趙 爽 王振杰 吳紹玉 王 毅 劉慧敏 單 瑞

(①中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580； ②海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071； ③東方地球物理公司，河北涿州 072751； ④海洋石油工程股份有限公司，山東青島 266520； ⑤中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島 266071)

·采集技術(shù)·

基于選權(quán)迭代的走航式水聲差分定位方法

趙 爽*①王振杰①②吳紹玉③王 毅④劉慧敏①單 瑞⑤

(①中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580； ②海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071； ③東方地球物理公司，河北涿州 072751； ④海洋石油工程股份有限公司，山東青島 266520； ⑤中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島 266071)

水下聲學(xué)定位中存在應(yīng)答器時(shí)延等系統(tǒng)誤差，若采用傳統(tǒng)的幾何法定位，因系統(tǒng)誤差難以改正或消除而導(dǎo)致定位精度降低。針對(duì)該問(wèn)題，本文采用歷元間差分的方式減弱或消除系統(tǒng)誤差。結(jié)合石油物探走航式水下定位實(shí)際，給出了相應(yīng)的水下差分模型。同時(shí)，考慮到水下聲學(xué)觀測(cè)值中不可避免地存在粗差，采用基于選權(quán)迭代的抗差估計(jì)進(jìn)行解算。模擬算例和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明：歷元間差分定位方法定位精度優(yōu)于傳統(tǒng)的幾何法，國(guó)產(chǎn)BPS水下聲學(xué)定位系統(tǒng)在50m以內(nèi)水深可實(shí)現(xiàn)1m定位精度。

水下聲學(xué)定位 差分算法 走航式 選權(quán)迭代 抗差估計(jì)

1 引言

隨著海洋戰(zhàn)略的推進(jìn)，海洋勘探與開發(fā)活動(dòng)廣泛開展，需要獲取大范圍、準(zhǔn)確的海洋空間與環(huán)境數(shù)據(jù)，高精度的水下定位技術(shù)是重要基礎(chǔ)和保障。由于水聲觀測(cè)的動(dòng)態(tài)性、儀器自噪聲、外部環(huán)境以及其他諸多因素的影響，致使水下聲學(xué)觀測(cè)值不可避免地存在一定的系統(tǒng)誤差和粗差，如果不予減小或消除，將會(huì)影響定位結(jié)果及其應(yīng)用[1,2]。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在水下定位模型改進(jìn)和抗差估計(jì)方面進(jìn)行了大量的研究。在水下定位模型方面，傳統(tǒng)的幾何法定位模型簡(jiǎn)單，但在抵抗系統(tǒng)誤差影響方面呈現(xiàn)弱勢(shì)。Xu等[3]首先提出水下差分定位方法；Zhao等[4]視時(shí)間延遲誤差為解算參數(shù)，構(gòu)建水下定位模型； Yang等[5]提出了一種無(wú)需測(cè)量聲速剖面進(jìn)行水下靜態(tài)目標(biāo)定位的方法；蔡艷輝等[6]基于GPS智能浮標(biāo)，構(gòu)建了幾何法定位模型并做了精度分析；Yan等[7]顧及不確定聲速并視其為解算參數(shù)，研究了浮標(biāo)移動(dòng)長(zhǎng)基線定位算法。上述模型在水下定位方面得到了較廣泛的應(yīng)用。在抗差估計(jì)方面，周江文[8]從等價(jià)權(quán)出發(fā)提出有效的IGG估計(jì)方案；Yang等[9]提出了基于雙因子等價(jià)權(quán)的相關(guān)觀測(cè)值的抗差估計(jì)方法； Xu[10]提出了一種符號(hào)約束的抗差估計(jì)方法； 王潛心等[11]采用粗差探測(cè)與抗差估計(jì)相結(jié)合的方法來(lái)處理GPS動(dòng)態(tài)定位中的粗差問(wèn)題； 張志偉等[12]將抗差估計(jì)應(yīng)用到多波束測(cè)深異常值探測(cè)中，抗差估計(jì)方法在GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))定位領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且效果顯著，但在水下定位方面應(yīng)用還不多。

