水下定位与导航技术声学多普勒测速技术概述
对水下目标的多普勒直接定位
比值 代 入式 （ ） 则又 可 以分别 得 到 １ ， １ Ａ 一 ）＝ｒ （ （ ／ １—１ ｕ ／）
Ａ／ ／ （ 一 ）＝ｒ （ ２ ｕ一１ ）
的径 向距 离
简化 为仅基 于 多普 勒频 移或 实 测频 率值 的计 算 。
内 ， 普 勒变化 率 可 由相邻 测 量 节 点之 间 的多 普 勒 多
裂１ ． ． ｏ ． ｌ ０
． ．
｝囹 ．！ ＝
０ 詈 ２ ［ 】 …ｓ
即可解 出
Ｄ ：＇ ｉ０ ／ｓ ２ ２ｎ
标 速度和 航路捷 径 的精 确 计 算 公式 ， 其 仍 需 要 在 但
测量 得到航 路捷 径 点处 的频 率 和 时 间之后 ， 能 获 才 得 目标 的速度和距 离 ， 这就 意 味 着 其 实质 上 和 老方 法一样 ， 并不 是一 种实 时 的探 测方 法 。
收稿 日期 ：０ ０１ －２ ２ １ ．１ ０ 修 订 日期 ：０ ０１ — ２ １．１２ ９
１ 定 位 公 式
１ １ 测 量 模 型 ．
如图 １ 示 ， 所 当水 下 目标 以速度 从 左 向右匀 速移 动 时 ， 浮标 定周 期 的至 少 连续 三 次 检 测 目标 的 多普勒 频移 ：
＝
频 率值 ， 用 径 向速度 近似 代 替 真实 速 度 来 计算 目 并
标 的航路 捷径 距 离 ， 仅是 一 种 近 似 的方 法 。文 献 故 ［］ ２ 通过 引人 任 意两个 测 量 点 的时 问信 息 导 出 了 目
一
２
，
２
２
式中， Ａ＝ｃ ｏ 信 号 的波 长 ； ／ｒ为 角 速 度 ； ｌ 为 ｉ ０ ＝ｖ ９
为径 向距 离 ； ＝ｖｉＯ 分以得 到 勒频 移 方程 和多 普勒 变化 率 比值 代 ＝ （ｓ ＝ ｓ Ｖ ２ 。） ０ ｎ ０ ｔ ） 可 别将 多普
海底地形地貌调查导航定位技术要求
海底地形地貌调查导航定位技术要求是一项重要的技术工作，它涉及到海底地形地貌的调查和导航定位系统的使用。
以下是一份海底地形地貌调查导航定位技术要求的参考内容，约800字：一、技术概述海底地形地貌调查导航定位技术是用于确定海底地形地貌位置、形态、大小等信息的测量技术。
它通过使用各种导航定位设备和方法，实现对海底地形地貌的精确测量和定位。
二、设备要求1. 导航定位设备：包括GPS接收机、北斗卫星接收机、水下声呐定位仪等，用于获取海底地形地貌的地理位置信息。
2. 测量设备：包括水下摄影设备、水下激光扫描仪、水下地形测量仪等，用于获取海底地形地貌的形态、大小等信息。
3. 数据传输设备：包括数据传输线缆、无线通信设备等，用于将测量数据传输到岸上或船上进行处理和分析。
三、操作流程1. 准备工作：包括设备检查、水下环境评估、测量方案制定等。
2. 测量实施：根据测量方案，使用相应的测量设备对海底地形地貌进行测量，记录数据。
3. 数据处理：将测量数据传输到岸上或船上，进行数据处理和分析，生成海底地形地貌的三维模型或图像。
4. 质量控制：确保测量数据的准确性和可靠性，对测量过程进行质量控制。
四、技术难点与解决方案1. 水下环境复杂：海底地形地貌复杂，水下环境不稳定，容易受到水流、洋流等影响，导致测量数据不准确。
解决方案包括使用稳定的水下定位仪、加强水下环境评估、提高测量设备的稳定性等。
2. 设备易受腐蚀：海底环境潮湿、盐分高，容易导致测量设备腐蚀损坏。
解决方案包括选择耐腐蚀的测量设备、定期对设备进行维护保养、使用防腐材料等。
3. 数据传输不稳定：水下环境复杂，容易导致数据传输不稳定或中断。
解决方案包括使用高质量的数据传输设备、加强数据传输过程中的信号监测、采用多种数据传输方式等。
五、安全要求1. 遵守相关安全规定，确保人员和设备安全。
2. 穿戴专业潜水装备或船只设备，确保在水下或船上作业时的安全。
3. 定期进行安全培训和演练，提高人员安全意识。
海底地形测量的关键技术与方法
海底地形测量的关键技术与方法海底地形测量是一项对海洋科学和海洋工程领域至关重要的任务。
准确测量海底地形的关键技术和方法无疑对于海洋研究和资源开发具有重要意义。
本文将探讨几种重要的海底地形测量技术和方法。
1.声纳测深技术声纳测深技术是最常用的海底地形测量技术之一。
它利用声纳波束在水下传播的原理来获得海底地形的信息。
测深仪通过发送声波信号，根据声波信号的往返时间来计算海底的深度。
这种技术不仅可以精确测量海底的深度，还可以获取地形特征如海底峡谷、山脉等的描述。
声纳测深技术的主要优点是非侵入性，且适用于大范围的海域。
然而，由于声波的传播速度受到多种因素的影响，如水温、盐度和压力等，因此在进行声纳测深时需要进行校正和补偿。
2.多波束测深技术多波束测深技术是声纳测深技术的一种改进方法。
该技术利用多个声波发射器和接收器，并通过计算声波波束的散射点来推断海底地形。
