AUV波阵面水声精确定位
AUV水声导引定位回收技术研究
设应 答器的坐标为 Ｔ ｘ ， ， ４ （，ｚ 有 个水 听器 ， ２ 位于边长 Ｙ） Ｔ， ， Ｔ 为 ２ ，ｂ ａ ２ 的矩形顶点 ，设它们与应答器之 间的距离 分别 为 Ｒ ， ： ， ２ 短 基 线 声 纳 导 引定 位 系统 ， Ｒ Ｒ。 ４如图 １ 所示 。 水声导引定位系统即短基线声纳 导引定 位系统在 Ａ Ｖ回收中的 Ｕ 安装及导引定位示意图如下图所示 ：
、
＝
＝
Ｒ ＝６ ： ４， ，
解为： ：
（ ７ 尺坷４４ ， １） ３ ｚ６ － ｚ ： ，
（８ １） —
０９ －）
向与回收平 台艏 向的夹角 。
６ａ
２ ２ ２ ２
８ ６
（－ Ｏ １ ｌ）
位 系统原理Ｐ 提出了一种基 于短基线水声定位的方法 该短 基线系 距离 Ｒ ｌ 设 中心的问答器与应答器 的信号往返时间为 Ｔ， ｎ问答 器到应答器 统 由安装在 Ａ Ｖ各水听器的信号传 输时间为 ｔ则有 ： ； ，
１ 短基线水声定位系统原理
随 着 海 洋 资 源 的 开 发 。无 人 潜 航 器 （ｕ ｎ ｍ ｕ Ｕ ｄ ｒａ ｒ Ａ ｔ ｏ ｏ ｓ ｎｅｗ ｔ ｏ ｅ ； 一 ）（ ６ ］ （ ， ） 一， 一 （ １ １４ —） Ｖ ｈ ｌ， ｅｉｅ简称 Ａ Ｖ技 术越来越受到人们 的关注ｉ在最 近几年 中得到 ｃ Ｕ） ｌ １ ． 了迅速发展。尤其是为满足应用需求 ， Ａ Ｖ在水下的作业时间 、 对 Ｕ 作 利用 ４ 个值的平均可得到深度的均 值， ； — ＂２ｇ＂４ （ １） 即， ｇ— ～Ｉ １ ５ ＝ ｌ ＂ ３Ｚ ｌ＋ ＇ ＇ ￣ ＂ — 业内容 和续航 能力提 出了更高 的要求 。由于 Ａ Ｖ在水下的活动时间 Ｕ 若 只收到 ３ 个信号 ， 例如 １２３ ，， 号收到信号 ， 只能利用 式（－ ） 则 １１ 主要受 自 携带 的能源 的限制 。 Ａ Ｖ完成 某一任务后 ． 身 当 Ｕ 通常需要 回 １３ 求解 。 收到母 艇 ， 以便补充 能源 、 回放数据和下 载新的使命任务 。因此近几 和式 （－ ） 年 ，Ｕ Ａ Ｖ水下 回收 技术成 为 Ａ Ｖ的研究前 沿 和关键 技术 之一 。当 Ｕ 此时 ： ： （— ６ １ １） ｙ ： （— ７ １ １） Ａ Ｖ在大深度海底工作时 ，Ｕ Ｕ Ａ Ｖ的布放与 回收相当困难 。 若作业海域 海况较差 ， 回收过程会增加一定的风险。 为了提高水下作业时间 、 工作 深度均值可用 ３ 个值 得到， ： — ＂ Ｚ 即 ； Ｚ—２ ３ ＝ １Ｚ－ ｔ一 ＇ｔ － （ １） １ ８ － 效率 和降低风险 ， 国科学家研究出了不 同结构 、 各 形状各异 的 Ａ Ｖ水 Ｕ ｊ 下 回收系统日 。 解出的位置是相对 于船坐标 系的 采用应答器 时 ， 了解得 应答 器位置 ｘ ， 首要任 务是确定各个 为 ＇ｚ Ｙ， 为了提高 Ａ Ｖ水下回收定位 的准确 度 ，本文依据 短基线水声定 Ｕ
水声阵列基础实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解水声阵列的基本原理和组成。
2. 掌握水声阵列的布设方法和数据采集技巧。
3. 学习水声信号的接收、处理和分析方法。
4. 培养实验操作能力和数据分析能力。
二、实验原理水声阵列是一种利用水声波进行信息传输和探测的设备。
它由多个水声换能器（接收器和发射器）组成，通过合理布设和信号处理，可以实现对水下目标的探测、定位和通信。
三、实验仪器与设备1. 水声换能器：发射器和接收器。
2. 水声信号处理器：用于信号接收、处理和分析。
3. 实验水池：用于模拟水下环境。
4. 数据采集设备：用于记录实验数据。
四、实验步骤1. 水声阵列布设a. 根据实验需求，确定阵列的形状和尺寸。
b. 将水声换能器按照设计要求布设在水池中。
c. 确保所有换能器之间的距离和角度符合实验要求。
2. 信号发射与接收a. 使用发射器向水池中发射水声信号。
b. 使用接收器接收水声信号。
c. 记录接收到的信号数据。
3. 信号处理与分析a. 对接收到的信号进行滤波、放大等预处理。
b. 使用相关分析方法计算信号之间的时间差和强度差。
c. 根据时间差和强度差计算目标的距离和方位。
4. 实验结果分析a. 分析实验数据，验证水声阵列的探测性能。
b. 对实验结果进行总结和讨论。
五、实验结果与讨论1. 实验结果通过实验，成功布设了水声阵列，并接收到了水声信号。
通过信号处理和分析，得到了目标的距离和方位信息。
2. 讨论a. 实验结果表明，水声阵列可以有效探测水下目标。
b. 实验过程中，信号噪声对探测结果有一定影响。
c. 需要进一步优化水声阵列的布设和信号处理方法，以提高探测精度。
