一种海底基准站高精度定位方法、定位系统及设备

1.本发明属于水下声学数据定位与识别技术领域，尤其涉及一种海底基准站高精度定位方法、定位系统及设备。


背景技术：

2.目前，海洋空间位置信息是一切海洋活动的重要基础。作为国家重要的海洋空间信息基础设施，海底大地控制网的构建对海底基准站的定位提出了更高的要求。目前广泛采用gnss/a(global navigation satellite system/acoustics)联合技术对海底基准站进行定位。
3.由于海洋自然环境的广域性、复杂性和多变性，海洋中的声速分布是复杂而多变的，而声速作为制约水下声学定位精度最为显著的要素之一，故在高精度水下声学定位需要对声速误差进行合适的建模，提高定位的精度。目前声速误差建模一般考虑通过多项式来拟合扰动声速结构的时域变化，比如二次多项式。但是简单的多项式物理背景意义较弱，声速结构变化前后的连贯性较差，不能很好地体现声速的变化。针对上述问题，为了更好地对声速误差进行建模，提高水下声学定位的精度，有必要研究更加贴合实际声速变化的建模方法。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：声速误差建模不能很好地贴合实际情况，导致海底基准点定位精度不高。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具体涉及一种海底基准站高精度定位方法、定位系统及设备，具体涉及一种顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法。
6.本发明是这样实现的，一种顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法包括：
7.基于变化的声速场时域以及变化的声速结构垂直方向，引入变化的三次b样条函数表征扰动声速时域，并基于声线跟踪，构建分步迭代-渐次修正的位置信息和声速信息迭代反演模型，并进行海底基准站坐标和扰动声速的渐次修正，获得海底基准站的高精度位置信息。
8.进一步，所述顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法，还包括以下步骤：
9.步骤一，测量船对海底基准站实施连续观测，获取测量船航迹、海底基准站位置及声速剖面测量概略位置；
10.步骤二，对采集的声速剖面进行数据预处理，采用三次b样条函数法进行扰动声速结构反演；
11.步骤三，对海底基准站站位置和扰动声速结构进行迭代反演，实现了海底基准站
坐标和声速结构的渐次修正。
12.进一步，所述步骤一测量船对海底基准站实施连续观测，获取测量船航迹、海底基准站位置及声速剖面测量概略位置包括以下步骤：
13.(1)测量船在海面走航，对海底基准站实施连续观测，采集声呐测时数据、声速剖面数据和gnss数据等等，获取测量船航迹以及声速剖面测量数据；
14.(2)实施分层等梯度声线跟踪，反演解算海底点概略坐标。
15.进一步，所述步骤二对采集的声速剖面进行数据预处理，采用三次b样条函数法进行扰动声速结构反演包括以下步骤：
16.1)对采集的声速剖面进行数据预处理，包括声速测量野值剔除、部分声速剖面数据延拓以及相邻同梯度声速层合并，并计算平均声速剖面以及各声速剖面与平均声速剖面的差值；
17.2)引入三次b样条函数进行声速结构变化拟合。
18.进一步，所述步骤三对海底基准站站位置和扰动声速结构进行迭代反演，实现了海底基准站坐标和声速结构的渐次修正包括以下步骤：
19.(i)采用固定声速-求解位置方法进行海底站位置反演，根据泰勒级数线性化原理，将声线跟踪非线性化系统在海底基准站概略坐标处进行线性化，基于稳健贝叶斯最小二乘估计原理计算海底基准站位置改正数；
20.(ii)采用固定位置-求解声速方法进行声速结构反演，规定实际声速结构是参考声速结构与扰动声速结构的耦合，引入三次b样条函数进行声速结构变化拟合，将声线跟踪非线性化系统基于参考声速剖面进行线性化，基于稳健贝叶斯最小二乘估计原理对声速结构时域变化进行反演；
21.(iii)对海底基准站坐标和扰动声速进行渐次修正。
22.进一步，在步骤(i)采用固定声速-求解位置方法进行海底站位置反演包括：
23.(i-1)根据泰勒级数线性化原理，将声线跟踪非线性化系统在海底基准站概略坐标处进行线性化，具体为：
24.tr＝f0+a1·
dx
tp
25.式中，f0为基于海底基准站初始坐标进行声线跟踪所得的传播时间；dx
tp
为海底基准站位置改正量，a1为传播时间关于海底基准站位置求导的系数矩阵，其中，关于平面位置的求导可按照下式基于射线声学基本原理求得，关于z方向的求导可由数值分析方法求得。
