水声导航、定位技术发展趋势探讨

水声导航、定位技术在海洋科学和海洋工程中有着广泛的应用,近年来已逐渐向高精度、多传感器、多手段融合的方向发展。本文以导航、定位声纳的发展为关注对象,概述了水声导航、定位技术在技术前沿上的发展状况,提炼出其技术发展趋势,并介绍了水声导航、定位技术的应用前景。     

水下导航定位技术研究进展

由于海水介质对电磁波的强吸收屏蔽效应影响，水下潜航器的隐蔽航行使得对其进行水下导航定位成为一个难点和热点研究方向。现有水下导航与定位技术以惯性导航传统自主导航技术为主体，围绕修正惯性导航产生的累积误差问题，发展形成了航位推算导航、地球物理匹配导航技术、水声导航技术等多种辅助导航技术。系统地介绍了这些水下导航技术及其组合方式的基本原理、主要特点及研究进展，并对未来水下导航技术发展趋势和应用进行了展望。     

基于单水声信标距离量测的匹配定位方法

水声通信和测距能力是实现水下航行器准确定位的重要技术手段。当前基于水声定位的方法主要有利用测距和测向功能的水声定位技术以及水声测距辅助导航技术，二者的系统物理复杂度都比较高。本文提出了一种基于单水声信标距离量测的匹配定位方法，航行器在水声信标测距覆盖范围内，利用航行过程中多次测距信息构建测距圆序列形成位置约束，基于航位推算导航信息，将航行器在连续测距时间段内的相对航迹在圆序列上进行最优匹配，从而获得位置估计，通过对测距误差进行补偿可进一步提升定位精度。本方法所需物理系统结构复杂度低、可操作性强，仿真实验表明，该方法可以独立实现较高精度的定位。     

水声技术

利用声波对水中、海底以及海底以下目标进行探测、定位、跟踪、识别以及水下通讯、导航等的方法与技术。１９１２年“泰坦尼克”号巨型客轮沉没事件,促进了近代水声技术的诞生。第一次世界大战中,出现回声定位声呐。第二次世界大战中,水声技术有较大发展,改进了声呐设备,且出现了声制导鱼雷和音响水雷。５０年代以后,潜艇活动能力的增强与核潜艇的出现,水声物理研究和信息论研究的进展以及无线电电子学、计算机科学和换能器技术、信号处理技术进步,对水声技术的发展有很大促进。目前水声技术除有广泛的军事用途以外,还用于海洋开发…     

基于罗经/DVL/水声定位系统的水下组合导航方法研究

针对基于罗经/DVL航位推算系统位置误差积累的问题,研究基于罗经/DVL/水声定位系统的水下运载体组合导航定位方法,设计了组合导航方案,建立了基于航位推算系统的误差方程,在此基础上引入水声定位系统的位置量测信息,设计了卡尔曼滤波器,实现了罗经/DVL/水声定位系统的信息融合。最后对研究的方法进行了计算机仿真和半物理仿真实验。实验结果表明,该方法抑制了航位推算系统位置误差发散,且减小了水声定位数据波动幅度,实现了水下运载体的高精度导航定位。     

一种水声组网定位一体化系统设计与实现

水声网络已在海洋信息立体化获取、传输、感知领域中得到广泛研究和应用，水声网络节点的位置是水声网络协议设计、多样化应用中常常需要的重要信息。依托全球定位系统定位、采用常规水声定位技术获取水声网络节点位置等解决方案存在着无法直接水下应用、多节点需多次定位效率低、需要精确时间同步等问题。提出一种水声组网定位一体化方案，该方案利用水声网络运行过程中网络节点互联互通进行的交互可以直接通过应答测距方式进行节点位置解算，从而实现在不影响网络通信的情况下，无需精确同步的通信定位一体化功能。给出了系统组网通信、测距、定位、误差校正等核心环节的设计过程，设计了一套小规模水声网络通信定位试验系统，并开展湖试试验。湖试试验结果初步表明了该系统组网、定位一体化的有效性。     