六、实验总结1. 通过本次实验，掌握了水声阵列的基本原理和实验方法。
2. 学会了水声信号的接收、处理和分析技巧。
3. 提高了实验操作能力和数据分析能力。
七、参考文献[1] 张三，李四. 水声阵列技术[M]. 北京：科学出版社，2018.[2] 王五，赵六. 水声信号处理与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2019.[3] 李七，刘八. 水声探测技术[M]. 北京：电子工业出版社，2020.第2篇一、实验目的1. 理解水声阵列的基本原理和组成。
水声技术船载水声定位系统自动校准技术研究
水声技术▏船载水声定位系统自动校准技术研究船载水声定位系统不受试验水域和具体水下地理环境的限制，具有较好的灵活性和便捷性，在水下目标定位跟踪及导航领域得到了广泛应用。
当前船载水声定位系统，多采用超短基线和短基线形式。
利用水声定位原理，实时获得水下目标相对于船载基阵的位置信息，再结合船只当前的全球定位系统(GPS)/北斗定位系统的定位信息，以及船载基阵的姿态等相关信息进行坐标转换获得水下目标的绝对坐标信息；利用水声通信原理实现水下目标的遥测、遥控以及水下导航等功能。
由于船载式水声定位系统存在基阵坐标系、船只坐标系、大地坐标系等多个坐标系的转换，其水声定位导航的精度直接与坐标系的转换相关。
因此，船载水声定位系统在安装完成后，需要进行校准，获得不同坐标系之间的坐标偏移参数，经过修正后才能实现水声定位及导航等功能，才能确保其定位与导航精度。
常规需重新安装的水声定位系统无论是采用动态还是静态校准方式，均存在校准工作量较大、经济性差、准备时间过长等不足。
虽然国内外进行了多种方法的研究和测试，在动态校准的基础上提出了静态校准的实施方法，但均需要人工跑船或静态吊放声源进行比对校准。
特别是在需要反复拆装船载基阵的工程应用上，每次船载基阵安装后均需进行适应性校准，试验效率较低，且用户使用成本较高。
如能研制一种无需人工校准的船载水声定位系统，将大大提高工作效率，降低人工操作的复杂度，提高用户满意度。
一、船载水声定位系统船载式水声定位跟踪系统[4]主要由湿端设备、信号处理设备、信标等三部分组成。
其中湿端设备包括声学基阵(船载短基线阵，由5元组合换能器构成)、水密电子舱、电子组件等设备；信号处理设备包括模拟信号处理、数字信号处理、数据处理显控、航姿测量、系统供电等设备；信标安装在水下目标上，为系统提供定位信标信号，由信号产生组件、功放组件、组合换能器和内置电池等组成。
系统工作示意图如图1所示。
图1 船载水声定位跟踪系统示意图如图1所示，船载短基线阵通过工作母船上的开放式水槽进行布放，利用刚性连接杆与基阵固定连接。
6水下声标定位(第六章)讲解
第六章水下声标定位水声定位系统是用于测定水下或水面运载工具位置的定位系统。
水声定位系统利用超声波传播信号，具有的方向性好、贯穿能力强的特点。
水声定位系统有三种工作方式：长基线系统、短基线系统和超短基线系统。
6.1 水声定位基础6.1.1 水声定位的基本设备水声定位系统通常由船台设备和若干水下设备组成。
船台设备包括一台具有发射、接收和测距功能的控制、显示设备和置于船底的换能器（也可置于船后的“拖鱼”内）以及水听器阵。
水下设备主要是声学应答器基阵。
所谓基阵，即固设于海底的位置已准确测定的一组应答器阵列。
水声定位系统中有关电子设备的电路工作原理与一般电子线路相同，在此不予赘述。
下面仅简要介绍系统中的水声设备。
换能器是一种声电转换器，能根据需要使声振荡和电振荡相互转换。
为发射（或接收）信号服务，起着水声天线的作用，如经常使用的磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器。
磁致伸缩换能器的基本原理是当绕有线圈的镍棒（通电）在交变磁场作用下会产生形变（振动）而产生声波，电能转变成声能；而磁化了的镍棒在外力（声波）作用下产生形变（振动），从而使棒内的磁场也相应变化，而产生电振荡，声能转变为电能。
水听器本身不发射声信号，只是接收声信号。
通过换能器将接收的声信号转主成电信号。
输入船台或岸台的接收机中。
应答器既能接收声信号，而且还能发射不同于所接收声信号频率的应答信号。
它是水声定位系统的主要水下设备。
它也能作为海底控制点的照准标志（称为水声声标）。
6.1.2 水声定位系统的基本定位方式水声定位系统通常有两种定位方式，即测距和测向。
一、测距水声测距定位原理如图6—1所示。
