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  • 海洋大地测量基准与水下导航系列之三国外声学定位系统与声学导航技术发展现状

作者:xiaokcehui2024-12-16 0:14分类: GNSS 标签: 海洋基准 水下导航

国外对水声定位系统的研究起步较早。进入21世纪以来,随着对水声信号处理技术研究的突破创新,水声定位系统的各种相关技术逐渐走向成熟。国外已有IXSEA、Kongsberg等多家公司推出了多套高性能的商用乃至军用水声定位系列产品,标志着水声定位技术进入了相对快速的发展时期。国外有关超短基线定位(ulta short base line posiioning)系统最早见子20世纪80年代初。经过近40年的发展,现在已有多家公司推出了较成熟的超短基线定位产品。

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水下声呐定位技术虽然能以很高的精度测量声波的时延,但声速误差极大地限制了定位精度。大地测量学家提出,通过改进测量策略和解算方法,水声定位技术可获得高精度水平定位结果,以满足海底板块监测等地球科学的需求。

1980年代中期首次确定了利用全球定位系统技术,通过声学手段与海底联系起来,建立与大地测量学相关的海底基准点的可能性。它是基于独立开发的动态全球定位系统定位和测量水下声音在几公里长的路径上传播时间的精确方法。这些技术本身不足以应对水柱近表面部分不断变化的声速结构。Peter Bender提出了解决这一难题的关键,引起了声纳系统开发者的注意。就海洋声速结构是水平分层的而言,海底应答器三角形中心上方的海面中点的位置与声速无关,它只是到达应答器的三个声波传播时间相等的点

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这意味着,如果将应答器放置在海底上的一个近似圆周围,圆心可以被认为是一个参考点,仅利用声速的近似知识就可以重复恢复其位置。从中心观测点来看,随着声速的变化,转发器的位置将看起来以一致的方式垂直移动,但是阵列的水平中心将保持在明确定义的位置。

美国SIO的Spiess早在1985年就提出了海底精密定位方法,该方法在海底布设3个高精度应答器作为时空基准,相互间隔约5km,由船拖曳换能器从海底基准站应答器阵上方约300m处经过,进行声学测量;2005年,SIO的Sweeney等将该方法进行进一步改进。试验结果表明,该方法能以厘米级的精度测量海底基线。

使用全球定位系统(GPS)卫星和水声学,我们已经建立了一个大地测量参考点,胡安·德富卡板块深度2.6公里,距离北美西北海岸约150公里我们测量了这个地点和不列颠哥伦比亚省温哥华岛的两个地面GPS站之间的基线。胡安·德富卡板块现场是开发海底观测方法的适当场所,因为这是一个经过充分研究的区域,从加拿大西海岸和美国港口都很容易到达。在这个地点确定海底运动解决了与胡安·德富卡和北美板块穿过卡斯卡迪亚俯冲带。在Juan de Fuca海底大地测量参考站,我们在海底安装了精密声学转发器,并测量了从水面平台(船只或浮标)声源到转发器的距离。该平台配备了一套三个GPS天线,允许在信号传输和接收时确定声源位置。合并卫星和声学数据允许确定转发器网络在全球参考系坐标中的位置。迄今为止的数据处理表明,相对于温哥华岛的参考点,海底转发器网络位置的可重复性为北纬0.8厘米和东经3.9厘米。

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美国 SIO 提出 GNSS-A 定位技术以后,日本海上保安厅的海洋水文部(Hydrographic and Oceanographic Department of the Japan Coast Guard,JHOD)于20世纪90年代开始进行研究,而后东京大学、东北大学、名古屋大学、京都大学等众多日本科研机构也纷纷开展了相关研究,取得了一系列重要研究成果。经过近30年的持续研究,目前日本已经成为GNSS-A定位技术革新速度最快、基础设和成果产出成效最显著的国家。2006,日本学者引入线性反演法并估计声速剖面的时间变化,使该技术水平测量结果的可重复度达到厘米级。美国SIO提出的GNSS-A定位技术将科考船控制在应答器阵列的中心轴线附近,可获得高精度水平定位结果;而日本JHOD的GNSS-A定位技术控制科考船沿预定轨迹航行,不仅能进行水平位置测量,理论上还可以进行垂直位置的测量。

2012年,日本东北大学的Osada等于900m的基线上获得1.5cm精度的水平测距结果。2013年,伍兹霍尔海洋研究所的McGuire和Collins 用直接测距法于1km的基线上获得毫米级精度测量结果。2016年,法国、德国和土耳其的学者在北安纳托利亚断层伊斯坦布尔一西利夫里段布设了10个基准站,获取了断层年位移变化。


参考文献:

海洋大地测量基准与水下导航_中国科学院_2022.06

走向深海,发展自立自强的海底大地测量基准_鲍李峰_2023.09

海底大地基准网建设及其关键技术_杨元喜_2020

构建海底信息网技术分析_宋德枢_2024.01

应用于海洋物联网的水声通信技术发展综述_瞿逢重_2023.11

海底大地基准建设技术及其研究进展_刘焱雄_2022.10

https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-019-1082-y#citeas

https://link.springer.com/article/10.1007/s00190-020-01389-1

https://scripps.ucsd.edu/news/scripps-student-spotlight-doug-sweeney

Spiess.pdf

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0031920198000892

https://www.sciopen.com/article/10.11947/j.JGGS.2023.0209

https://www.semanticscholar.org/paper/Centimeter-Level-Positioning-of-Seafloor-Acoustic-a-Sweeney-Chadwell/41992667d6b81d9cffa56ad1f4967aa7fe8ef669

https://www.researchgate.net/publication/274389858_ECHO_I_Cruise_Report

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