相比传统的单波束测深技术，多波束测深技术能够提供更加精确和详细的海底地形信息。
多波束测深技术的应用领域广泛，包括海洋测绘、海底管道敷设和海底地质研究等。
然而，在复杂的海底地形条件下，多波束测深技术的应用可能存在一定的局限性。
3.定位技术准确的位置信息对于海底地形测量也是至关重要的。
全球定位系统（GPS）和LORAN（低频无线导航系统）是两种常用的海底定位技术。
GPS通过卫星定位技术精确测量探测器的位置，从而提供准确的海底地形测量数据。
而LORAN则利用地面和海底基站之间的时间延迟来确定探测器的位置。
这些定位技术可以与声纳测深技术结合使用，以提供更加准确和可靠的海底地形数据。
4.激光扫描技术激光扫描技术是一种近年来得到广泛应用的海底地形测量技术。
这种技术利用激光束测量海底地形的高程信息。
激光扫描技术具有高精度、高分辨率和高效率的特点，可以获取精确的海底地形数据。
通过激光扫描技术，可以获取海底地形的地形线图和三维模型，为海洋研究和工程提供重要参考。
然而，激光扫描技术在应用中需要考虑光线在海水中的传播和散射问题，因此在复杂的海底环境中可能存在一定的挑战。
水下定位系统(USBL)
THANKS
感谢观看
和应用。
数据传输
通过有线或无线方式将定位数据 实时传输到上位机或控制中心，
实现远程监控和管理。
数据接口
提供标准的数据接口，方便与其 他系统进行集成和数据共享。
04
USBL系统性能指标评价方法
定位精度指标分析
均方根误差(RMSE)
衡量定位精度的常用指标，计算预测位置与实际位置之间的欧氏距离的平均值。
USBL定位算法
到达时间差（TDOA）定位算法
通过测量声波到达不同接收阵元的时间差，结合阵列的几何关系和声速信息，解算出目标 的位置。
到达角度（AOA）定位算法
利用阵列信号处理技术估计出声波到达阵列的方位角和俯仰角，进而确定目标的位置。
联合TDOA和AOA定位算法
同时利用TDOA和AOA信息，构建联合定位方程组，提高定位精度和稳定性。
深度学习算法应用
通过深度学习算法对传感器数据进行处理和分析 ，提高水下定位系统的智能化水平。
新型水声通信技术
采用高速、高效的水声通信技术，实现水下定位 系统与水面支持设备之间的实时数据传输。
智能化、自主化发展趋势
自主导航技术
结合惯性导航、地形匹配等自主导航技术，提高水下定位系统的 自主性和适应性。
最大正负差(Max/Min Error)
表示定位结果中最大正偏差和最大负偏差，用于评估系统的极端误差情况。
圆概率误差(CEP)
以50%的概率落在以真实位置为圆心、半径为CEP的圆内的定位误差。
稳定性指标评估
01
重复定位精度
在相同条件下，多次定位结果的 一致性程度，反映系统的稳定性 。
漂移误差
02
03
水下定位系统(USBL)
自主水下航行器导航与定位技术
自主水下航行器导航与定位技术发布时间：2023-02-03T02:36:04.888Z 来源：《科学与技术》2022年第18期作者：杜晓海[导读] 自主水下机器人（AUV）作为开发和利用海洋资源的主要载体，杜晓海海军装备部 710065摘要：自主水下机器人（AUV）作为开发和利用海洋资源的主要载体，在执行任务时需要准确的定位信息。
现有AUV主要采用基于捷联惯性导航系统（SINS），辅以声学导航和地球物理场匹配导航技术。
本文简要介绍了水下导航模式的基本原理、优缺点和适用场景；讨论了各种导航模式中的关键技术，以提高组合导航的精度和稳定性。
通过分析现阶段存在的问题，展望了水下航行的未来发展趋势。
关键词：自主水下航行器；智能导航；智能定位本文综述了目前主流的AUV水下导航关键技术，包括DVL测速技术、LBL/SBL/USBL水声定位导航技术、地形辅助导航技术、地磁辅助导航技术和重力辅助导航技术以及协同导航技术，介绍了相关导航技术的基本原理和发展，分析和总结了水下自主导航中各技术的关键问题和技术难点，最后展望了AUV水下导航技术的未来发展。
1 SINS/DVL定位技术DVL是一种利用声波多普勒效应测量载流子速度的导航仪器。
根据AUV与水底之间的相对距离，DVL有两种模式：水底跟踪和水底跟踪。
当载流子与水底的相对距离在该范围内时，声波可以到达水底，当AUV与水底之间的相对距离超过范围时，声波无法到达水底，DVL采用水跟踪模式。
根据传输波速的多少，可以分为单波束、双波束和四波束。
1.1 SINS/DVL对准技术惯性导航可以为AUV提供实时的姿态、速度、位置等导航信息。
然而，初始对准必须在使用前进行，初始对准的结果在很大程度上决定了最终的集成精度。
通常，AUV在停泊或航行于水面时接收GPS信号进行初始对准。
在特定的任务背景下，AUV需要在水下运动期间完成初始对准，因此，许多学者提出了基于DVL辅助的移动基站对准。
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
第六章——声学定位及综合导航