鑒于石油勘探、海洋調(diào)查等領(lǐng)域多采用基于測(cè)量船的走航模式[13]，本文針對(duì)走航式水下聲學(xué)定位，推導(dǎo)了水下差分定位算法，并首次探討將水下差分定位應(yīng)用到海上石油勘探過(guò)程中。為減小部分水下定位系統(tǒng)誤差和空間相關(guān)性誤差影響，同時(shí)結(jié)合水下聲學(xué)定位過(guò)程中常見的觀測(cè)值包含粗差的問(wèn)題，給出了基于選權(quán)迭代方法的抗差估計(jì)解算步驟，最后通過(guò)模擬算例和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)予以驗(yàn)證。

2 傳統(tǒng)幾何法水下定位原理

在水下定位中，安置在船底的換能器發(fā)射聲信號(hào)，海底的應(yīng)答器接收信號(hào)并反饋應(yīng)答信號(hào)被換能器接收，以此來(lái)獲取聲信號(hào)傳播時(shí)間；通過(guò)聲速剖面儀測(cè)量聲速，聲速乘以單程傳播時(shí)間可獲得距離觀測(cè)值。理論上當(dāng)獲得三個(gè)以上的距離觀測(cè)值后，可交會(huì)出應(yīng)答器的三維坐標(biāo)。

假設(shè)海底應(yīng)答器T坐標(biāo)為(xT,yT,zT)，Pi為(i=1,2,…,n)歷元換能器的位置，其坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，ti為Pi與T之間聲波傳播的往返時(shí)間，C為平均聲速，那么

(1)

通常為了提高定位的可靠性，會(huì)測(cè)量多組觀測(cè)值，然后基于最小二乘原理進(jìn)行平差解算以求目標(biāo)位置。

3 水下差分法定位原理

當(dāng)進(jìn)行水下定位時(shí)，由于水聲觀測(cè)的動(dòng)態(tài)性、儀器自噪聲、外部環(huán)境以及其他諸多因素的影響，系統(tǒng)受到來(lái)自水面以及水下的各類誤差的影響，如測(cè)量船位置誤差、聲速誤差和應(yīng)答器時(shí)延誤差等，限制了水下定位精度[14]。若使用GPS RTK為測(cè)量船定位，精度可以達(dá)到厘米級(jí)，遠(yuǎn)高于其他外圍設(shè)備，因此該誤差可以忽略不計(jì)。對(duì)于其他系統(tǒng)誤差和粗差，傳統(tǒng)的定位模型不能很好地加以消除。

結(jié)合水下定位實(shí)際，測(cè)量船在海面持續(xù)走航作業(yè)，假設(shè)相鄰歷元下測(cè)量船的位置在時(shí)間和空間上足夠接近，可以認(rèn)為兩條聲線經(jīng)過(guò)的聲速結(jié)構(gòu)是相似的，考慮到對(duì)同一個(gè)海底應(yīng)答器進(jìn)行的不同聲學(xué)觀測(cè)中包含了相同的應(yīng)答器時(shí)間延遲誤差，那么觀測(cè)值歷元間做差，可以減小甚至消除應(yīng)答器時(shí)延誤差及與聲速結(jié)構(gòu)有關(guān)的系統(tǒng)誤差，從而一定程度上提高定位精度[3]。

3.1 歷元間單差定位函數(shù)模型

如圖1所示，假設(shè)ti時(shí)刻由GPS給出的測(cè)量船位置為xi，海底應(yīng)答器的坐標(biāo)為xo，測(cè)得的測(cè)量船至應(yīng)答器的距離(傳播時(shí)間乘以聲速)為ρsio，則有

ρsio=f(xo,xi)+δρdsio+δρv sio+εio

(2)

式中：f(xo,xi)為測(cè)量船到海底應(yīng)答器的真實(shí)距離； δρdsio為與傳播時(shí)間有關(guān)的系統(tǒng)誤差； δρvsio為與聲速有關(guān)的系統(tǒng)誤差；εio為測(cè)距隨機(jī)誤差。將式(2)線性化后

δρv sio+εio+bsioεxs i

(3)

圖1 走航式水下聲學(xué)差分定位示意圖

假設(shè)tj時(shí)刻線性化后的方程有

δρv sjo+εjo+bsjoεxs i

(4)

上式中各符號(hào)對(duì)應(yīng)歷元為tj時(shí)刻，物理意義與式(3)同理，不再贅述。

式(4)和式(3)作差，可得

Δρij=(asjo-asio)dxo+Δρdsijo+Δρv sijo+Δεijo

(5)

