从而导致声线弯曲和传播速度改变；现有海底基准校准时，使用“发射-接收-应答-接收”的声学应答模式，受声速和海底深度限制，发射和接收声信号过程水面船已运动一段距离，认为收发信号的声源位置不变，采用静态单程时间模型近似，会导致模型存在近似误差；在复杂多变的海洋环境下想要获得准确的声速测量存在挑战，早期主要通过大量投放抛弃式温度剖面测量仪(XBT)或抛弃式温盐深测量仪(XCTD)测量声速剖面减小误差，但是仍然不可能在观测时，考虑到所有变化的影响，仍然存在声速剖面误差较大的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有海底基准校准过程中存在测量声速剖面误差的问题，提出了一种基于双程声路径的海底基准校准方法。

本发明所述一种基于双程声路径的海底基准校准方法方法，包括：

步骤一、根据待测量的海水环境信息，建立以声学传播时间为观测量的射线声学传播模型，模拟信号在水中的弯曲路径，计算声传播时间和水平距离；

步骤二、根据所述声传播时间和水平距离，以水面发射和接收声信号时刻的全球导航卫星***坐标为参考位置，建立基于双程声路径函数f的观测方程；

步骤三、利用最小二乘方法，对基于双程声路径函数f的观测方程求解，联合声速偏差估计海底基准位置参数。

进一步地，本发明中，步骤一中所述的待测量的海水环境信息及其获得的方法为：采用声速剖面仪测量获取海水环境信息，所述海水环境信息包括声速剖面、水的温度、盐度、水下深度和水中的声速。

进一步地，本发明中，步骤一中，建立以声学传播时间为观测量的射线声学传播模型，模拟信号在水中的弯曲路径，计算声波在水中的传播时间和水平距离的方法为：

其中，z_i为水面发射点深度，Z为海底接收点深度，c(z)为声速剖面，根据斯涅耳定律，确定射线参数n＝cosθ(z)/c(z)，θ(z)为深度z的声线掠射角。

进一步地，本发明中，步骤二中，建立基于双程声路径函数f的观测方程的具体方法为：

根据发射信号和接收信号的时间信息，对发射点和接收点的参考坐标进行动态分析和插值近似，获得发射信号时刻信号发射点和接收信号时刻信号接收点的坐标，直接使用双程传播时间为观测量，建立基于双程声路径函数f的精确观测方程：

t＝f(m,x_s,c(z))+f(m,x_r,c(z))

其中，t为双程传播时间，x_s为发射点参考坐标，x_r为接收点参考坐标，m为待求基准位置。

进一步地，本发明中，步骤三中，利用最小二乘方法，对基于双程声路径函数f的观测方程求解，联合声速偏差估计海底基准位置参数的具体方法为：

声线轨迹的传播时间和水平距离的非线性函数线性化为：

f(m)＝f(m₀)+J(m-m₀)

其中，

为雅可比矩阵，m＝[X,Y,Z,Δc]^T为模型参数，m₀为参数初值；

根据最小二乘法对参数估计为：

其中，

为模型参数m的估计值，f(m₀)为关于m₀的基于双程声路径函数。

进一步地，本发明中，联合声速偏差估计海底基准位置参数的具体方法中还包括：

信号发射装置以海底基准为中心的标准圆为航迹实时发射信号,对海底基准位置进行测量，并利用多声线掠射角对发射装置的航迹进行观测，对信号发射装置的水面航迹进行优化，减弱深度和声速间的相关性的步骤。

本发明利用最小二乘方法，对基于双程声路径函数f的观测方程求解，联合声速偏差估计海底基准位置参数，有效地估计了声速，同时利用声速偏差有效地提高了位置参数估计的准确性，减小了测量声速剖面误差对校准结果的影响。

附图说明

图1为本发明所述基于双程声路径的海底基准校准方法的流程图；

图2为静态近似模型；

图3为应答式精确模型；

图4为声速剖面示意图；

图5(a)为静态近似模型定位的参数x误差图，图5(b)为静态近似模型定位的参数y误差图，图5(c)为静态近似模型定位的参数z误差图，图5(d)为应答式精确模型定位的参数x误差图，图5(e)为应答式精确模型定位的参数y误差图，图5(f)为应答式精确模型定位的参数z误差图；