为水面上或水体中目标定位。 若潜艇、水面船只上安装该设备，则可以为特殊地区(无法 或不能进行GPS定位)情况下运动载体进行定位。 开发出高精度定位的水下DGPS系统，建立水下立体高精度 定位系统，解决深拖、ROV(Remotely Operated Vehicle)、 深海载人潜器以及各种取样器和特殊水下工程的水下高精度 定位问题。
水听器
水声应声器
声信标工作方式（测时差/相差定位方式）
H1
x
bx
H2
z
测量T到H1和H2的时间差为t1=t1-t2， 测量T到H2和H3的时间差为t2=t2-t3 则产生的距离差为vt1和vt2 ，则相 应的角度x、y和z为：
x
P y
T
x
R
x
sin x sin y
水下声学定位目前常采用的系统主要有：
长基线定位系统 短基线定位系统
超短基线定位系统
在实际应用中，由于单一定位系统的缺陷，需要 将几个系统联合起来，保证定位或导航结果的正确性， 即组合导航
§6.2 长基线声学定位系统
通常在海底布设3个以上的应答器Ti，以一定的图形 组成海底基阵，如三角性或四边形。基线长度按照 作业区域确定。运载工具位于基阵内，测量到Ti的 距离而确定点位。 长基线的定位精度比较高，一般可达到5m~20m， 最大测程为5km，定位方式有两种：
响应器工作方式
响应器是通过电缆与测量船相连接的。响应器的发 射是由测量船控制的。触发一次，测量一次。 响应器的工作方式与应答器的工作方式基本相同。 不同之处在于询问应答是声路径，而响应应答是电 路径，因而计算作业船到响应器的距离仅使用单程 传播时间。 与应答器的工作方式相比，该方法的电 路径询问干扰小，可靠性好；缺点在于需要电缆连 接。
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。
水下声学定位系统概述
水下声学定位系统概述概述20世纪90年代以来，世界先进国家的海洋调查技术手段逐步成熟与完善，其中超短基线（简称USBL）水下设备大地定位技术也获得了长足的发展。
高精度水下定位系统具有广泛的用途，在海洋探测研究、海洋工程、水下建筑物施工、潜水员水下作业、水下考古、海洋国防建设等方面，都离不开水下定位系统为其提供高精度、高质量的定位资料，因此高精度水下定位技术对维护国家领土权益和国民经济建设都具有重要意义。
关于水下声学定位系统20世纪50～60 年代，在国际上，随着光、声、磁等技术的不断发展，在大力开发海洋自然资源和海洋工程的进程中，水下探测技术得到了较大发展，相继开发了一系列先进的、高效能的水下探测设备：在各种水下检测的光、声、磁技术中，由于水下光波衰减很快，即使是波长最长、传播最远的红外光波在水中传播到了几米以后也衰减完了，而声波和电磁波在水中有良好的传播性，因而，声呐、磁探和超短基线成为水下检测的有效方法。
声学定位系统最初是在19世纪60年代的时候被开发出来用于支持水下调查研究。
从那时起，这类系统便在为拖体，ROV等水下目标的定位中成为了重要角色。
声学定位系统能够在有限的区域内提供非常高的位置可重复精度，甚至在远离海岸。
对大多数用户来说，可重复性精度要比绝对精度重要。
水下声学定位系统分类在声学定位系统中，有3种主要的技术：长基线定位（LBL），短基线定位（SBL），和超短基线定位（SSBL/USBL），有些现代的定位系统能组合使用以上技术。
长基线（LBL）:长基线定位能在宽广的区域内提供高精度的位置，它需要至少3个应答器组成的阵列部署在海底上的已知点上，水面舰只安装一个换能器。
换能器测量出到水底应答器的斜距，从而计算出自身的坐标位置。
图1短基线（SBL）：短基线定位需要在舰船上安装至少3个换能器阵，换能器之间的位置关系为已知，应答器安装在需要定位的目标上，舰船上的多个换能器测量出到同一个应答器的距离，从而计算出目标的位置。
《水下定位与导航技术》声学多普勒测速技术概述
fdfd I fdI I4 C vxfTco c so sv vx zsi n
在船舶无摇摆及上下起伏时
前后两波束接收信号的频差为
fd
r
4vx C
fT cos
相对频率测量误差
fd fdfdrco svzsi n 1
fd r
fd r
vx
浅水使用时 收发期间只 需测量一次
姿态角
例如当 5和 10时，将分别带来 0.3%和 1.5％的测量误差。
计算法定位导航设备
机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。 电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关
计程仪。
5.1 引言
多普勒现象 目标与声源的相对运动（相向、相离） 声源和接收一体的情况
多普勒速度解算公式 舰船的测速原理、方法 测速误差产生的原因
影响多普勒测速的主要因素及改进方法