基于卫星的水下载体实时水声定位模型

为适应水下载体高精度实时导航定位的需求,提出了基于卫星导航定位的浮标水声定位系统定位模式,主要讨论了长基线固定浮标定位系统和超短基线单体智能浮标系统的工作原理和点位计算模型,分析了水声定位系统定位的准确度和误差源,对促进全球海域实现全天候高精度完全水下自主定位具有一定的指导意义。     

基于航位推算/水声定位系统的水下拖体组合导航方法

针对航位推算系统位置误差发散、水声定位系统输出信息波动大的特点,利用基于航位推算/水声定位系统的组合导航方法进行深拖系统导航定位。先利用多普勒速度仪和罗经的输出数据进行航位推算得到拖体位置,然后将此位置与水声定位系统输出的位置进行数据融合,得到连续、平滑的高精度深拖系统导航数据,实现水下拖体的高精度定位。应用此方法对海试实验数据进行了处理,实验结果表明:采用组合方法后,既限制了位置误差的发散,又减小了数据波动幅度,可以得到平滑的高精度位置。     

海洋声学技术在无缆水下机器人中的应用

1 概述 电磁波在水中衰减严重,传播距离较短。声波可以在海洋中传播很远的距离,声波是海洋中的主要信息载体。海洋声学技术在海洋中用于探测、通信、导航和定位,它是海洋遥感技术的重要组成部分,近年来获得迅速发展。 海洋声学技术主要包括三大类声纳,即探测声纳、导航声纳和水声通信机,详见附表Ⅰ。     

现代技术发展对海图质量的影响与对策

分析了以数字制图技术、多波束水深测量技术、卫星导航定位技术为代表的现代技术在海图设计、生产和使用过程的应用特点,以这些技术本身的发展给海图的牛产技术、产品形式和使用方式所带来的影响为切入点,重点分析了由于这些技术的发展应用对海图的质量产生了哪些新的重要影响,并就如何消除不利影响、提高海图质量进行了讨论.     

水下导航定位技术在大洋科考调查中的应用

水下声学定位、惯性导航定位、多普勒声纳以及组合导航定位是目前我国大洋科考调查工作中的几种主要水下导航定位技术。通过分析常规调查装备、ROV、AUV和载人潜水器等4类主要水下科考设备的导航定位系统实测数据,给出不同水下导航定位模式的现场作业精度,为我国大洋科考调查工作中水下导航定位技术的选择与应用等工作提供参考。     

Survey of underwater robot positioning navigation

Underwater robot positioning and navigation achieve autonomous underwater robot movement based on the premise that positioning obtains the coordinates of the relative position of the underwater robot using a sensor, and navigation yields a known location to the destination path planning. Due to the location of an underwater robot and the complex and changing environment in which it operates, it is difficult to achieve precise positioning using the traditional positioning method. This paper systematically analyzes and summarizes several typical localization and navigation methods of underwater robots, such as multisensor information fusion technology, underwater acoustic localization and navigation methods, GPS buoy, underwater vision, SLAM and coordinate localization and navigation of multiple underwater robots. Multisensory information fusion technology integrates the advantages of the above methods, enhances the system stability and robustness, overcomes the disadvantages of traditional positioning and navigation, and enables the autonomous navigation and positioning of underwater robots. Underwater acoustics enable flexible and convenient positioning, whereas GPS can achieve high-precision and high-positioning navigation information, and visual positioning effectively overcomes the problem of error accumulation. Multirobot cooperative positioning resolves the problem of positioning failure caused by the collapse of a single system and completes complex tasks that cannot be completed by a single robot, thus enhancing the stability and robustness of the system. This paper systematically describes the realization of these methods, presents an actual analysis of their respective advantages and problems, and discusses the development of the field of research prospects and application prospects.     