26.27.式中，p为由声线跟踪过程确定的snell常数，亦即声速水平慢度；r为声源点和海底基准站的平面距离，
28.(i-2)基于稳健贝叶斯最小二乘估计原理计算海底基准站位置改正数，具体为：
[0029][0030]
式中，p为声呐观测值权矩阵；p
x
为模型参数先验权矩阵；若不考虑模型参数先验信息，即p
x
＝0，该方法退化为经典最小二乘方法；l＝t
r-f0为观测向量；为模型参数先验值。需要指出的是，若有多个测站进行同步解算，可通过循环完成多测站的海底基准站坐标求解。
[0031]
进一步，在步骤(ii)中固定位置-求解声速进行声速结构反演包括：
[0032]
(ii-1)规定实际声速结构是参考声速结构与扰动声速结构的耦合。考虑声速场时域变化，将声速结构表达如下：
[0033]
v(z，te)＝vr(z)+v
p
(z，te)
[0034]
式中，表示观测时刻序列，v表示忽略水平空间异质性的声速结构，与深度及观测时间有关；vr表示参考声速结构，可取某条实际测量声速剖面或多条实测声速剖面的平均剖面；v
p
表示扰动声速结构；
[0035]
(i1-2)引入三次b样条函数进行声速结构变化拟合，同时顾及海水上下层声速结构变化差异，即考虑到在声呐观测时间窗口内深水层声速变化的平稳且微弱的特点，将扰动声速根据经验深度设置为分段函数形式。将整个观测时刻序列按照一定时间间隔δt划分为m段。若观测时刻te属于第i段，则其扰动声速结构如下式：
[0036][0037]
式中，a表示b样条函数系数；b表示b样条基函数；d表示b样条次数，本文取d＝3；z0表示参考深度，对于深水海域一般经验取值为1000～1600m；ui为单位化观测时刻，计算公式为ui＝(t
e-ti)/δt，δt＝t
i+1-ti。ti、t
i+1
分别为第i段的始、末观测时刻；
[0038]
(ii-3)将声线跟踪非线性化系统基于参考声速剖面进行线性化，得下式：
[0039]
tr＝f0+a2·
da
[0040]
式中，声速扰动关于样条系数求导公式由三次b样条函数求导原理得；声信号传播时间关于扰动声速求导可参考离散函数求导数值计算公式，如下式所示；
[0041][0042]
式中，k1、k2分别代表声源点和海底基准站所在声速剖面层的索引；ck代表第k层中
入射声速值；gk代表第k层中声速梯度值；
[0043]
(ii-4)基于稳健贝叶斯最小二乘估计原理对声速结构时域变化进行反演。需要指出的是，有多个时间窗口进行解算时，可通过循环完成多窗口的声速结构反演。
[0044]
进一步，在步骤(iii)中对海底基准站坐标和扰动声速进行渐次修正包括：
[0045]
(iii-1)由固定位置-求解声速的声速结构反演得到的声速结构变化量被反馈应用到海底基准站坐标计算中，重新进行海底基准站位置反演；
[0046]
(iiii-2)当坐标增量及声速变化量均在预设的阈值范围内时结束解算，完成海底基准站坐标和扰动声速的渐次修正。
[0047]
本发明的另一目的在于提供一种顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位系统包括：
[0048]
测量概略位置获取模块，用于测量船对海底基准站实施连续观测，获取测量船航迹、海底基准站位置及声速剖面测量概略位置；
[0049]
扰动声速结构反演模块，用于对采集的声速剖面进行数据预处理，采用三次b样条函数法进行扰动声速结构反演；
[0050]
基准站坐标和声速结构渐次修正模块，用于对海底基准站站位置和扰动声速结构进行迭代反演，实现了海底基准站坐标和声速结构的渐次修正。
[0051]
本发明另一目的在于提供一种设备，其特征在于，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序，所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法。
[0052]
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0053]
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0054]
现有技术存在的的缺陷的难度为：一是如何用恰当的数学方式表征复杂的扰动声速时域变化；二是如何正确处理声速结构的时域变化，建立合适的解算模型，计算海底基准点坐标和声速变化。
[0055]
本发明通过提供的顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法解决了背景技术存在的问题，带来的意义为：通过构建位置信息和声速信息的迭代估计模型，进行海底基准站坐标和扰动声速的渐次修正，减少声速误差对定位精度的影响，可以获得海底基准站的高精度位置信息。