图6(a)为单圆轨迹定位的参数x误差图，图6(b)为单圆轨迹定位的参数y误差图，图6(c)为单圆轨迹定位的参数z误差图，图6(d)为双圆轨迹定位的参数x误差图，图6(e)为双圆轨迹定位的参数y误差图，图6(f)为双圆轨迹定位的参数z误差图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于双程声路径的海底基准校准方法，包括：

步骤一、根据待测量的海水环境信息，建立以声学传播时间为观测量的射线声学传播模型，模拟信号在水中的弯曲路径，计算声传播时间和水平距离；

步骤二、根据所述声传播时间和水平距离，以水面发射和接收声信号时刻的全球导航卫星***(GNSS)坐标为参考位置，建立基于双程声路径函数f的观测方程；

步骤三、利用最小二乘方法，对基于双程声路径函数f的观测方程求解，联合声速偏差估计海底基准位置参数。

本实施方式中的海底基准是由布放在海底的声学基准站提供，海底基准站可以对水下的各类设备提供时间和空间信息，也可以测量海底板块及海洋环境的变化。海底基准校准的目的是为了获得海底基准站的精确位置，进而为其它海洋测量活动提供准确的参考位置信息。

本实施方式中，采用基于双程声路径函数f的观测方程，一方面建立了准确的声学传播模型，减弱了测量声信号的声线弯曲导致的误差，另一方面取水面发射和接收声信号时刻的GNSS坐标为参考位置，减小了在声学测量过程中测量船运动导致的模型误差。

进一步地，本实施方式中，步骤一中所述的待测量的海水环境信息及其获得的方法为：采用声速剖面仪测量获取海水环境信息，所述海水环境信息包括声速剖面、水的温度、盐度、水下深度和水中的声速。

进一步地，本实施方式中，步骤一中，建立以声学传播时间为观测量的射线声学传播模型，模拟信号在水中的弯曲路径，计算声波在水中的传播时间和水平距离的方法为：

其中，z_i为水面发射点深度，Z为海底接收点深度，c(z)为声速剖面，根据斯涅耳定律，确定射线参数n＝cosθ(z)/c(z)，θ(z)为深度z的声线掠射角。

本实施方式中，声波在水中的传播速度是随着深度变化的，相同深度上的声速是近似相等的。射线声学理论在深度方向上将声速剖面进行分层处理，并假设每层的声速都是呈线性变化的，即声速梯度为常数，因此声波在每一层内的传播轨迹都是一段圆弧，即可实现计算声波在水中的传播时间和水平距离。

进一步地，本实施方式中，步骤二中，建立基于双程声路径函数f的观测方程的具体方法为：

根据发射信号和接收信号的时间信息，对发射点和接收点的参考坐标进行动态分析和插值近似，获得发射信号时刻信号发射点和接收信号时刻信号接收点的坐标，直接使用双程传播时间为观测量，建立基于双程声路径函数f的精确观测方程：

t＝f(m,x_s,c(z))+f(m,x_r,c(z))

其中，t为双程传播时间，x_s为发射点参考坐标，x_r为接收点参考坐标，m为待求基准位置。

本实施方式中，基于双程声路径函数f的精确观测方程是基于应答式声学测量技术，通过水面测量***和水下应答器的数据交互实现，具体包括：水面测量***由换能器、信号处理单元、供电单元、数据显示单元组成。水下应答器由换能器、声学释放器、电源模块和信号处理模块构成。

应答式声学测量技术通过应答式精确观测方程需要已知传播时间观测和发射与接收声信号时刻的参考位置。水面船是在运动中进行声学测量，换能器刚性安装在水面船底部，作业船沿着特定航迹航行，航行过程中船底换能器每隔固定时间周期向水下发射声学测量信号，海底基准接收到该声学测量信号后，向水面回复应答声学信号，水面船上的数据采集***接接收到回复的应答声信号后，经参考和接收信号相关处理后，测得双程声学传播时间，水面船上GNSS接收机测得GNSS坐标，并记录水面船发射和接收声信号的时间戳。

进一步地，本实施方式中，步骤三中，利用最小二乘方法，对基于双程声路径函数f的观测方程求解，联合声速偏差估计海底基准位置参数的具体方法为：

声线轨迹的传播时间和水平距离的非线性函数线性化为：

f(m)＝f(m₀)+J(m-m₀)