基于倒置声学基阵的INSUSBL组合导航算法研究

文中关注水下潜航器导航定位时,电磁波传播途径中能量衰减、惯导系统长航时积累误差以及提高水下潜航器定位精度等问题。基于倒置的超短基线声学基阵,分析声波往返传播时间(RTT)、平面波近似方法和USBL导航解算方法及其坐标转换过程,结合INS误差方程,建立INS/USBL松组合模型。为进一步提高系统精度、动态性能和抗干扰性,考察USBL的原始斜距、斜距差以及声学基阵的空间分布信息,提出基于USBL原始输出信息的INS/USBL紧耦合组合导航方法。通过MATLAB仿真对导航算法进行验证,结果表明两种算法能充分抑制纯惯导误差随时间积累问题,且有效地估计出姿态、速度和位置误差角;其中紧耦合方法状态估计误差最小,导航参数精度相对松组合提高30%以上,对于提高水下载体导航定位精度、海洋探测具有重大意义。     

A study of increasing the precision of navigation position for submerged body

Currently, most submerged bodies use the long-baseline acoustic position system (LBL) to identify the navigation position for submerging. A precise navigation position is always the target pursued by underwater technology. The conventional long-baseline acoustic position systems normally use Kalman filter correction to handle the problem of positional errors. This article proposes a new modification, which is based on the periodically measured actual navigation distance, and associated with the three-dimensional geometrical relations between the transponder on the seabed and the navigation distance. This new modification employs the iterative approximation to modify the errors of the measured navigation position from the conventional long-baseline acoustic position system. In order to verify the availability of the modified model by the essay, the study uses the navigation position for an underwater surveying submerged body as the study object. After the numerical simulation analysis, the result shows that the modification was presented by the article can only use very few iterations to precisely modify the errors of the measured navigation position from the conventional long-baseline acoustic position system, which is highly applicable for positioning in long-term and long-distance submersion. Moreover, the modification method proposed by the paper can also help submersion positioning for the underwater vehicle, as well as the military submerged body.     

基于可重置联邦滤波器的水下运载体导航定位方法

单一导航系统无法满足水下运载体高精度、高可靠性的导航需求,文中根据常用水下导航系统的特点,提出基于可重置联邦滤波器的水下运载体导航定位方案,设计了以惯导系统(INS)为主参考系统,声学定位系统/深度计、多普勒计程仪(DVL)、罗经为子参考系统的联邦滤波器,并进行了仿真研究。结果表明文中设计的滤波器能有效融合各个传感器的导航信息,实现水下运载体高精度导航定位,并具有一定容错性。     

海底大地基准建设技术及其研究进展

海底大地基准网将是新一代国家综合PNT（Positioning, Navigation and Timing）系统建设的重要组成,也是未来海洋立体观测系统的基础设施。联合全球卫星导航定位系统和声学测距的GNSS-声学定位技术可用于高精度水下定位,直接服务于海底大地基准网建设。本文聚焦海底大地基准建设技术,简要梳理了国内外水下声学导航定位技术及系统背景,分析总结了海底大地基准建设的站址勘选及布放技术要点,在讨论GNSS-声学观测平台和数据采集技术基础上,重点探讨了GNSS-声学定位的数据处理方法研究进展,最后简单介绍了GNSS-声学的当前主要应用并展望了未来海底大地基准建设的技术需求和应用问题。     

Study mobile underwater positioning system with expendable and multi-functional bathythermographs

The purpose of the current study is to introduce a set of mobile underwater positioning systems (MUPS) that will enable non-offshore vessels to execute underwater missions. Besides mobility, the system would also possess the advantage of having to use fewer acoustic instruments than conventional acoustic positioning systems. The method adopted by the system will involve the use of expendable and multi-functional bathythermographs (XBT) to measure the underwater acoustic speed and the depth of water at the same time. Then it must utilize the geometric relations formed by measuring the position of underwater targets at set intervals during navigation. In addition, since sound does not travel in a straight line when underwater, the iteration and convergence method must be used to perform corrections on the transmission speed and positional errors to obtain an accurate coordinate of the underwater target. After simulation testing, the positioning system established by the current study has proven to be fast in converging the error values along with high positioning accuracy of the system. The results of the study indicate that the MUPS built by the research institute can be utilized on a vessel, and will be very helpful in assisting the management of urgent underwater positioning missions.     

长基线声学定位系统发展现状及其应用

声学定位技术是各类水下潜器的必备技术之一。重点介绍了水下长基线声学系统的组成、工作原理及国内外发展现状,分析了该技术的应用方向,为我国长基线声学定位技术的发展和应用提供参考。