[0056]
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0057]
本发明顾及声速场时域变化以及声速结构垂直方向的变化特点，引入三次b样条函数表征扰动声速时域变化，基于声线跟踪理论，构建“分步迭代-渐次修正”的位置信息和声速信息迭代反演模型，进行海底基准站坐标和扰动声速的渐次修正，从而获得海底基准站的高精度位置信息。本发明结合水下定位实际，提供一种获取海底基准站高精度位置信息的方法。
[0058]
相比于现有技术，本发明的优点进一步包括：
[0059]
本发明结合水下定位实际，构建位置信息和声速信息的迭代估计模型，提供一种顾及声速结构时域变化的海底基准点高精度定位方法。本发明结合水下定位实际，在对声速结构时域变化影响分析的基础上，给出了一种顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法，即“分步迭代-渐次修正”的位置信息和声速信息迭代反演方法，进行海底基准站坐标和扰动声速的渐次修正，有效消除了声速结构变化引起的声速相关系统性误差，利用三次b样条函数良好的局部支撑性更好地刻画扰动声速细节，有效提高了海底基准站定位精度。
[0060]
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
[0061]
本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
[0062]
声速误差是制约海底基准站高精度定位的核心要素，尤其是受复杂、动态海洋环境影响，声速结构存在明显的时域变化特点，如何对声速扰动进行表征和处理是实现海底基准站高精度定位所亟待解决的关键问题。本发明的技术方案顾及了声速结构时域变化，基于三次b样条函数进行声速扰动细节刻画，通过迭代反演的方式进行声速结构误差处理，削弱了海洋声速扰动误差影响，实现了海底基准站的高精度定位。
附图说明
[0063]
图1是本发明实施例提供的顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法流程图；
[0064]
图2是本发明实施例提供的顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法原理图；
[0065]
图3是本发明实施例提供的基于测量船的水声定位示意图；
[0066]
图4是本发明实施例提供的顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法的实现流程图；
[0067]
图5是本发明实施例提供的平均声速剖面及声速变化值示意图；
[0068]
图6是本发明实施例提供的基于三次b样条函数法的声速修正示意图；
[0069]
图7是本发明实施例提供的传统方法和新方法海底站位置解算结果示意图；
[0070]
图8是本发明实施例提供的传统方法和新方法观测值残差统计结果示意图；
[0071]
图9是本发明实施例提供的本发明实施例提供的顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位系统示意图；
[0072]
图中：1、；2、；。本发明的另一目的在于提供一种顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位系统包括：
[0073]
测量概略位置获取模块，用于测量船对海底基准站实施连续观测，获取测量船航迹、海底基准站位置及声速剖面测量概略位置；
[0074]
扰动声速结构反演模块，用于对采集的声速剖面进行数据预处理，采用三次b样条函数法进行扰动声速结构反演；
[0075]
基准站坐标和声速结构渐次修正模块，用于对海底基准站站位置和扰动声速结构进行迭代反演，实现了海底基准站坐标和声速结构的渐次修正。
具体实施方式
[0076]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0077]
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
[0078]
如图1所示，本发明提供的顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法包括以下步骤：
[0079]
s101：从射线声学理论出发，基于声源点与海底基准站本征直达声线模型，以声线传播时间为观测量，遵循snell定律实施分层等梯度声线跟踪，反演解算海底点坐标；
[0080]
s102：构建“分步迭代-渐次修正”的位置信息和声速信息迭代反演模型；
[0081]