它由船台发射机通过安置于船底的换能器M向水下应答器P（位置已知）发射声脉冲信号（询问信号），应答器接收该信号后即发回一应答声脉冲信号，船台接收机记录发射询问信号图6—1和接收应答信号的时间间隔，通过下式即可算出船至水下应答器之间的距离（斜距）： Ct D 21=（6—1） 由于应答器的深度Z 已知，于是，船台至应答器之间的水平距离S 可按下式求出： 22Z D S -=（6—2）当有两个水下应答器，则可获得两条距离，以双圆方式交会出船位。
主被动声波阵列信号探测及定位
主被动声波阵列信号探测及定位声波阵列信号探测及定位是一种利用声波信号进行目标探测和定位的技术方法。
它主要通过声波在空气或水中传播的特性，通过主动发射或被动接收声波信号，实现对目标位置和特征的探测。
声波阵列系统由多个声源和接收器组成，其中声源可以主动发射声波信号，而接收器可以接收来自目标或其他源的声波信号。
通过将多个声源和接收器分布在空间中的不同位置，声波信号在传递过程中的延迟和强度变化可以提供目标位置和特征的信息。
在主动声波阵列信号探测中，系统通过控制声源发射声波信号，并通过接收器接收回波信号，从而分析回波信号的时延和幅度变化，以确定目标位置。
通过计算声波信号的传播速度和控制声源的发射时刻，可以精确计算目标距离。
此外，目标在声波传播过程中的散射情况也可以提供目标的特征信息，如形状、表面特性等。
被动声波阵列信号探测则是基于接收来自目标或其他源的声波信号进行目标定位。
由于目标本身会散射声波信号，通过分析接收到的声波信号的到达时间差和幅度变化，可以确定目标的位置和特征。
被动声波阵列信号探测通常不需要发射声波信号，因此对目标的隐蔽性较好。
在实际应用中，主被动声波阵列信号探测及定位技术有着广泛的应用，尤其在海洋探测、水声通信和目标定位等领域。
在海洋探测中，声波阵列技术可以用于定位和追踪潜艇、水雷等水下目标；在水声通信中，声波阵列技术可以提高通信质量和距离；在目标定位中，声波阵列技术可以用于定位飞机、船只等目标。
然而，声波在传播过程中存在一些限制和挑战。
首先，声波信号的传播速度与介质有关，而介质的性质又会影响声波信号的衰减和散射。
其次，噪声和干扰对声波信号的传输和接收可能产生影响，降低探测和定位的准确性。
此外，多径效应和多目标问题也是声波阵列探测和定位中需要克服的技术难题。
为了解决以上问题，声波阵列技术可以与其他传感器技术相结合，如雷达、红外、电磁等，实现多模态的目标探测和定位。
不同传感器的组合可以提供更全面和准确的目标信息，并具有互补优势。
超短基线水声定位课件
超短基线（USBL）主要用户——水下打捞与救助系统
• 中国交通下属海事局、救助打捞局以及文物考古所等。
如海底沉船、失事飞机残骸的搜索打捞作业中必须动用ROV或AUV对失事区域进行大范围 搜索，同样需要水声定位系统，水声定位系统可监测引导ROV/AUV 的行进路线。
蛟龙号上使用的长基线定位系统
超短基线（USBL）主要用户——水下工程施工
水声定位产品在水下铺排定位的应用
• RTKGPS参考站
水声定位产品在水下铺排定位的应用
• 水下应答器定位结果：
x 3508773.077
x 3508772.986
高斯投影平面坐标对比 RTKGPS参考值： y 12075.115 测量值: y 12075.535
h 19.905
h 19.252
水声定位产品在水下铺排定位的应用
应答器编号 33 31 40
x（米） 3466136.744 3466109.662 3466118.658
y（米） 384922.491 384908.772 384960.271
第一张排布上应答器的高斯投影平面坐标
水声定位产品在水下铺排定位的应用
实际施工后测量 第二张排布测量结果 3月7日下午2点施工，至晚上8点完成施工，排上放置5个应答器 （编号为3,23,28,42,46）。 第二天上午进行测量，5个应答器全部正常应答，测量结果如下：
水声定位产品在水下铺排定位的应用
铺排过程中，采用超短基线定位模式， 对排体位置进行实时跟踪，指导施工。
排布铺设完毕后，采用长基线定位模 式，对排体在水下的最终位置进行高 精度定位检测，定位精度达到0.5米以 内。
水声定位产品在水下铺排定位的应用
• 用于铺排作业定位的 抛弃型应答器
AUV 精确定位技术研究
AUV 精确定位技术研究AUV（Autonomous Underwater Vehicle）是一种自主水下机器人，通常用于水下勘探、海底地形测绘、救援等领域。
在大海深处，AUV需要具备高精度的定位能力，以确保它能够到达指定的目的地、避开海底障碍物并完成任务。
因此，精确定位成为AUV技术研究的重要方向之一，本文将从多个方面探讨这一主题。
一、定位技术概述AUV定位技术有很多种，主要包括声纳定位、惯性导航定位、星导航定位、视觉技术定位等。
不同的定位技术在应用场景和准确度上存在差异，下面将分别介绍各种定位技术的优缺点。
声纳定位：是指通过声波在水中的传播来测量声源与接收器的距离、方向等信息，从而确定AUV当前的位置。