其中

式中： Δρij為常數(shù)項(xiàng)； Δρdsijo為差分后的時(shí)間延遲引起的誤差項(xiàng)； Δρv sijo為差分后的聲速相關(guān)誤差項(xiàng)； Δεijo為偶然誤差項(xiàng)。

在實(shí)際的水下定位中，常采用CTD(Conductivity-Temperature-Depth，鹽溫深)測(cè)量系統(tǒng)獲取聲速結(jié)構(gòu)，聲速隨水介質(zhì)的溫度、鹽度和壓力的不同而不同，同時(shí)由于水介質(zhì)本身的溫、鹽、壓的時(shí)變特性也會(huì)帶來(lái)聲速的測(cè)量誤差[15,16]。當(dāng)水深較深時(shí)， CTD系統(tǒng)獲得聲速結(jié)構(gòu)需要數(shù)小時(shí)，所以測(cè)量誤差主要是受聲速結(jié)構(gòu)的日變化和海洋內(nèi)波的影響。Yamada等[17]研究表明，季節(jié)變化雖然也對(duì)聲速剖面有所影響，但其對(duì)水下點(diǎn)定位的影響要比聲速剖面結(jié)構(gòu)的日變化小得多。Spiess等[18]指出，把聲速變化20min一個(gè)周期、聲信號(hào)傳播的等效距離大約為20cm這些現(xiàn)象和影響歸結(jié)為海洋內(nèi)波的原因。

結(jié)合水下定位實(shí)際，可認(rèn)為式(5)中測(cè)量船的位置xi、xj是連續(xù)的、且在空間和時(shí)間上足夠接近，兩條聲線經(jīng)過(guò)的聲速結(jié)構(gòu)相似，那么兩歷元觀測(cè)量中包含相似的聲速空間相關(guān)性誤差。如果聲速的變化是由內(nèi)波引起的短期變化，只要測(cè)量船在內(nèi)波短周期之內(nèi)到達(dá)下一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(要求船速足夠快)，那么仍然可以認(rèn)為式(5)中δρv sio≈δρv sjo，即Δρv sijo≈0。否則，每個(gè)單差觀測(cè)方程中引入了一個(gè)未知的偏差量Δρv sijo，必然影響定位精度。如果測(cè)量船采用對(duì)稱航跡進(jìn)行定位，則可以降低該誤差的影響。由于ρsio、ρsjo為同一個(gè)換能器測(cè)量所得的到水下應(yīng)答器的距離，所以由應(yīng)答器引起的時(shí)間延遲造成的系統(tǒng)誤差是相同的，通過(guò)歷元間差分可以消除該誤差的影響，因此Δρdsijo=0。

當(dāng)j=i+1時(shí)，單差誤差方程可以表示為

Δρi(i+1)=(asi+1o-asio)dxo+Δεi(i+1)o

(6)

如果由短期內(nèi)波引起的聲速結(jié)構(gòu)變化誤差可以忽略的話，那么觀測(cè)方程可統(tǒng)一表示為

l=Adxo+εl

(7)

式中：l為常數(shù)項(xiàng)；A為觀測(cè)方程系數(shù)矩陣；εl為觀測(cè)過(guò)程中的偶然誤差。其具體表達(dá)式為

(8)

令f(xo,xi)=fi，那么

(9)

(10)

誤差方程可以寫為

V=Adxo-l

(11)

式中V為殘差向量。

3.2 歷元間單差定位隨機(jī)模型

法方程為

ATPAdxo-ATPl=0

(12)

式中P為觀測(cè)值的權(quán)矩陣。下面是對(duì)權(quán)矩陣P的推導(dǎo)。

式(10)可寫為

(13)

式中

需要說(shuō)明的是，bsio和εxsi分別為1×3和3×1的矩陣。

換能器位置誤差主要包括動(dòng)態(tài)GPS定位誤差和姿態(tài)誤差，由于姿態(tài)誤差相對(duì)比較小，可以用動(dòng)態(tài)GPS的定位誤差來(lái)代替換能器位置誤差。

觀測(cè)值誤差協(xié)方差陣為

(14)

由式(13)根據(jù)協(xié)方差傳播率

DD=CDCT

(15)

而

(16)