s103：对海底基准站坐标和扰动声速进行渐次修正，直至解算结果满足阈值要求，从而求得海底基准站位置和声速结构时域变化。
[0082]
实施例1
[0083]
如图2所示，本发明实施例提供的顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法原理包括：
[0084]
首先基于初始声速剖面，结合声线跟踪基本原理进行海底基准站坐标追踪和位置反演，根据残差信息构建声速扰动模型，实施声速结构反演，判断坐标反演结果和声速结构反演信息是否符合预设阈值，若不符合，更新声速信息，再次进行海底基准站坐标反演，并继续开展声速结构反演，再次进行阈值判断，直至满足阈值，结束迭代反演，输出海底站位置信息。
[0085]
其中，图3是本发明实施例提供的基于测量船的水声定位示意图；
[0086]
实施例2
[0087]
如图4所示，本发明提供的顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法包括以下步骤：
[0088]
s1、从射线声学理论出发，基于声源点与海底基准站本征直达声线模型，以声线传播时间为观测量，遵循snell定律实施分层等梯度声线跟踪，反演解算海底点坐标，具体过程包括以下步骤：
[0089]
s1.1、测量船在海面走航，对海底基准站实施连续观测，采集声呐测时数据、声速剖面数据和gnss数据等等，获取测量船航迹以及声速剖面测量(后3次测量)等数据；
[0090]
s1.2、对采集的声速剖面进行数据预处理，包括声速测量野值剔除、部分声速剖面数据延拓以及相邻同梯度声速层合并，并计算平均声速剖面以及各声速剖面与平均声速剖面的差值；如图5所示。
[0091]
s1.3、实施分层等梯度声线跟踪，反演解算海底点概略坐标。
[0092]
s2、构建“分步迭代-渐次修正”的位置信息和声速信息迭代反演模型，具体过程包括以下步骤：
[0093]
s2.1、首先采用“固定声速-求解位置”方法进行海底站位置反演：
[0094]
第一步，根据泰勒级数线性化原理，将声线跟踪非线性化系统在海底基准站概略坐标处进行线性化，具体为：
[0095]
tr＝f0+a1·
dx
tp
式中，f0为基于海底基准站初始坐标进行声线跟踪所得的传播时间；dx
tp
为海底基准站位置改正量，a1为传播时间关于海底基准站位置求导的系数矩阵，其中，关于平面位置的求导可按照下式基于射线声学基本原理求得，关于z方向的求导可由数值分析方法求得。
[0096][0097]
式中，p为由声线跟踪过程确定的snell常数，亦即声速水平慢度；r为声源点和海底基准站的平面距离，
[0098]
第二步，基于稳健贝叶斯最小二乘估计原理计算海底基准站位置改正数，具体为：
[0099][0100]
式中，p为声呐观测值权矩阵；p
x
为模型参数先验权矩阵；若不考虑模型参数先验信息，即p
x
＝0，该方法退化为经典最小二乘方法；l＝t
r-f0为观测向量；为模型参数先验值。需要指出的是，若有多个测站进行同步解算，可通过循环完成多测站的海底基准站坐标求解。
[0101]
s2.2、其次采用“固定位置-求解声速”方法进行声速结构反演：
[0102]
第一步，规定实际声速结构是参考(背景)声速结构与扰动声速结构的耦合。考虑声速场时域变化，可将声速结构表达如下：
[0103]
v(z，te)＝vr(z)+v
p
(z，te)
[0104]
式中，表示观测时刻序列，v表示忽略水平空间异质性的声速结构，与深度及观测时间有关；vr表示参考声速结构，可取某条实际测量声速剖面或多条实测声速剖面的平均剖面；v
p
表示扰动声速结构；
[0105]
第二步，引入三次b样条函数进行声速结构变化拟合，如图6所示，同时顾及海水上下层声速结构变化差异，即考虑到在声呐观测时间窗口内深水层声速变化的平稳且微弱的特点，将扰动声速根据经验深度设置为分段函数形式。将整个观测时刻序列按照一定时间间隔δt划分为m段。若观测时刻te属于第i段，则其扰动声速结构如下式：
[0106]
[0107]
式中，a表示b样条函数系数；b表示b样条基函数；d表示b样条次数，本文取d＝3；z0表示参考深度，对于深水海域一般经验取值为1000～1600m；ui为单位化观测时刻，计算公式为ui＝(t
e-ti)/δt，δt＝t
i+1-ti。ti、t
i+1
分别为第i段的始、末观测时刻；
[0108]
第三步，将声线跟踪非线性化系统基于参考声速剖面进行线性化，可得下式：
[0109]
tr＝f0+a2·
da
[0110]
式中，声速扰动关于样条系数求导公式可由三次b样条函数求导原理可得；声信号传播时间关于扰动声速求导可参考离散函数求导数值计算公式，如下式所示。
[0111][0112]