在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。
5.2 舰船多普勒测速原詹纳斯理（Janus）配置
舰船多普勒测速原理
xv/C
船与被照射 vvxcos
区的相对径 向速度为 ：
x vx cos
C
fd
I
2vx C
fT cos
接收的回波 1x (1x)2
信号频率为：fr
1x
fT
1x2
fT
fdII2Cvx fTcos
若其往返时间为t2，在t2时间内目标又向声呐靠近 vt2 / 2 。
因此有 L12v2tvT12C2t
由此得到后沿的往返时间为
xv/c
t2
2L/C2xT 1x
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析 换能器接收到的脉冲宽度
多普勒声纳系统原理及应用
ｆ ｒ 。根据多普勒频移原理， 只要声源（ 或接收器） 与散射体之
间有相对运动， ｆ≠ 。 则 ｆ， 其差值为 ｆ， 并且满足下式 ： ｆ ｆ Ｇ＝ ￣ ｒ ２×ｆ × Ｃ Ｓ 【ｃ －－ 。 Ｖ× Ｏ ／ ０
（） １
式 （） ｃ为 波束的俯角 ， 为声源 （ 收器 ） １中，【 ｖ 或接 的水 平
另外一类水下导航系统为声学测速和计程设备， 它可以
测量载体相对海底 的绝对 速度， 水下 载体通过速度 信息独立
相对速度， 为声速。 Ｃ 检测回波的频移可求得速度。 四波束正
交配置的多普勒声纳如 图一所示 。 通常每个 波束和水平面夹
多普勒声 纳向海水介质 发射 声波 ，声 波被海底反射 ， 产 生海底 回波， 分析海底 回波则可 以测量 载体 的速 度。当频率 为 ｆ 的声波在海水 中传播 时，有一部 分能量被 海底散射 回 。 来， 些 回波 信号经换 能器 接收 ， 这 处理 后可 以测得 其频率 为
等水下定位系统。 这些系统可以在局部海域对水下目标进行
Ａｂｓ ｒ ｃｔ Ｄ ｐｌ ｓ ａｒ ａｓ ｔａ ： ｏｐ ｅｒ ｏｎ ｈ ｂｅ ｎ ｕｓ ｉ ｔ ｎａ ｅ ｅｄ ｎ ｈｅ ｖｉｇ ｔｉｏ ｏｆ ａ ｎ ｍｕ ｉ ｌｔ ｐｌｅ ｎｄ ｗａ ｒ ａｒ ｅｒｓ ｕｃ ｕ ｅｒ ｔｅ ｃ ｒｉ ｓ ｃｅｓ ｆｕｌ ｙ． Ａ ｓ ｌ ｔ
应
用
（ 海军驻昆 明地 区军事 代表室，云南 昆明 ６ ０ ３ ） ５ ２ ６ （ａ ｙ ｓＭ ｌ ｔ ｒ ｅ ｒ ｓ ｎ ａ ｉ ｅ Ｏ ｆ ｃ ｎ Ｋ ｎ ｉ ｇ ｕ ｎ ｎ Ｋ ｎ ｉ ｇ ６ ０ ３ ） Ｎ ｖ ｉ ｉａ ｙＲ ｐ ｅ ｅ ｔ ｔ ｖ ｆ ｉ ｅ ｉ ｕｍ ｎ ，Ｙ ｎ ａ ｕｍ ｎ ５ ２ ６ 摘 要： 多普勒声纳 已成功应用于多种水下载体 的导航 。首先分析 了水下导航 的特 点 ， 导 了四波束配置 多普勒声纳速度 推
水下目标识别与声信号处理技术
水下目标识别与声信号处理技术水下目标识别与声信号处理技术 1、目的与意义水下目标探测与识别技术对海洋资源的开发和利用以及军事方面有着极大的意义和作用。
比如海底石油的开发和探测，下水潜艇的探测，以及海底残骸，海底底质的分类等等。
目前水下目标探测的主要传感器有:微光TV、激光成像和声纳传感器。
微光TV的图像清楚,但受海水能见度影响很大,总的来说可识别的距离太近,实际应用中难以满足要求;激光成像是在近几年发展起来的新方法,比较适合水下机器人使用,其体积、重量和所需功耗都较小,成像质量远高于声学成像并类似于微光TV,作用距离比TV远,同时可提供较准确的距离信息。
然而要满足对水下目标识别的要求,仍然有不少技术难关需攻克;声学传感器(声纳)在水中作用距离远,又有一定的分辨率,所以是目前水下目标探测的主要传感器。
但是,声纳传感器受海洋环境、背景目标等影响,成像的清晰度不够,给目标探测和识别增加了难度。
智能水下机器人的视觉系统主要依靠“声视觉”。
与传统的声纳系统不同，声视觉系统不仅有声图像和声信息的获取能力，而且应该具备对图像和信息的处理、特征提取以及分类和识别的功能。
安装在机器人主体上的成像探测声纳主要有两类:(1)侧扫声纳:对机器人下方和两侧进行扫描成像的声纳系统，主要用于远距离，大范围的目标探测与定位。
(2)前视声纳:对机器人前方物体和景物声成像的声纳系统。
2、整个声视觉系统的框架为:(l)机器人前方:安装低分辨前视声纳、高分辨率前视声纳(采用声透镜技术)或三维成像声纳。
低分辨前视声纳主要用来发现前方远距离目标，在探测到可疑目标后，接近目标启动高分辨率前视声纳或三维声纳，进行目标的精细探测和识别;(2)机器人侧面:安装高分辨侧扫声纳，主要用来进行远距离海底探测，发现目标后，引导机器人下潜进行近距离识别; (3)机器人下方:安装高分辨的近距离成像声纳或三维成像声纳。
主要进行海底目标(水雷，沉船或管道等)高分辨率识别。
基于水下航行器导航定位及信息融合技术研究
基于水下航行器导航定位及信息融合技术研究一、本文概述随着海洋资源的日益开发和利用，水下航行器在海洋探测、海底资源勘探、水下救援等领域的应用越来越广泛。