3.3 定位模型解算

在實(shí)際的水下聲學(xué)定位中，由于水聲觀測(cè)的動(dòng)態(tài)性、儀器自噪聲、外部環(huán)境以及其他諸多因素的影響，水下聲學(xué)觀測(cè)值中常包含粗差，會(huì)降低水下聲學(xué)定位精度。抗差估計(jì)是在粗差不可避免的情況下，選擇估計(jì)方法使得未知參數(shù)的估值盡可能避免粗差的影響?；谶x權(quán)迭代方法的抗差模型在抵抗粗差方面具有一定優(yōu)勢(shì)。選權(quán)迭代法從以下最小條件出發(fā)

(17)

IGG3權(quán)函數(shù)[19,20]

(18)

其中k0一般取1.0～1.5，k1一般取2.5～3.0，σ為方差因子。式(18)中權(quán)函數(shù)采用三段法[21]：對(duì)正常觀測(cè)值采用保權(quán)處理(保權(quán)區(qū))；對(duì)可疑觀測(cè)值采用降權(quán)處理(降權(quán)區(qū))；對(duì)異常觀測(cè)值使權(quán)為0(拒絕區(qū))，并予以淘汰。

基于選權(quán)迭代法的水下單差定位模型解算一般步驟如下。

(1)按照最小二乘法求解待估參數(shù)及其殘差

(19)

(20)

(3)最終可得應(yīng)答器坐標(biāo)位置及觀測(cè)值改正數(shù)

(21)

(4)驗(yàn)后單位權(quán)中誤差、平差參數(shù)協(xié)方差陣

(22)

選權(quán)迭代抗差估計(jì)通過(guò)引入等價(jià)權(quán)矩陣來(lái)調(diào)節(jié)各觀測(cè)值對(duì)估值結(jié)果的貢獻(xiàn)，提高了估值結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[19]。

4 算例分析

4.1 仿真算例分析

模擬海上石油勘探OBC(Ocean Bottom Cable，海底電纜)聲學(xué)二次定位[22,23]數(shù)據(jù)采集過(guò)程。模擬兩條測(cè)線，測(cè)量船沿一定水平間距的測(cè)線航行。仿真實(shí)驗(yàn)分別模擬水下50m和100m處一組應(yīng)答器陣列，相鄰應(yīng)答器間距為40m。假設(shè)船速為4節(jié)(1節(jié)=1.852km/h)，采樣間隔為4s, 模擬水面波高為2m的余弦波動(dòng)。聲速剖面采用Munk理想聲速剖面，表層聲速為1548m/s，采用分層等梯度射線聲學(xué)跟蹤算法[16,24]仿真?zhèn)鞑r(shí)間。

系統(tǒng)誤差采用文獻(xiàn)[3]中的公式

(23)

式中主要包括四部分的系統(tǒng)誤差：c1為常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；c2為短周期內(nèi)波誤差項(xiàng)系數(shù)；c3為長(zhǎng)周期誤差項(xiàng)系數(shù)；c4為測(cè)區(qū)影響因素系數(shù)。TS、TL分別為內(nèi)波短周期和長(zhǎng)周期，單位分別是min和h;t、t0分別為走航中數(shù)據(jù)采集時(shí)刻和初始測(cè)量時(shí)刻。根據(jù)文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]的分析及描述的內(nèi)波長(zhǎng)、短周期，各參數(shù)設(shè)置如下：c1=10，c2=12，c3=30，c4=2，單位為cm；TS=15，TL=12，scon=2000m,‖xo-xi‖為測(cè)量船換能器至海底應(yīng)答器的斜距。偶然誤差參考文獻(xiàn)[3]，換能器定位中誤差各方向?yàn)?0cm，應(yīng)答器時(shí)延誤差為5cm[25]。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

以水深為100m、測(cè)線間距為200m為例，聲速剖面如圖2所示，模擬測(cè)量船航跡和應(yīng)答器位置示意圖見圖3。

對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)誤差影響和差分后系統(tǒng)誤差影響進(jìn)行分析。圖4為模擬的長(zhǎng)、短周期系統(tǒng)誤差差分前后效果對(duì)比圖。

圖2 Munk理想聲速剖面

圖3 船跡和應(yīng)答器位置示意圖

圖4 模擬的系統(tǒng)誤差及差分后效果

由圖4可以看出，相鄰歷元間差分后的短周期內(nèi)波的影響被大幅減弱，長(zhǎng)周期誤差項(xiàng)也基本被消除。因此當(dāng)對(duì)歷元相近的觀測(cè)值之間進(jìn)行差分，可以有效地削弱系統(tǒng)誤差對(duì)定位結(jié)果的影響。

