A Joint Adjustment Method with Between-Buoy Baseline Constraint for GNSS/A Underwater Precise Positioning

ZHANG Shimei; WANG Zhenjie; SUN Zhen; NIE Zhixi; LI Weijia

doi:10.13203/j.whugis20220190

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A Joint Adjustment Method with Between-Buoy Baseline Constraint for GNSS/A Underwater Precise Positioning

Geodesy and Navigation | 更新时间：2026-11-05

- A Joint Adjustment Method with Between-Buoy Baseline Constraint for GNSS/A Underwater Precise Positioning
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 50, Issue 3, Pages: 528-534(2025)
- 作者机构：
  
  中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东青岛，266580
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20220190
  CLC： P229
- Received：10 March 2024，
  
  Published：05 March 2025
- 稿件说明：
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张世美,王振杰,孙振，等.附加浮标基线约束的GNSS/A定位联合平差方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(3):528-534.

ZHANG Shimei,WANG Zhenjie,SUN Zhen,et al.A Joint Adjustment Method with Between-Buoy Baseline Constraint for GNSS/A Underwater Precise Positioning[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(3):528-534.
张世美,王振杰,孙振，等.附加浮标基线约束的GNSS/A定位联合平差方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(3):528-534. DOI：10.13203/j.whugis20220190

ZHANG Shimei,WANG Zhenjie,SUN Zhen,et al.A Joint Adjustment Method with Between-Buoy Baseline Constraint for GNSS/A Underwater Precise Positioning[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(3):528-534. DOI：10.13203/j.whugis20220190

摘要

为解决海面换能器位置误差对海底大地控制点定位精度的影响，将海面浮标和海底应答器均作为未知点，并把海面浮标间的基线信息作为约束条件，提出了附加浮标基线约束的GNSS/A（global navigation satellite system/acoustic）定位联合平差方法。首先，利用海面浮标间基线信息构建互测距方程，把海面换能器位置作为虚拟观测，与水下声学测距共同组成联合函数模型进行解算；然后，基于方差分量验后估计理论，对海面浮标位置、声学测距和浮标基线3类观测值进行准确的权重配比；最后，采用模拟数据进行验证。实验结果表明，所提方法的定位精度比传统定位方法提高了17.5%~46.3%，比联合平差方法提高了16.5%~45.8%。

Abstract

Objectives

To mitigate the impact of acoustic transducers' coordinate errors on the positioning accuracy of undersea geodetic control points

an improved joint adjustment method incorporating between-buoy baseline constraints is proposed for global navigation satellite system/acoustic （GNSS/A) underwater precise positioning system integrated with a moored buoy observation system. This method treats both the surface buoy and the seafloor transponder as unknown points

using the mutual ranging information between GNSS buoys as constraints.

Methods

First

the mutual ranging equation is formulated based on the baseline information between buoys

and the positions of the acoustic transducers provided by GNSS positioning are introduced as virtual observations. These are combined with underwater acoustic ranging data to form a joint functional model for solving the equations. Then

to balance the covariance matrices of buoy positions

baseline observations

and acoustic observations

variance component estimation is applied to improved joint adjustment process. This step accurately determines the weight matrices for the three types of observations. Finally

the proposed method is verified using simulation data.

Results

Experimental results indicate that the proposed method significantly enhances the positioning accuracy of seafloor transponders. The positioning accuracy is improved by 17.5% to 46.3% compared with the conventional positioning method

and by 16.5% to 45.8% compared with the joint adjustment method.

Conclusions

The simulation results further demonstrate that the proposed method outperforms the other two methods

showcasing its superior performance in undersea geodetic control point positioning.

关键词

Keywords

references

刘经南，陈冠旭，赵建虎，等 . 海洋时空基准网的进展与趋势［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2019 ， 44 （ 1 ）： 17 - 37 .

LIU Jingnan ， CHEN Guanxu ， ZHAO Jianhu ， et al . Development and Trends of Marine Space-Time Frame Network ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2019 ， 44 （ 1 ）： 17 - 37 .

齐珂，曲国庆，苏晓庆，等 . 水下声呐定位浮标阵列解析优化［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2019 ， 44 （ 9 ）： 1312 - 1319 .

QI Ke ， QU Guoqing ， SU Xiaoqing ， et al . Analytical Optimization on GNSS/Sonar Buoy Array Deployment for Underwater Positioning ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2019 ， 44 （ 9 ）： 1312 - 1319 .

程世来，张小红 . 基于PPP技术的GPS浮标海啸预警模拟研究［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2007 ， 32 （ 9 ）： 764 - 766 .

CHENG Shilai ， ZHANG Xiaohong . Simulation of Tsunami Forecasting with GPS Buoy Using PPP Technology ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2007 ， 32 （ 9 ）： 764 - 766 .

马越原，曾安敏，许扬胤 . 圆走航模式下海底控制点对称差分定位模型及分析［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 7 ）： 1155 - 1165 .

MA Yueyuan ， ZENG Anmin ， XU Yangyin . Symmetric Difference Positioning Model and Analysis of Sailing Circle Mode of Seafloor Control Points ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 7 ）： 1155 - 1165 .

杨元喜，刘焱雄，孙大军，等 . 海底大地基准网建设及其关键技术［J］. 中国科学：地球科学， 2020 ， 50 （ 7 ）： 936 - 945 .

YANG Yuanxi ， LIU Yanxiong ， SUN Dajun ， et al . Seafloor Geodetic Network Establishment and Key Technologies ［J］. Scientia Sinica （Terrae）， 2020 ， 50 （ 7 ）： 936 - 945 .