然而，水下环境的复杂性和不确定性，使得水下航行器的导航定位及信息融合技术成为其性能提升和广泛应用的关键。
本文旨在深入探讨水下航行器的导航定位技术及其信息融合方法，分析当前国内外研究现状，并在此基础上提出新的技术思路和改进方案，为水下航行器的性能提升和实际应用提供理论支撑和实践指导。
本文首先对水下航行器导航定位技术的基本原理和常用方法进行了详细介绍，包括声学导航、惯性导航、视觉导航等多种导航方式，以及各种导航方式的优势和不足。
在此基础上，对水下航行器信息融合技术的研究现状进行了综述，包括传感器数据融合、多源信息融合、导航与感知信息融合等方面的研究进展。
针对当前研究中存在的问题和不足，本文提出了一种基于多源信息融合的水下航行器导航定位方法。
该方法充分利用了声学、惯性、视觉等多种导航方式的优势，通过信息融合技术实现对水下航行器的高精度导航定位。
本文还提出了一种基于深度学习的水下环境感知模型，用于提高水下航行器对复杂环境的感知和适应能力。
本文对所提出的方法进行了仿真实验和性能评估，验证了其有效性和可行性。
对未来研究方向和应用前景进行了展望，以期为推动水下航行器技术的发展和进步做出贡献。
二、水下航行器导航定位技术基础水下航行器的导航定位技术是其实现精确导航与高效作业的关键所在。
该技术融合了多种学科领域的知识，包括物理学、数学、控制工程以及海洋科学等。
其核心技术主要包括声纳导航、惯性导航、视觉导航以及地磁导航等。
声纳导航：声纳（SONAR）是水下航行器最常用的导航手段之一。
它利用声波在水中的传播特性，通过发射声波并接收其反射回波，从而获取航行器与周围环境的相对距离和形状信息。
声纳导航的优点在于其工作范围广泛，不受光线条件限制，但精度受水质、水温、盐度等多种因素影响。
水下潜器组合导航定位及数据融合技术研究
水下潜器组合导航定位及数据融合技术研究一、概述水下潜器组合导航定位及数据融合技术研究，是近年来海洋工程领域的重要研究方向之一。
随着水下潜器在民用和军事领域的广泛应用，其导航定位精度和可靠性成为制约其性能提升的关键因素。
传统的单一导航方式，如惯性导航、声学导航等，虽然各有其优点，但在复杂多变的水下环境中，其性能往往受到限制。
研究水下潜器组合导航定位及数据融合技术，对于提高水下潜器的导航定位精度和可靠性具有重要意义。
组合导航定位技术通过集成多种导航传感器的信息，充分利用各种导航方式的优点，克服单一导航方式的局限性。
在水下潜器组合导航定位系统中，常用的导航传感器包括惯性测量单元、多普勒计程仪、声学信标等。
这些传感器能够提供不同的导航信息，如速度、位置、姿态等，通过合理的融合算法，可以实现信息的互补和优化，提高导航定位精度。
数据融合技术是实现组合导航定位的关键。
在水下潜器组合导航定位系统中，由于各种导航传感器的工作原理和性能特点不同，其提供的数据可能存在误差、噪声和不确定性。
需要通过数据融合技术，对多源导航数据进行处理和分析，提取出有效的导航信息，抑制噪声和误差的影响，提高导航定位的稳定性和可靠性。
水下潜器组合导航定位及数据融合技术的研究已经取得了一定的进展。
仍面临着诸多挑战和问题。
如何选择合适的导航传感器进行组合，如何设计有效的融合算法以充分利用各种导航信息，如何在实际应用中实现高精度、高可靠性的导航定位等。
需要进一步深入研究水下潜器组合导航定位及数据融合技术，推动其在实际应用中的发展。
水下潜器组合导航定位及数据融合技术研究是一项具有重要意义和挑战性的研究工作。
通过深入研究和实践，有望为水下潜器的导航定位性能提升提供有效的技术支持，推动海洋工程领域的发展。
1. 研究背景与意义随着海洋经济的快速发展和国防安全需求的提升，水下潜器在海洋探测、资源开发、军事侦察等领域的应用日益广泛。
水下环境复杂多变，导航定位技术面临着诸多挑战。
水下定位技术概述
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定位误差：声线弯曲
常声速声线跟踪法
常梯度声线跟踪法
sin i pCi
1 Ri pgi
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定位误差：姿态变化
X
X X Y Y ZZ
Y
Z
姿态变化
为什么要进行姿态 修正： 船受风、浪影响， 会有晃动。而测量 是以基阵坐标系进 行的。 解决方法：姿态修 正（坐标变换）
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定位误差：海洋噪声
海洋噪声来源：海面波浪空化噪声，舰 船噪声等。 应对措施：对噪声源抑制降低噪声提高 信噪比。 选择流线型的测量船和换能器，选 择低噪音发动机，增大吃水深度等。