根據(jù)表1的方案，模擬實(shí)驗(yàn)200次，用傳統(tǒng)幾何定位算法和基于選權(quán)迭代抗差估計(jì)的歷元差分定位算法分別進(jìn)行解算，解算效果如圖5、圖6所示。

圖5 幾何法和差分法水下定位精度(水深為50m)

圖6 幾何法和差分法水下定位精度(水深為100m)

對(duì)隨機(jī)模擬200次實(shí)驗(yàn)，采用幾何法和基于選權(quán)迭代抗差估計(jì)的歷元間差分算法分別進(jìn)行解算，并分別統(tǒng)計(jì)其平均定位精度，如表2所示。

表2 仿真200次幾何法和差分法解算平均定位精度

幾何法定位的水平精度略優(yōu)于其垂直精度，這是由于測(cè)量船在海面上持續(xù)走航，其航跡幾乎在一個(gè)平面上，垂直方向上的觀測(cè)結(jié)構(gòu)相對(duì)要差一些；對(duì)比幾何法和歷元間差分算法可看出，歷元間單差解算結(jié)果精度特別是垂直方向上明顯比幾何法高。由于本次模擬試驗(yàn)的入射角不大，系統(tǒng)誤差的影響主要體現(xiàn)在解算結(jié)果的垂直精度上，差分算法由于觀測(cè)值在歷元間做差，消除了絕大部分系統(tǒng)誤差的影響。

4.2 實(shí)測(cè)算例分析

本算例數(shù)據(jù)采用2015年7月易水湖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。易水湖位于河北保定境內(nèi)，水面面積為27km2，最深處為48.5m。易水湖水質(zhì)清澈純凈、能見度高，是比較理想的測(cè)試區(qū)域。

易水湖測(cè)試儀器為國(guó)產(chǎn)BPS聲學(xué)定位系統(tǒng)，主要的硬件設(shè)備如圖7所示。GPS接收機(jī)和聲速儀如圖8所示。測(cè)量船在水面連續(xù)走航，對(duì)應(yīng)答器不間斷觀測(cè)。各個(gè)時(shí)刻測(cè)量船的位置由船載GPS給出，GPS接收機(jī)與換能器通過(guò)鐵桿連接在一起，如圖9所示。

圖7 硬件設(shè)備圖

圖8 GPS接收機(jī)(a)和聲速儀(b)

4.2.1 測(cè)線相對(duì)位置驗(yàn)證

在水底布設(shè)10個(gè)應(yīng)答器成一條測(cè)線，相鄰應(yīng)答器間隔約20m。測(cè)量換能器從發(fā)射至接收聲波的時(shí)間差，并用聲速儀實(shí)測(cè)聲速剖面。測(cè)量船航跡及應(yīng)答器位置如圖10所示。

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，分別采用幾何法和單差法進(jìn)行定位解算。由于試驗(yàn)區(qū)域水下應(yīng)答器位置未知，不能直接比較定位結(jié)果，統(tǒng)計(jì)內(nèi)符合精度即計(jì)算平差參數(shù)中誤差，如表3所示。

圖9 測(cè)量船局部放大圖

圖10 測(cè)線驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)船跡及應(yīng)答器示意圖

表3相對(duì)位置驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)符合精度單位：m

應(yīng)答器編號(hào)σxσy幾何法單差法幾何法單差法10．2700．0050．4360．00620．0370．0010．0690．00230．1230．0240．1500．03940．1470．0090．2830．01251．8680．6602．7560．66460．1150．0890．4320．16470．8560．0011．1610．00180．0180．0010．0210．00190．2490．0050．3710．003100．5520．0010．7910．001

根據(jù)表3，統(tǒng)計(jì)10個(gè)應(yīng)答器水下定位內(nèi)符合精度可以看出，幾何法解算x、y方向內(nèi)符合精度最大值分別為1.868m和2.756m；差分法解算x、y方向內(nèi)符合精度最大值分別為0.660m和0.664m，均不超過(guò)1m。綜合兩個(gè)方向來(lái)看，幾何法和差分法水平精度分別為0.535m和0.084m，后者比前者提高了0.451m。