式中，k1、k2分别代表声源点和海底基准站所在声速剖面层的索引；ck代表第k层中入射声速值；gk代表第k层中声速梯度值；
[0113]
第四步，基于稳健贝叶斯最小二乘估计原理对声速结构时域变化进行反演。需要指出的是，有多个时间窗口进行解算时，可通过循环完成多窗口的声速结构反演。
[0114]
s3、对海底基准站坐标和扰动声速进行渐次修正，直至解算结果满足阈值要求，从而求得海底基准站位置和声速结构时域变化，具体过程包括以下步骤：
[0115]
第一步，由s2.2得到的声速结构变化量被反馈应用到海底基准站坐标计算中，重新进行海底基准站位置反演；
[0116]
第二步，当坐标增量及声速变化量均在预设的阈值范围内时结束解算，完成海底基准站坐标和扰动声速的渐次修正。
[0117]
实施例3
[0118]
如图9所示，本发明实施例提供一种顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位系统包括：
[0119]
测量概略位置获取模块1，用于测量船对海底基准站实施连续观测，获取测量船航迹、海底基准站位置及声速剖面测量概略位置；
[0120]
扰动声速结构反演模块2，用于对采集的声速剖面进行数据预处理，采用三次b样条函数法进行扰动声速结构反演；
[0121]
基准站坐标和声速结构渐次修正模块3，用于对海底基准站站位置和扰动声速结构进行迭代反演，实现了海底基准站坐标和声速结构的渐次修正。
[0122]
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
[0123]
应用例
[0124]
本发明实施例提供一种顾及声速结构时域变化的海底基准站高精度定位方法包括：
[0125]
从射线声学理论出发，基于声源点与海底基准站本征直达声线模型，以声线传播
时间为观测量，遵循snell定律实施分层等梯度声线跟踪，反演解算海底点坐标，其本质上依照的准则如下：
[0126]
|t
obs-tr|＝min
[0127]
式中，t
obs
表示实际测量的声信号传播时间序列，tr表示根据射线声学原理进行声线跟踪获得的声信号传播时间序列，与声源点、海底基准站坐标及声速结构的关系如下：
[0128]
tr＝f(x
td
，x
tp
，v)
[0129]
式中，f表示声线跟踪非线性映射关系，x
td
＝(x
td
，y
td
，z
td
)表示声源点三维坐标，x
tp
＝(x
tp
，y
tp
，z
tp
)表示海底基准站三维坐标，v表示声速结构。
[0130]
在一优选实施例中，构建基于稳健贝叶斯最小二乘的“分步迭代-渐次修正”反演模型，即“固定声速-求解位置”与“固定位置-估计声速”交替迭代进行，对海底站坐标和声速结构渐次修正，直至解算结果满足阈值要求，从而求得海底基准站位置和声速结构时域变化。
[0131]
在一优选实施例中，所述“分步迭代-渐次修正”反演模型建立与解算方法如下：
[0132]
(1)海底站位置反演
[0133]
海底基准站位置反演主要是采用“固定声速-求解位置”进行。根据泰勒级数线性化原理，将声线跟踪非线性化系统在海底基准站概略坐标处进行线性化，可得下式：
[0134]
tr＝f0+a1·
dx
tp
[0135]
式中，f0为基于海底基准站初始坐标进行声线跟踪所得的传播时间；dx
tp
为海底基准站位置改正量，a1为传播时间关于海底基准站位置求导的系数矩阵，其中，关于平面位置的求导可按照下式基于射线声学基本原理求得，关于z方向的求导可由数值分析方法求得。
[0136][0137]
式中，p为由声线跟踪过程确定的snell常数，亦即声速水平慢度；r为声源点和海底基准站的平面距离，
[0138]
基于稳健贝叶斯最小二乘估计原理，海底基准站位置改正数解算得：
[0139][0140]
式中，p为声呐观测值权矩阵；p
x
为模型参数先验权矩阵；若不考虑模型参数先验信息，即p
x
＝0，该方法退化为经典最小二乘方法；l＝t
r-f0为观测向量；为模型参数先验值。需要指出的是，若有多个测站进行同步解算，可通过循环完成多测站的海底基准站坐
标求解。
[0141]
(2)声速结构反演
[0142]
声速结构反演主要是采用“固定位置-求解声速”。实际声速结构是参考(背景)声速结构与扰动声速结构的耦合。考虑声速场时域变化，可将声速结构表达如下：
[0143]
v(z，te)＝vr(z)+v
p
(z，te)
[0144]
式中，表示观测时刻序列，v表示忽略水平空间异质性的声速结构，与深度及观测时间有关；vr表示参考声速结构，可取某条实际测量声速剖面或多条实测声速剖面的平均剖面；v
p
表示扰动声速结构。通常认为自海水表层至海底层的声速结构变化相同，因此v
p
可在一定时间窗口内表示成关于观测时刻的二次多项式或三次多项式，如下式所示。