该技术准确度较高，但受到海水温度、盐度、流速等自然因素的影响较大，同时声纳在水下环境中易受到噪声干扰，应用范围受限。
惯性导航定位：是通过安装陀螺仪和加速度计等传感器设备，记录AUV运动状态和姿态信息，进而实现定位。
该技术可以在水下环境中独立作业，定位准确度较高，但会受到累计误差的影响，需要不断地进行误差补偿。
星导航定位：是通过信号接收器接收卫星发射的信号，进行测量和计算，得出AUV的位置信息。
该技术定位准确度高，应用范围广，但在水下环境中受到信号衰减、多径效应等影响，无法实现精确的三维定位。
视觉技术定位：是通过安装相机等光学设备，对水下环境进行拍照或录像，利用图像处理算法进行位置估计，实现定位。
该技术可以实现高精度的三维定位，但在水下环境中，光线传播受限，画面模糊、失真等问题需要克服。
二、精确定位技术综合应用AUV精确定位技术变革发展迅速，但不同的技术往往需要相互协作，以实现更高水平的精度和可靠度。
在大海深处，声纳定位和惯性导航定位是一种应用广泛的组合，可以通过安装两个或多个声纳和多传感器，使用卡尔曼滤波等算法，来实现高精度的三维定位。
这种组合可以在精度和成本之间找到一个比较好的平衡点，可以满足各种应用场景的需求。
水声定位算法
水声定位算法之1 —CBF波束形成一、引言目前世界各大国都致力于水下目标定位技术的研究，采用声纳进行水下目标定位可分为主动法和被动法。
主动法声纳本身要发射声波,它把接收目标的反射波作为检测与检估计的基础。
被动法声纳本身不发射声波，它依靠目标辐射的声波作为检测和估计的基础。
被动声纳在侦察过程中隐蔽性好,不向外发波,不易被敌发现，水下连续工作时间长等特点，在实际环境建设中起到的作用越来越大。
在我国,主动声纳仍然是目前海军的主力水声设备，但主动声纳存在隐蔽性差的缺点，所以必须大力研究被动声纳探测定位技术。
对被动声定位的研究主要是对波束形成算法的研究。
波束形成大致可分为两类:传统波束形成和自适应波束形成。
波束成形源于自适应天线的一个概念。
接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，成形所需的理想信号。
从天线方向图视角来看，这样做相当于成形了规定指向上的波束。
在水声环境中，接收阵元接收信号信噪比低，不利于水声定位精度的提升，而利用波束成形技术，可以抵消干扰，提高接收信噪比。
二、系统结构水声定位是使用声波对水下目标进行定位的技术。
使用水声定位对水下目标进行定位时，定位信号发送时间可以由同步信标或者应答器得到，并与声速相乘可得到两者之间的距离。
而目标的方位则要通过计算声信号到达不同声传感器阵元的时间延迟或者相位延迟来估计。
水声定位的系统结构如图1所示，其定位过程如下：1）接收阵列：整个信号接收模块由若干个子阵组成，各个子阵接收待处理的水声信号，每个子阵包含一定数量的水听器基元。
图1 水声定位系统结构2）波束成形：进行波束成形处理成形阵列的空间指向性，从而达到对接收信号进行空域滤波的目的，获得空间处理增益，提高信噪比，改善测向的精度。
3）方位估计：各个子阵的输出信号送入到后端的信号处理单元，由线列阵测向算法进行波达方位的估计。
三、波束形成波束成形将一定几何形状排列的水听器输出信号经过加权处理，形成空间指向性。
AUV引导对接中声学定位算法研究
AUV引导对接中声学定位算法研究近年来,自主式水下潜器在海底矿产资源的探测开发、水文信息观测采集、水下设备打捞等方面发挥着重要作用。
随着水下潜器在实际工程中的逐步应用,其自身续航能力不足的问题也日益凸显。
因此,目前普遍采用潜器与水下对接站对接的方式,实现潜器的能量补给与数据交互。
为了保证潜器与平台间的成功对接,本文围绕对接过程中的引导定位方法和轨迹修正方法进行分析研究。
针对现有对接模式无法同时满足实时性、短时长、含姿态三个需求的问题,本文提出了一种单基元接收对接模式,通过采用对接平台发送多路信号,潜器上单个基元接收的方式实时获取潜器与平台间相对位置,为导航控制系统提供可靠保障。
基于此定位方法对多路传输信号间应具有正交性的要求,采用COSTAS跳频信号作为系统声学传输信号完成定位。
并对此对接模式下的两种工作模式进行仿真分析,比较两种工作模式的优缺点以及不同环境下的定位性能,选定分时发送工作模式完成引导定位。
针对对接平台对潜器运动轨迹容错率较小的问题,本文基于扩展卡尔曼滤波和交互式多模型算法,结合位置、速度、斜距的量测信息建立轨迹修正模型,可适应对接过程中可能出现的时延信息缺失情况和机动轨迹情况。
针对对接过程中的典型弱机动轨迹“匀直-转弯-匀直”,算法设计采用基础运动学模型和机动变化模型相结合的方式构建模型集。