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基本概念：三种声学定位系统
定位类型 基线长度（m） 简称 特点 大面积区域调查； 系统复杂，操作 繁琐。 操作简单，价格 低廉；深水测量 基线长度要大于 40米。 安装、操作简单； 精度校准要求极 高。
长基线
100~6000
其中
H3 (-a,-b)
(a,-b) x
H1
(-a,b)
2 1/ 2
H4
R3
HP 2 (a,b) R2 R1
z1 R12 ( x a) 2 ( y b)
z2
2 2
R
( x a)
2
( y b)
水下定位与导航简述
3 声呐方程基础
什么是声呐？ Sonar：Sound(声) +Navigation(导航) +Ranging(定位) 利用水下声波判断海洋中物体的存在， 位置及类型的方法和设备。 是利用水中声波对水下目标进行探测、 定位和通信的电子设备，是水声学中应用 最广泛、最重要的一种装置.
仿生学来源：海豚追踪猎物
美国钻探船“格洛玛·挑战者”号用的重返和动态
1~50 <1
简称 LBL SBL USBL或SSBL
海底应答器的位置分别为： 注意：与ＧＰＳ定位不同，仅需３个海底应答器即可！
三种系统的优缺点：
（1）超短基线定位系统 优点：整个系统构成简单、操作方便不需要组建水下基线阵、 测距精度高。 缺点：需要做大量的校准工作，其定位精度随着水深和工作 距离的增加而降低。定位精度比其他两种系统差。
具体做法：
➢ 在海底放一个水声应答器作为基 准点，同时在船上布放三个水听 器进行应答测距。在下钻作业时 船上向基准点应答器发出脉冲， 应答器收到信号之后发出回答脉 冲，这回答脉冲被船上的三个测 距水听器收到，这时可以测出三 个水听器与基准应答器的距离。 当外界条件使船位移时，水声应 答器测距系统随即测出这三个距 离的变化。将这些数据送入计算 机，计算出船位的水平移动量， 再开动几个可变螺距的推进器， 使船复位，也就是使三个距离和 原来的一样。这样，船在不断运 动中保持位置不变。
1、声纳方程
主动声纳方程： (SL 2TL TS) (NL DI) DT
被动声纳方程：
SL TL (NL DI) DT
SL反映发射器辐射声功率大小 TL：传播损失，定量描述声波传播一定距离后强度的衰减变化 TS：目标强度，定量描述目标反射本领的大小 NL：海洋环境噪声（背景干扰） DI：指向性指数。越大表示声能在声轴方向集中的程度越高； DT：检测阈值。设备刚好正常工作的所需的处理器输入端的信噪比 值
水下声学通信与定位技术研究
水下声学通信与定位技术研究水下声学通信与定位技术研究一、引言地球表面约 70%被水覆盖，其中海洋蕴含着丰富的资源并在全球气候调节、交通运输等诸多方面扮演着极为关键的角色。
随着人类对海洋探索与开发活动的日益频繁，水下声学通信与定位技术作为实现水下信息传输与目标位置确定的核心手段，正受到越来越广泛的关注与深入的研究。
水下环境与陆地环境存在着显著差异。
水对电磁波具有强烈的吸收作用，导致电磁波在水下传播时衰减迅速，传播距离极为有限。
而声波在水中却能够相对稳定地传播较长距离，因此成为水下信息传输与目标探测的主要载体。
水下声学通信与定位技术基于声波在水中的传播特性，通过合理设计声学系统、信号处理算法等，致力于实现高效、可靠的水下信息交互以及精准的目标位置确定，这对于海洋资源开发、海洋科学研究、水下事应用等多个领域都具有不可替代的重要意义。
二、水下声学通信技术（一）水下声学通信原理水下声学通信主要是利用声波在水中的传播来传递信息。
发送端将待传输的信息（如数据、语音、图像等）进行编码和调制，加载到声波信号上，然后通过换能器将电信号转换为声波信号向水中发射。
声波在水中传播，经过一定的传播路径后到达接收端。
接收端的换能器将接收到的声波信号转换为电信号，再经过解调、解码等处理过程，恢复出原始的信息。
在这个过程中，声波在水中的传播特性对通信效果有着至关重要的影响。
例如，声波的传播速度在海水中约为1500m/s 左右，且会随着水温、盐度、深度等因素的变化而发生改变。
此外，声波在传播过程中会发生衰减、散射、多径传播等现象。
衰减会导致信号强度随着传播距离的增加而逐渐减弱，限制了通信的有效距离；散射会使信号向不同方向扩散，造成信号能量的分散；多径传播则会使同一信号经过不同路径到达接收端，产生时延扩展和信号失真，这些因素都给水下声学通信带来了巨大的挑战。
（二）水下声学通信调制技术为了提高水下声学通信的效率和可靠性，多种调制技术被应用于水下通信系统中。
声学技术 声学多普勒测速仪标校技术研究
声学技术▏声学多普勒测速仪标校技术研究船载多普勒测速仪通过对多普勒频移信息进行解算进而得到对海水或者对海底的速度信息，进一步可以得到载体航速、航迹等信息。
相比于全球定位系统(GPS)需要利用卫星定位，多普勒测速仪可以自主得到航迹航速，在进行水下探测时具有GPS所没有的优势。