其中，

为雅可比矩阵，m＝[X,Y,Z,Δc]^T为模型参数，m₀为参数初值；

根据最小二乘法对参数估计为：

其中，

为模型参数m的估计值，f(m₀)为关于m₀的基于双程声路径函数。

进一步地，本实施方式中，联合声速偏差估计海底基准位置参数的具体方法中还包括：

信号发射装置以海底基准为中心的标准圆为航迹实时发射信号,对海底基准位置进行测量，并利用多声线掠射角对发射装置的航迹进行观测，对信号发射装置的水面航迹进行优化，减弱深度和声速间的相关性的步骤。

本实施方式中,采用应答式声学测量需满足对称测量航迹，标准圆即为对称测量中一种常用航迹。该航迹以海底基准作为圆心，位于圆直径两端的测量点关于海底基准对称，即两测量点与海底基准相对位置关系相同，故两对称测量点的***误差在水平方向上相互抵消。

本发明的目的在于解决现有海底基准校准方法中声线弯曲、测量船运动导致模型近似误差和声速剖面测量存在误差的问题。本发明首先建立以声学传播时间为观测量的射线声学传播模型，模拟声信号在水中的弯曲传播路径，计算声传播时间和水平距离，然后利用应答式声学测量的双程传播时间观测，取水面发射和接收声信号时刻的GNSS坐标为参考位置，建立应答式精确观测方程，最后补偿声速剖面测量误差，使用最小二乘方法联合估计位置参数和声速偏差，海底基准校准技术方案如附图1所示。

声波在水中的传播速度是随着深度变化的，相同深度上的声速是近似相等的。射线声学理论在深度方向上将声速剖面进行分层处理，并假设每层的声速都是呈线性变化的，即声速梯度为常数，因此声波在每一层内的传播轨迹都是一段圆弧，因此声波在水中的传播时间和水平传播可以表示为：

其中，z_i为水面发射点深度，Z为海底接收点深度，c(z)为声速剖面，根据Snell定律，射线参数n＝cosθ(z)/c(z)，θ(z)为深度z的声线掠射角。

应答式精确观测方程需要已知传播时间观测和发射与接收声信号时刻的参考位置。水面船是在运动中进行声学测量，船底换能器每隔固定时间周期向水下发射声学测量信号，海底基准接收到该声学测量信号后，向水面回复应答声学信号，水面船接收到回复的应答声信号后，经参考和接收信号相关处理后，测得双程声学传播时间，水面船上GNSS接收机测得GNSS坐标，并记录水面船发射和接收声信号的时间戳。

如附图2和图3所示，图2为静态近似模型，图3为应答式精确模型，根据发射信号和接收信号的时间戳信息，对发射和接收点的参考坐标进行动态分析和插值近似，得到发射信号接收信号时刻的坐标，直接使用双程传播时间为观测量，建立基于双程声路径函数f的精确观测方程为：

t＝f(m,x_s,c(z))+f(m,x_r,c(z))

其中，t为双程传播时间，x_s为发射参考坐标，x_r为接收参考坐标，m为待求基准位置,f()为基于双程声路径函数。

仿真分析基于双程声路径的精确模型，进行1000次蒙特卡洛分析定位误差。海底基准位于深度2000m处，坐标为[0,200,2000]m，测量船在水面以[0,0,0]m为圆心、1500m为半径进行声学测量，以GNSS坐标为参考坐标，测量船换能器和海底基准间声学测量为应答模式，考虑测量船的运动速度1m/s。假设声学传播时间的测量服从零均值高斯分布，标准差为σ_t＝10μs，取一组声速剖面为真值，如附图4所示。定位误差结果如附图5所示，图5(a)-图5(c)为静态近似模型定位误差，图5(d)-图5(f)为应答式精确模型定位误差，普通静态近似模型的水平均值存在明显偏差，基于双程声路径的应答式精确模型的定位结果是无偏的，校准精度明显优于普通静态近似模型。

声速剖面误差估计算法是基于最小二乘理论的，联合估计信标位置和声速偏差，利用线性化最小二乘方法联合估计位置和声速偏差参数。

由于声线轨迹的传播时间和水平距离为非线性函数，需线性化为：

f(m)＝f(m₀)+J(m-m₀)

其中，m＝[X,Y,Z,Δc]^T为模型参数，m₀为参数初值，

为雅可比矩阵为：

其中，发射信号的非线性函数为f_s，接收信号的非线性函数为f_r。

此时误差方程为:

V＝J(m₀)dm-(t-f(m₀))

其中，V为估计残差量，dm估计参数修正量。

根据最小二乘原理，参数估计为:

将上述解算方程迭代至条件:

R(m^(k+1))＝R(m^(k))

其中，R为最小二乘法的目标函数:

使用以海底基准为中心的标准圆航迹测量，海底基准深度和声速剖面偏差之间的相关性影响海底基准校准精度，因此，在常规的标准圆航迹基础上，增加多声线掠射角的观测航迹，优化水面航迹的几何分布，降低深度和声速间的相关性。

仿真分析联合估计信标位置和声速偏差方法。海底基准位于深度2000m处，坐标为[0,200,2000]m，测量船在水面以[0,0,0]m为圆心、1500m和4000m为半径进行声学测量，以GNSS坐标为参考坐标，以附图3所示的声速剖面为真值，考虑声速偏差Δc为0.5m/s。假设声学传播时间的测量服从零均值高斯分布，标准差为σ_t＝10μs。1000次蒙特卡洛定位结果如附图6所示，图6(a)-图6(c)为1500m单圆航迹定位误差，图6(d)-图6(f)为双圆航迹定位误差，双圆航迹的x、y和z参数均为无偏估计，双圆轨迹的后验误差范围优于单圆航迹。由此得出结论，增加不同声线掠射角观测，改善了海底基准校准精度和稳定性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种基于双程声路径的海底基准校准方法，其特征在于，包括

步骤一、根据待测量的海水环境信息，建立以声学传播时间为观测量的射线声学传播模型，模拟信号在水中的弯曲路径，计算声传播时间和水平距离；

步骤二、根据所述声传播时间和水平距离，以水面发射和接收声信号时刻的全球导航卫星***坐标为参考位置，使用双程传播时间t为观测量，建立基于双程声路径函数f的观测方程；

步骤三、利用最小二乘方法，对基于双程声路径函数f的观测方程求解，联合声速偏差估计海底基准位置参数；

利用最小二乘方法，对基于双程声路径函数f的观测方程求解，联合声速偏差估计海底基准位置参数的具体方法为：

声线轨迹的传播时间和水平距离的非线性函数线性化为：

f(m)＝f(m₀)+J(m-m₀)

其中，

为雅可比矩阵，m＝[X,Y,Z,Δc]^T为模型参数，m₀为参数初值；

根据最小二乘法对参数估计为：

其中，

为模型参数m的估计值，f(m₀)为关于m₀的基于双程声路径函数。

2.根据权利要求1所述的一种基于双程声路径的海底基准校准方法，其特征在于，步骤一中所述的待测量的海水环境信息及其获得的方法为：采用声速剖面仪测量获取海水环境信息，所述海水环境信息包括声速剖面、水的温度、盐度、水下深度和水中的声速。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于双程声路径的海底基准校准方法，其特征在于，步骤一中，建立以声学传播时间为观测量的射线声学传播模型，模拟信号在水中的弯曲路径，计算声波在水中的传播时间和水平距离的方法为：

其中，z_i为水面发射点深度，Z为海底接收点深度，c(z)为声速剖面，根据斯涅耳定律，确定射线参数n＝cosθ(z)/c(z)，θ(z)为深度z的声线掠射角。

4.根据权利要求3所述的一种基于双程声路径的海底基准校准方法，其特征在于，步骤二中，建立基于双程声路径函数f的观测方程的具体方法为：

根据发射信号和接收信号的时间信息，对发射点和接收点的参考坐标进行动态分析和插值近似，获得发射信号时刻信号发射点和接收信号时刻信号接收点的坐标，直接使用双程传播时间为观测量，建立基于双程声路径函数f的精确观测方程：

t＝f(m,x_s,c(z))+f(m,x_r,c(z))

其中，t为双程传播时间，x_s为发射点参考坐标，x_r为接收点参考坐标，m为待求基准位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于双程声路径的海底基准校准方法，其特征在于，联合声速偏差估计海底基准位置参数的具体方法中还包括：

信号发射装置以海底基准为中心的标准圆为航迹实时发射信号,对海底基准位置进行测量，并利用多声线掠射角对发射装置的航迹进行观测，对信号发射装置的水面航迹进行优化，减弱深度和声速间的相关性的步骤。

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