同时,通过采用动态更新Markov转移矩阵的方式修正模型概率,优化算法滤波性能。
该算法可在仅检测到一路时延信息时进行有效定位,且在150m的工作范围内,当子模型参数匹配时将轨迹定位精度由3.15m提高至1.06m;当子模型参数不匹配时将轨迹定位精度由3.15m提高至1.13m。
最后在引导定位方法和轨迹修正方法基础上,进行水池和湖上试验数据处理。
水池定点试验结果表明,分时发送工作模式下的定位偏差结果和定位精度结果均优于同时发送工作模式。
湖上试验结果表明,轨迹修正方法可以在仅获取一轴时延的情况下估计目标位置,提高算法定位有效率。
一种稳健的AUV水声跳频通信系统同步检测方法
电子质量2018年第06期(总第375期)一种稳健的A U V水声跳频通信系统同步检测方法A Robust Synchronous Detection Method for AUV Underwater Acoustic FH CommunicationSystem董继刚，姜玥(中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛266555)D〇ngJi-gang,JiangYue(The 41st Research Institute of CECT,Shandong Qingdao 266555)摘要:可靠的同步检测技术是A U V水声通信系统稳定工作的前提，针对非平稳噪声环境下，传统拷贝相关检测器虚警率高，稳定性差的问题，该文给出了一种稳健的同步检测方法，该方法利用分数阶傅立叶变换和拷贝相关器构造联合检测器，实现L F M信号的多参数联合判决。
仿真结果表明，基于该方法的A U V水声通信同步系统，在非平稳噪声环境下，具备更好的抗干扰性能，同步检测概率显著提高。
关键词:水声通信;同步检测;分数阶傅里叶变换;非平稳噪声中图分类号:TN929.3 文献标识码:A 文章编号：1003-0107(2018)06-0014-05Abstract: The reliable synchronization detection technology is the precondition for the stable work of AUV underwater acoustic com munication system.ln view of the high false alarm rate and poor stability of traditional MFdetector in non—stationary noise environment,in this paper a robust synchronization detection method is presen—ted.The method uses FRFT and MF to construct a joint detector.The multi param eter joint decision of the LFMsignal is presented.The simulation results show that the AUV underwater acoustic com munication synchronization system based on this method has better anti-jam m ing performance in the non-stationary noise environ-ment,and the synchronous detection probability is greatly improved.Key words: Underwater Acoustic Communication;Synchronization Detection;FRFT;Non-stationaryNoiseCLC number: TN929.3 Docum ent code: A Article ID： 1003-0107(2018)06-0014-05〇引言线性调频信号具有良好的自相关性能，水声通信系 统通常使用其作为同步信号，利用拷贝相关器进行同步 信号的检测。
水声定位基本原理与发展趋势
一、水声定位技术简介自从1912年在美国出现了第一台水声测深仪以后，开始有了水声助航设备。
二战中，对水下目标的探测和测量受到了重视，并在战后得到了迅速的发展。
1958年，美国华盛顿大学应用物理实验室在达波湾建成了三维坐标跟踪水下武器靶场。
这种水下定位跟踪技术在六十年代后期得到广泛应用，成为鱼雷靶场的主要测试方法。
迄今为止，国内外水下武器靶场使用的水下定位跟踪系统有多种类型，按其安装方式可分为固定式跟踪系统、活动式(船载)跟踪系统和轻便式跟踪系统。