测速仪的主要误差在于基阵安装时的安装偏角，无论人为如何精确地对准，包括前期的基阵设计和后期的基阵安装，测速基阵总会与载体艏向、横向和纵向间存在安装误差，该误差从空间上看是三维的误差，即与载体艏向误差、载体横向误差以及载体的纵向误差。
在安装时，我们希望GPS导航仪、姿态传感器和测速基阵的坐标系在空间上全部对齐，但是安装误差会以恒定偏移的形式添加到解算的载体速度上，从而使得画出的航迹路线与实际航迹偏离得越来越远。
虽然安装误差角度较小，并且下文可以看到的横摇偏差和纵摇偏差对载体运动的影响远小于航偏误差，但是使用多普勒测速仪估计对水速度时，偏移误差就显得非常重要，0.1°的纵摇误差会让船体运动的0.5%变成垂直分力，0.1°的航偏角误差会让船体运动的0.5%变成侧向分力。
偏差速度与船体运动速度相比较小，但是当研究对水速度时，由于水的运动速度通常比较小，而安装的误差保持不变，对水流测速的影响就会越来越大。
本文将介绍如何利用多普勒测速仪的对底测量速度校准航偏角，通过和GPS 的航迹比对，得到测速基阵安装的航偏角。
再利用纵向剖面的几何关系，进一步校准横摇偏角和纵摇偏角。
一、三维空间校准⒈航偏角校准首先对航偏角与横摇角和纵摇角做出说明：载体行驶时与大地坐标系下正北方向的夹角为航偏角；水平方向上，载体纵倾与水平面的夹角为纵摇角；载体横摇时与水平面的夹角为横摇角，此为普遍意义上的定义。
而在研究多普勒测速仪时，航偏角、纵摇角和横摇角的定义如下：安装时多普勒测速仪与载体之间存在安装偏角，与载体艏向的夹角为航偏角α，与载体纵向的夹角为纵摇角β，与载体横向的夹角为横摇角γ。
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前后沿所t需1 往返t2时间1不2x同T，x 其差无有值相相是对对运运动动时，t2t前1-后t22变沿L化到/了达1C多的少时x2时间x间应T？当相等，
因此，接收信号的脉宽为
Tr T (t1 t2 ) 接收信号频率变为
T
2xT 1 x
1 1
x T x
结论
fr
1 Tr
1 x 1 1 x T
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响 安装角度偏离误差及其校正
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船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿
在有摇摆和上下起伏时
向前的I号波束测得的多普勒频移为
fd
f dI
f dII
4vx C
fT
c os c os
vz vx
sin
在船舶无摇摆及上下起伏时
前后两波束接收信号的频差为
f dr
4vx C
fT cos
相对频率测量误差
fd fd fdr cos vz sin 1
f r1
1 1
x x
fT
fr2
1 x 1 x
fT
前后两波束接收信号的频差为
fd1
的多普勒频移
fd
4x fT
4vx C
fT cos
4x
引入的相对测速误差为 fd 1 x2
4x
f d1
4x
x2
vx
cos
C
2
1 x2
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水下定位与导航技术
第五章 声学多普勒测速技术
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5.1 引言
舰船导航设备的类型
无线电导航设备，典型的有劳兰-C系统（定位精度 约200米）、系统（精度约1海里）以及台卡系统 （精度25米）等。
卫星导航系统，全球卫星导航系统定位精度可达 5~10m。
惯性导航系统。可长时间连续工作，但是有累积误 差，其量级达到每小时几十米。
(1 x)2
信号频率为：fr 1 x fT 1 x2 fT
f dII
2vx C
fT cos
多普勒频(1移 2x) fT
fT
1
2vx C
cos
fd
f dI
f dII
4vx C
fT cos
为：
f dx
fr
fT
2xfT
2vx C
fT cos
水平速度 ：
C
vx 2 fT cos f dx
f dI
2vx C
fT
cos(
)
2vz C
fT ( cos )
2vx C
fT
cos(
)
2vz C
fT sin( )
fd fdI 向fdII后的II号波束测得的多普勒频移为
2vx C
fTf
cdII
os
(2vx
C
fT) c
ocso(s(
))2v2zvzf
CC
TfT(scino(s
)
)
s
in(
)
2vx C
fT
2
cos2Cvxc
ofTscos(2vz
C
fT 2)cos2Cvz
sfiTnsin(
)
前后两波束接收信号的频差为
fd
fdI fdII
4vx C
fT coscos