CHEN G X ， LIU Y ， LIU Y X ， et al . Improving GNSS-Acoustic Positioning by Optimizing the Ship’s Track Lines and Observation Combinations ［J］. Journal of Geodesy ， 2020 ， 94 （ 6 ）： 61 .

SATO M ， FUJITA M ， MATSUMOTO Y ， et al . Improvement of GPS/Acoustic Seafloor Positioning Precision Through Controlling the Ship’s Track Line ［J］. Journal of Geodesy ， 2013 ， 87 （ 9 ）： 825 - 842 .

赵爽，王振杰，吴绍玉，等 . 基于选权迭代的走航式水声差分定位方法［J］. 石油地球物理勘探， 2017 ， 52 （ 6 ）： 1137 - 1145 .

ZHAO Shuang ， WANG Zhenjie ， WU Shaoyu ， et al . A Ship-Board Acoustic Difference Positioning Method Based on Selection Weight Iteration ［J］. Oil Geophysical Prospecting ， 2017 ， 52 （ 6 ）： 1137 - 1145 .

蔡艳辉，杨新红 . 差分GPS水下定位系统的解析法分析［J］. 大地测量与地球动力学， 2008 ， 28 （ 6 ）： 101 - 106 .

CAI Yanhui ， YANG Xinhong . Underwater Positioning System’s Baseline Network Analyzing Based on Analytical Method ［J］. Journal of Geodesy and Geodynamics ， 2008 ， 28 （ 6 ）： 101 - 106 .

XU P L ， ANDO M ， TADOKORO K. Precise ， Three-Dimensional Seafloor Geodetic Deformation Measurements Using Difference Techniques ［J］. Earth， Planets and Space ， 2005 ， 57 （ 9 ）： 795 - 808 .

XIN M Z ， YANG F L ， LIU H ， et al . Single-Difference Dynamic Positioning Method for GNSS-Acoustic Intelligent Buoys Systems ［J］. Journal of Navigation ， 2020 ， 73 （ 3 ）： 646 - 657 .

刘慧敏，王振杰，赵爽 . 深度约束的浅海多目标声学定位方法［J］. 石油地球物理勘探， 2019 ， 54 （ 6 ）： 1181 - 1187 .

LIU Huimin ， WANG Zhenjie ， ZHAO Shuang . A Depth-Constraint Multi-target Positioning Acoustic Approach in Shallow Waters ［J］. Oil Geophysical Prospecting ， 2019 ， 54 （ 6 ）： 1181 - 1187 .

赵建虎，邹亚靖，吴永亭，等 . 深度约束的海底控制网点坐标确定方法［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2016 ， 48 （ 10 ）： 137 - 141 .

ZHAO Jianhu ， ZOU Yajing ， WU Yongting ， et al . Determination of Underwater Control Point Coordinate Based on Constraint of Water Depth ［J］. Journal of Harbin Institute of Technology ， 2016 ， 48 （ 10 ）： 137 - 141 .

孙文舟，曾安敏，赵翔 . 顾及参考深度误差的海底控制点迭代算法［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 2 ）： 324 - 330 .

SUN Wenzhou ， ZENG Anmin ， ZHAO Xiang . Iterative Algorithm of Seafloor Control Points Positioning Taking Reference Depth Error into Account ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 2 ）： 324 - 330 .

王振杰，刘慧敏，杨慧良，等 . 基于垂直约束的深海拖曳系统USBL/DVL组合导航算法［J］. 中国惯性技术学报， 2019 ， 27 （ 5 ）： 670 - 676 .

WANG Zhenjie ， LIU Huimin ， YANG Huiliang ， et al . USBL/DVL Integrated Navigation Algorithm for Deep-Sea Towing System Based on Vertical Constraints ［J］. Journal of Chinese Inertial Technology ， 2019 ， 27 （ 5 ）： 670 - 676 .

ZHAO S ， WANG Z J ， NIE Z X ， et al . Investigation on Total Adjustment of the Transducer and Seafloor Transponder for GNSS/Acoustic Precise Underwater Point Positioning ［J］. Ocean Engineering ， 2021 ， 221 ： 108533 .

TRAN D T ， NGUYEN D H ， LUONG N D ， et al . Impact of the Precise Ephemeris on Accuracy of GNSS Baseline in Relative Positioning Technique ［J］. Vietnam Journal of Earth Sciences ， 2020 ， 43 （ 1 ）： 96 - 110 .

赵爽，王振杰，刘慧敏 . 顾及声线入射角的水下定位随机模型［J］. 测绘学报， 2018 ， 47 （ 9 ）： 1280 - 1289 .

ZHAO Shuang ， WANG Zhenjie ， LIU Huimin . Investigation on Underwater Positioning Stochastic Model Based on Sound Ray Incidence Angle ［J］. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica ， 2018 ， 47 （ 9 ）： 1280 - 1289 .

崔希璋，於宗俦，陶本藻，等 . 广义测量平差［M］. 武汉：武汉大学出版社， 2009 .

CUI Xizhang ， YU Zongchou ， TAO Benzao ， et al . Generalized Survey Adjustment ［M］. Wuhan ： Wuhan University Press ， 2009 .

武矿超，申文斌，李立弘 . GNSS频移法测定重力位研究进展与展望［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 11 ）： 2037 - 2050 .

WU Kuangchao ， SHEN Wenbin ， LI Lihong . Advances and Prospects in Gravity Potential Determination Based on the GNSS Frequency Shift Approach ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 11 ）： 2037 - 2050 .

黄维彬 . 近代平差理论及其应用［M］. 北京：解放军出版社， 1992 .

HUANG Weibin . Modern Adjustment Theory and Its Application ［M］. Beijing ： The People’s Liberation Army Press ， 1992 .

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