固定式跟踪系统的水下测量设备大多数固定在海底，其范围大、费用高，只能在固定海区使用；活动式跟踪系统的全部设备都固定安装在活动平台上，试验时随活动平台开往试验海区；轻便式跟踪系统的体积和重量相对较小，可以随时布放和回收，并可通过飞机、车辆和船只从一个试验区运送到另一个试验区。
这三种水下定位跟踪系统虽然在结构上有较大差别，但在原理上均是依赖于几何原理的水声学定位方法。
根据接收基阵的基线可以将水声定位技术分为三类：长基线(LongBase-Line)、短基线(Short Base-Line)、超短基线(Ultra Short Base-Line)。
表1.1列举了这三种水声定位技术的典型基线长度。
目标声源到各个基元间的距离确定目标的位置。
短基线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米的量级，利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的时间差，解算目标的方位和距离。
超短基线定位系统的基阵长度一般在几个厘米到几十厘米的量级，它与前两种不同，利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。
若按照工作方式来划分，以上三种定位系统都可以选择使用同步信标工作方式或应答器工作方式。
采用同步信标工作方式，要求在待测目标或测量船上都安装高精度同步时钟系统，信标按规定的时刻定时发射信号，并据此确定目标位置。
应答器工作方式要求在应答和测量船上都安装询问(应答)发射机和接收机。
通常所说的水声定位系统所测得的目标位置统)结合起来进行坐标变换，就能得到水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。
水声定位的原理与应用
水声定位的原理与应用1. 引言水声定位是一种利用水中传播的声波进行目标定位的技术。
其原理基于声波在水中的传播特性以及目标反射、散射声波的物理效应，因此在海洋科学研究、海洋工程、海洋资源开发等领域有广泛的应用。
本文将介绍水声定位的原理和其在不同领域中的应用。
2. 原理水声定位基于声波在水中传播的特性，通过测量声波的传播时间和方向来确定目标的位置。
主要原理包括声速测量、时间差测量和方位角测量。
2.1 声速测量声速是水声定位的重要参数，它受到水温、盐度和压力等因素的影响。
通过测量声速可以校正和修正声波传播时间，从而提高定位的精度。
2.2 时间差测量时间差测量是水声定位中常用的测距方法。
通过在不同位置接收到声波的时间差来计算目标与接收器之间的距离。
常用的时间差测量方法包括单次时间差测量、双次时间差测量和多次时间差测量。
2.3 方位角测量方位角测量用于确定目标相对于接收器的方向。
通过接收到声波的信号强度和相位差等信息来计算目标的方位角。
常用的方位角测量方法包括声强比较法、相位差法和多基站测量法。
3. 应用水声定位在海洋科学研究、海洋工程和海洋资源开发等领域有广泛的应用。
3.1 海洋科学研究水声定位在海洋科学研究中用于测量海洋中的生物群落、底质和水柱的属性。
通过定位获取的位置信息，科学家可以研究海洋生态系统的动态变化、物种分布和迁徙规律。
3.2 海洋工程水声定位在海洋工程中用于定位和追踪海底设施，如海洋油井、海底电缆和海洋观测设备。
通过精确的定位信息，工程师可以进行维护、修复和调整工程设施，提高工作效率。
3.3 海洋资源开发水声定位在海洋资源开发中用于勘探和开采海底油气资源、矿产资源和生物资源。
通过准确的目标定位，可以提高资源开发的效率和收益，并减少对海洋环境的影响。
4. 总结水声定位是一种利用水中传播的声波进行目标定位的技术，其原理基于声波在水中的传播特性以及目标反射、散射声波的物理效应。
水声定位在海洋科学研究、海洋工程和海洋资源开发等领域有广泛的应用。
水声定位导航概述
1 传统的导航手段 （1）路标导航 路标导航是利用罗经、测距仪及六分仪测定路 标的方位（船与路标连线与船舶所在子午线的夹 角）、距离或水平夹角等决定船舶位置的导航过 程。 （2）天文导航 天文导航是利用六分仪测定天空中具有一定 规律的天体（星、太阳、月亮）决定船舶位置进 行导航的过程。 （3）传统导航手段的特点 传统的导航手段只能在天气良好的条件下， 物标或天体的能见度良好时才能适用，而且观测 繁杂、速度慢、精度差。
8.4 水声定位与导航技术简介
水声定位与导航技术大体分为三类：水声定位技术、载 体声学测速技术和海底地形地貌测量技术。 8.4.1 水声定位系统 水声定位系统主要指可用于局部区域精确定位与导航的 系统。水声定位系统分为：长基线系统、短基线系统和超 短基线系统。 水声定位系统都有多个基元（接收器或应答器），这些 基元间的连线成为基线。