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vz vx
sin
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船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 利用姿态测量装置对速度进行修正
各个测量误差对总误差的贡献
减小测速误差的方法
相控阵多普勒测速技术
多普勒计程仪在大深度使用时摇摆问题的分析及摇摆补偿
多普勒测速声呐频率测量技术
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5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析
脉冲前沿到达时刻
t1
设脉冲经目标反射回到接收点
的时间为t1，
则目标移动的距离为 vt1 / 2 。
传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响
vx
4
cf d
fT cos
安装角度偏离误差及其校正
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由解算公式近似引起的误差 没有近似时的多普勒频移为
fT－－发射频率 fr－－接收频率 fd－－多普勒频移
f d1
fr
fT
1 x 1 x
fT
fT
2x 1 x
1 x 1 x
f
0T
t1 t2＋T
在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。
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5.2 舰船多普勒测速原詹纳斯理（Janus）配置
舰船多普勒测速原理
x v/C
船与被照射 v vx cos
区的相对径 向速度为 ：
x vx cos
C
f dI
2vx C
fT cos
接收的回波 1 x
fT
一阶近似后的多普勒频移
f dx
2xfT
2vx C
fT cos
引入的相对测速误差为
2x
fd fd1 fd 1 x 2x x vx cos
f d1
f d1
2x
C
1 x
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由解算公式近似引起的误差
詹纳斯配置
fd x vx cos
fd1
C
没有近似时I号波束、II号波束接收的信号频率为
vx
Cf d
4 fT cos
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5.2 舰船多普勒测速原理
舰船多普勒测速原理
詹纳斯（Janus）配置
十字形配置和X形配置
船首尾线方向
船首尾线方向
前后左右形配置8
X形波束2配02置0/5/2
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿
计算法定位导航设备
机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。
电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关 计程仪。
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5.1 引言
多普勒现象
目标与声源的相对运动（相向、相离）
声源和接收一体的情况
多普勒速度解算公式
舰船的测速原理、方法
测速误差产生的原因
影响多普勒测速的主要因素及改进方法
vt2 / 2 vT
若其往返时间为t2，在t2时间内目标又向声呐靠近 vt2 / 2 。
因此有
1
1
L 2 vt2 vT 2 Ct2
由此得到后沿的往返时间为
x v/c
t2
2L / C 2xT 1 x
5
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5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析 换能器接收到的脉冲宽度
2L / C 2L / C t1 1 v / C 1 x
因此有
L vt1 Ct1 22
因而得到前沿往返时间为
ct1 / 2
vt1 / 2
2L 2L / c 2L / c t1 v c 1 v / c 1 x
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5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析
脉冲后沿到达时刻
t2 设发射脉冲宽度为T， 则当脉冲后沿离开换能 器表面时，目标已向声 呐靠近了vT。