[0145]vp
(z，te)＝a0+a1(t
e-t0)+a2(t
e-t0)2[0146]
式中，te为观测时刻，ai(i＝0，1，2)为模型参数，t0为参考时刻。该方法中离散观测时刻对应的声速结构之间没有关联性，故声速结构变化的光滑性降低。需要指出的是，考虑到水声定位作业时间、空间范围，声速剖面变化主要受内波和次中尺度海洋动力过程影响，因而窗口设置可分步进行，即先设置较大窗口，后设置较小窗口，依次对长、短周期扰动声速进行修正。
[0147]
在一优选实施例中，顾及广泛意义上的声速结构时域连续变化的特点，引入三次b样条函数进行声速结构变化拟合。此外，本发明顾及海水上下层声速结构变化差异，即考虑到在声呐观测时间窗口内深水层声速变化的平稳且微弱的特点，将扰动声速根据经验深度设置为分段函数形式。将整个观测时刻序列按照一定时间间隔δt划分为m段。若观测时刻te属于第i段，则其扰动声速结构如下式：
[0148][0149]
式中，a表示b样条函数系数；b表示b样条基函数；d表示b样条次数，本文取d＝3；z0表示参考深度，对于深水海域一般经验取值为1000～1600m；ui为单位化观测时刻，计算公式为ui＝(t
e-ti)/δt，δt＝t
i+1-ti。ti、t
i+1
分别为第i段的始、末观测时刻。
[0150]
与“固定声速-求解位置”同理，将声线跟踪非线性化系统基于参考声速剖面进行线性化，可得下式：
[0151]
tr＝f0+a2·
da
[0152]
式中，声速扰动关于样条系数求导公式可由三次b样条函数求导原理可得；声信号传播时间关于扰动声速求导可参考离散函数求导数值计算公式，如下式所示。
[0153]
[0154]
式中，k1、k2分别代表声源点和海底基准站所在声速剖面层的索引；ck代表第k层中入射声速值；gk代表第k层中声速梯度值；
[0155]
同理，基于稳健贝叶斯最小二乘估计原理，可实现声速结构时域变化反演。需要指出的是，有多个时间窗口进行解算时，可通过循环完成多窗口的声速结构反演。
[0156]
在一优选实施例中，由上述反演得到的声速结构变化量被反馈应用到海底基准站坐标计算中，重新进行海底基准站位置反演，直至坐标增量及声速变化量均在预设的阈值范围内结束解算，完成海底基准站坐标和扰动声速的渐次修正。
[0157]
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0158]
测试采用2019年7月南海“海洋大地测量基准与海洋导航新技术深海综合试验”实测数据，试验区域平均水深约3000m，测量船搭载gnss接收机、高精度姿态传感器、声速剖面仪和海面长基线水声定位系统等设备。试验采用往返多折线走航策略，对海底基准站实施连续观测，采集声呐测时数据、声速剖面数据、gnss数据、姿态数据以及其他传感器数据，按照本发明提供的定位方法进行实验，使用统计传统方法(不施加声速修正)、二次多项式声速修正法(qp法)和本发明提供的三次b样条函数声速修正法(cbs法)进行了解算，然后对比了传统方法和本发明的海底基准站定位精度。
[0159]
如图7所示，测试表明，是否施加声速修正，海底基准站垂直方向坐标变化较为明显；且只有施加准确合适的声速修正，才能不引起平面方向定位精度恶化。因为声速修正不合理，会使得径向测时误差在平面方向的分量或投影不能均衡或抵偿。不加修正的只反演海底基准站坐标的方法，海底基准站三维坐标内符合精度优于10cm，声呐测时观测值所对应的单位权中误差为1.42ms，基于qp法和cbs法进行声速修正方法对声速结构变化进行反演，其对应的单位权中误差分别为0.38ms和0.18ms，海底站三维坐标的内符合精度优于5cm。
[0160]
如图8所示，计算了声呐测时观测值残差的统计特征，包括最大值(max)、均值(mean)、标准差(std)和均方根误差(rms)。从残差绝对值的均值来看，传统法为1.22ms，qp法为0.36ms，cbs法为0.17ms；从残差的均方根误差角度看，传统法、qp法、cbs法分别为1.43ms、0.44ms和0.21ms。不难发现，施加了声速修正的反演模型下，残差的均方根误差值明显变小；较qp声速修正法而言，cbs声速修正法采用的样条函数具有更好的光滑性和连续性，更符合声速结构变化的平稳、连续的实际特点，因而获得了更好的定位效果。
[0161]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实
现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0162]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。