8.1 定位与导航概述
1 什么是定位与导航 定位与导航可以简单归结为怎样回答下面三个 问题： （1）我在什么地方？（2）我要到哪去？（3） 我怎样去那里？回答这三个问题必须要有一个参 照，也就是一个坐标系统，如以国家大地基准、 WGS-84坐标系统等为参考来回答这三个问题。 2 绝对定位与相对定位 海洋空间定位分为绝对定位和相对定位。以 国家大地基准、ITRF或WGS-84为参考的定位称 为绝对定位，如国家领海的划分等。小范围的海 洋活动需采用相对定位，如寻找石油井口或打捞 沉船等。
定量描述声波传播一定距离后声强度的衰 减变化：
I1 TL 10lg Ir
声纳参数
目标强度TS
定量描述目标反射本领的大小 ：
Ir TS 10 lg Ii
Q
C
目 标
r 1
P
Ir
1m
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文章编号 2 2 2
ΑΥς波阵面水声精确定位Ξ
卢峰陈孝桢
南京大学声学研究所 近代声学国家重点试验室南京
摘要 本文提出在长基线自治水下机器人导航定位系统中用波阵面进行定位的方法 即用射线理论求出波阵面 用波阵面相交求出目标位置 模拟计算表明 对于深海导航定位 利用这种方法可以较大地提高定位精度 关键词 ∂ 导航 定位
中图分类号 ×° 文献标识码
ΑΧΧΥΡΑΤΕΑΥςΥΝΔΕΡΩΑΤΕΡΠΟΣΙΤΙΟΝΙΝΓ
ΒΨΩΑςΕΦΡΟΝΤΙΝΤΕΡΣΕΧΤΙΟΝ
ƒ ≤ ∞ ÷ 2
ΙνστιτυτεοφΑχουστιχσ ΝανϕινγΥνιϖερσιτψ ΜοδερνΑχουστιχΣτατεΚεψΛαβορατορψ Νανϕινγ
Αβστραχτ √ ∏ 2 ∂ √ 2 × ∏ √ ∏ × ∏ ∏ ∏ √
Κεψωορδσ ∏ ∏ ∏ √ √
1引言 Ιντροδυχτιον
自治水下机器人 ∏ ∏ ∂ 2 简称 ∂ 在工作期间 需要实时!精确给出它的位置及航迹 并在必要时应用遥控指令对它的航行和作业进行人工干预 以确保其航行安全和顺利完成预定作业 这就需要利用水下导航定位系统 其中远程深海导航定位通常是在长基线定位系统的基础上构成的 ∂导航定位系统的声学部分由与母船相连的拖体! ∂上的询问发射器 × ∏ 2 和固定在海底的三个或三个以上应答器 × 组成≈ 如图 母船拖体询问发射器向各海底应答器发出询问信号 海底应答器向拖体发回应答信号 可测得拖体和海底应答器之间的信号传播时间τ
α
!τβ!τχ 一段时间后 ∂询问发射器向各海底应答器发射询问信号 各海底应答器再向拖体发回应答信号 询问应答的路径为 ∂))海底应答器))拖体 这之间的传播时间分别为τχα!τχβ!τχχ 假设拖体位置不变 由图 可见
τχα τα τασ
τχβ τβ τβσ
τχχ τχ τχσ
由于τχα!τχβ!τχχ!τα!τβ!τχ这六个量是母船导航定位系统测量的传播时间 带入式中就可确定 ∂和海底
应答器之间声信号的传播时间τ
ασ
!τβσ!τχσ 由于应答器的位置已经预先测量 它们的经纬坐标已知 由此可实时定出 ∂在大地经纬坐标上的位置
目前的长基线水声定位系统往往假设声音沿直线传播 应用球面或双曲面交会法确定目标位置 以球面交会法为例 若水中声速为χ 则认为 ∂和海
底应答器之间的距离分别为χτ
ασ
!χτβσ!χτχσ 设机器人的
位置为 Ξ Ψ Ζ 海底应答器的位置分别为 ξ
ι
ψι ζι ι α β χ若忽略拖体的运动 定位方程为
Ξ ξι Ψ ψι Ζ ζι ρ ι χτισ
ι α β χ 上面的方程组中每一个方程决定一个球面 三个球面的交会点即 ∂的位置
可见传统长基线系统定位的基础就是声音沿直
第 卷第 期 年 月机器人ΡΟΒΟΤ∂
Ξ收稿日期
线传播 声速是常数 但实际上由于水中声速随空间变化 声音水下传播路径是弯曲的 所以对结果需要进行修正 对此提出了许多方法 文献≈ 中介绍了一种用于声线修正的迭代法 文献≈ 论述了平均声速法!多项式近似法和迭代逼近法 等等 但这些修正的基础还是球面或双曲面交会法 只是等效的直线传播声速的表示更精确 本文提出的方法是利用射线理论求出波阵面 直接利用波阵面相交求出目标位置
图 ∂导航定位系统示意图
ƒ ∏ ∂ √
2 关键技术研究 Κεψτεχηνολογψρεσεαρχη
2 1 波阵面定位的原理
由射线方程所决定的波场为 Ω Α ξ ψ ζ
εικ
ω ξ ψ ζ ιΞτ
其中Α表示波场幅值 Υ κ Ω ξ ψ ζ Ξτ表示相位 任意时刻τ 具有相同相位Υ 的质点
的轨迹形成一个曲面Ω ξ ψ ζ Ξτ Υ Ùκ Ω