4.2.2 單點(diǎn)絕對(duì)位置驗(yàn)證

在水底合適位置布設(shè)一個(gè)應(yīng)答器，用連接桿將應(yīng)答器和GPS接收機(jī)豎直連接。用GPS RTK實(shí)測(cè)該單點(diǎn)的平面坐標(biāo)作為目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)真值，測(cè)量船持續(xù)走航對(duì)水底應(yīng)答器連續(xù)觀測(cè)獲取觀測(cè)值，分別用幾何法、單差法進(jìn)行解算，解算結(jié)果與坐標(biāo)真值比對(duì)計(jì)算平面方向的坐標(biāo)偏差。測(cè)量船航跡及應(yīng)答器位置如圖11所示。表4為單點(diǎn)絕對(duì)位置驗(yàn)證所解算的坐標(biāo)偏差結(jié)果。

圖11 單點(diǎn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)船跡及應(yīng)答器示意圖

如表4所示，傳統(tǒng)幾何法平面定位精度為1.186m，差分法定位精度達(dá)1.015m，后者采用選權(quán)迭代抗差估計(jì)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中不可避免的粗差值予以剔除，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量，并通過(guò)觀測(cè)值歷元間做差，削弱了與應(yīng)答器時(shí)延及聲速等有關(guān)的部分系統(tǒng)誤差，定位精度提高了17cm。dx差值較大，驗(yàn)證了對(duì)單差定位方法而言，應(yīng)答器與定位船航行的相對(duì)空間關(guān)系對(duì)定位結(jié)果的影響明顯優(yōu)于幾何法。由于實(shí)測(cè)區(qū)域最大水深為50m，聲速相關(guān)的系統(tǒng)誤差影響并不是特別顯著，所以差分法定位精度略優(yōu)于幾何法。但是隨著水深增加，與聲速等相關(guān)的系統(tǒng)誤差隨之增大，理論上差分法定位優(yōu)勢(shì)會(huì)愈加明顯，這也有待下一步深入研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。就目前的水下定位測(cè)試結(jié)果而言，國(guó)產(chǎn)BPS聲學(xué)定位系統(tǒng)在50m以內(nèi)水深條件下，走航式水下差分法定位精度達(dá)到1m，可滿足石油勘探需求。

表4 絕對(duì)位置驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)解算坐標(biāo)偏差 單位：m

5 結(jié)論

水下聲學(xué)差分定位方法自提出以來(lái)，受到廣泛關(guān)注，之前其定位效果多通過(guò)模擬數(shù)據(jù)討論分析，鮮有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持。本文在詳細(xì)推導(dǎo)水下聲學(xué)單差定位模型的基礎(chǔ)上，首次探討將水下差分定位應(yīng)用到海上石油勘探過(guò)程中，并通過(guò)理論分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

(1)基于選權(quán)迭代的水下聲學(xué)差分定位算法，在剔除粗差、提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)歷元間觀測(cè)值差分減弱部分水下定位系統(tǒng)誤差和空間相關(guān)性誤差影響，其定位結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)幾何法；

(2)在50m以內(nèi)水深條件下，自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)BPS聲學(xué)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1m的定位精度，可滿足石油勘探需求。

水聲差分定位方法在一定程度上提高了水下定位的精度和可靠性，在石油地球物理勘探(尤其是高精度海上油氣勘探)和海洋工程領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。此外，更大水深條件下的水聲差分算法和國(guó)產(chǎn)聲學(xué)定位系統(tǒng)的性能有待下一步深入研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

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*山東省青島市黃島區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院測(cè)繪系，266580。Email: sd_zhaoshuang@126.com

本文于2016年10月27日收到，最終修改稿于2017年10月10日收到。

本項(xiàng)研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0501700，2016YFB0501705)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41374008，41406115)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAK11B01)聯(lián)合資助。

1000-7210(2017)06-1137-09

趙爽，王振杰，吳紹玉，王毅，劉慧敏，單瑞.基于選權(quán)迭代的走航式水聲差分定位方法.石油地球物理勘探，2017,52(6):1137-1145.

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.002

(本文編輯：劉英)

趙爽 碩士研究生，1992年生；2015年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)測(cè)繪工程專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；目前在中國(guó)石油大學(xué)(華東)攻讀碩士學(xué)位，主要從事水下導(dǎo)航定位研究。