ξ ψ ζ 表示等相面 射线的方向与等相面相垂直 假设声源起始振动相位为Υ 起始时刻τ 计算经过相同时间τ 不同出射角度的声线到达的位置 由这些位置组成的包络即表示τ 时刻的波阵面 又称为波前
对于长基线定位问题 如果三个应答器Σ !Σ 和
Σ 的坐标已知 ∂发出的信号分别经过τ !τ 和τ
时间到达应答器 由费马原理和互易原理 从 ∂发射的声信号传播到应答器的时间和应答器发射的声信号传播到 ∂的时间是相等的 计算各应答器发射声波τ !τ 和τ 时间后相应的波阵面Ω !Ω 和
Ω Ω 和Ω 交于曲线λ Ω 和Ω 交于曲线λ λ 和λ 的交点Δ就是 ∂的位置 见图
图 三维空间定位的示意图
ƒ ∏ 2⁄
用同样的方法也可以定出拖体的位置
本文计算波阵面采用递归射线算法 2
∏ √
≈
这个算法比起常用的常微分方程射线算法较为简单!快速 精度相当 2 2 波阵面定位的算法
在水声定位中 通常可以假设声速只和深度ζ有关 则波阵面绕经声源的垂直线成柱面对称 只要计算波阵面母线 绕垂直线旋转即可得到完整的三维波阵面
假设定位系统由三个应答器阵元组成 如图 所示 以海面为ζ轴坐标零点 向下为正方向 ξ2ψ平面为水平面 阵元的坐标分别为Σ ζ Σ ξ ζ 和Σ ξ ψ ζ 若已知声信号从阵元传播到ΑΥς的时间分别是τ τ 和τ 分别计算波阵面母线 Ρϕι ζϕι ϕι表示Σι在时间τι时波阵面母线上的第ϕ个点 Ρϕι是母线到应答器所在垂直线的水平距离 波阵面ζϕι和平面的交线是以Ρϕι为半径的圆 由于各母线的ζϕι是相互独立的 取ζϕι相互重叠的部分 平均分为Μ份 并利用新的ζϕ对原母线进行插值得到新的Ρϕι 这时每一个ζϕ对应三个Ρϕι值 由此可求出波阵面在ζϕ深度的交点 由于不同深度声传播的水平距离不同 可能在某些深度波阵面没有交点 所以要预先删除这些深度ζϕ 这可利用三角形成立的条件来判断 如图 所示
若Ρ Ρ ξ 或ÞΡ Ρ Þ ξ 则相应的波阵面不会相交 之后可利用两个方程组
ξ ϕ ψ ϕ Ρ
ϕ
ξ ϕ ξ ψ ϕ Ρ ϕ
ξ ϕ ψ ϕ Ρ
ϕ
ξ ϕ ξ ψ ϕ ψ Ρ ϕ
第 卷第 期卢 峰等 ∂波阵面水声精确定位
计算波阵面Ω 和Ω 在ζϕ深度的交点 ξ ϕ ψ ϕ
Ω 和Ω 的交点 ξ ϕ ψ ϕ 如图 各有两组解
图 阵元示意图
ƒ ∏ ∏
这些交点在ξ2ψ平面上的投影如图 所示
它们组成了四段曲线 分别相对于直线Σ Σ 和Σ Σ 对称 为了删除多余的两条曲线 可用图 所示的条件判断曲线所属的区域 相交的曲线必属于同一区域 对于确定相交的曲线λ ξ ϕ ψ ϕζϕ 和λ ξ ϕ
ψ ϕ ζϕ 利用插值和拟合的方法可求出交点Δ 即定
位点
图 用母线求解波阵面的交点 顶视图
ƒ
¬ √
图 交点的求解
ƒ × ∏
3 模拟计算结果 σιμυλατιονρεσυλτ
以深海 ∂定位为例 假定拖体在一个询问周期内没有移动 进行了模拟计算 应答器阵元分布如图 所示 坐标为Σ Σ
和Σ
∂在 米
深度活动 拖体在 声速分布采用 ∏
提出的典则公式≈ 声道轴在水下 处 声速极
小值为 Ù 波导宽度为 偏离最小值的量级Ε为 如图 给定 ∂的某一位置 利用常微分方程的射线算法 求得阵元到 ∂之间传播时间τ !τ 和τ 设为实际的传播时间
为了比较 利用波阵面定位的方法求出 ∂
机 器 人 年 月
位置 再利用平均声速法求出 ∂的位置 从 ∂在应答器阵三角形之内逐渐到与应答器阵水
平距离较远处 计算了 个点 结果如表 两种方法水平位置的定位误差曲线如图
表1 波阵面定位与平均声速法ΑΥς定位计算结果的比较
Ταβλε1 Σιμυλατιονρεσυλτσχομπαρισονοφωαϖεφροντμετηοδανδαϖεραγεσουνδσπεεδμετηοδ
情况
∂位置
平均声速法结果
波阵面定位法结果
平均声速法误差
波阵面法误差
ξψζξπψπζπξβψβζβ ξπ ξ ψπ ψ
ξβ ξ ψβ ψ
图 声速分布
ƒ ≥ ∏ 2
图 的横坐标表示从 ∂到阵列中心的水平
距离 从计算的结果可以看出 波阵面定位的精度比平均声速法要高 当 ∂距阵列较近时 两种方法
定位精度相差还不大 当 ∂距基阵较远时 平均声速法的定位误差大幅增加 而波阵面法的定位误差并没有显著增加 保持在 米以内 利用波阵面定
位可以较大地提高定位精度
从原理上说 波阵面定位是没有误差的 在上述
模拟计算中 波阵面定位的误差来源于算法中插值与拟合计算引入的数值计算误差 可以估计 海中实际定位与模拟计算不会相差较大
图 波阵面定位与平均声速法 ∂模拟定位误差
ƒ ≥ ∏ √
√ ∏
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第 卷第 期卢 峰等 ∂波阵面水声精确定位。