高精度水声定位与导航设备是未来水下导航智能化时代无人系统监视、数据采集乃至互操作等作业任务成功的关键。《深海高精度水声定位与导航技术》结合作者的科研成果，详细介绍深海高精度水声定位与导航技术，重点论述超短基线定位技术、水下综合定位技术、高精度相控阵水声测速技术、声学/惯性组合导航技术。这些技术紧密结合水下导航定位的工程应用，展示了国内外该科学领域的昀新研究成果，对水声定位与导航技术的发展和推广具有重要意义。《深海高精度水声定位与导航技术》内容新颖、特色鲜明、论述严谨、重点突出，在理论研究的基础上兼顾实际应用中存在的问题，同时具备理论参考和工程应用价值。

本书内容新颖、特色鲜明、论述严谨、重点突出，在理论研究的基础上兼顾实际应用中存在的问题，同时具备理论参考和工程应用价值。

目录
丛书序
自序
第1章绪论1
1.1概述1
1.2水下定位与导航需求1
1.2.1概念内涵1
1.2.2载体种类2
1.2.3作业模式3
1.2.4需求特点4
1.3技术内涵4
1.3.1海洋水声传播的时延特性5
1.3.2信号设计——获取时延信息的关键7
1.3.3信息处理——提升定位与导航能力的关键7
1.3.4能量设计——定位导航设备的物质基础8
1.4发展现状9
1.4.1水声定位技术与设备9
1.4.2水声测速导航技术与设备13
1.5未来发展趋势22
参考文献23
第2章超短基线定位技术25
2.1概述25
2.2USBL定位系统介绍25
2.2.1USBL定位原理25
2.2.2USBL定位系统误差分析30
2.3USBL定位算法35
2.3.1常规声学定位算法36
2.3.2三角分解定位算法38
2.3.3基线分解定位算法40
2.3.4附加约束的立体阵定位算法44
2.4阵型误差修正算法47
2.4.1有效声速简介47
2.4.2基于有效声速的水声定位模型49
2.4.3基阵坐标系构建50
2.4.4性能分析51
2.5安装误差校准技术53
2.5.1安装位置偏差校准技术54
2.5.2安装角度偏差校准技术58
2.5.3测线优选62
2.5.4仿真与试验分析68
2.6典型应用73
2.6.1USBL水声定位技术概述73
2.6.2“蛟龙”号载人深海潜水器74
2.6.3水下无人潜水器对接引导应用76
参考文献79
第3章水下综合定位技术81
3.1概述81
3.2综合定位系统介绍81
3.2.1综合定位基本原理81
3.2.2综合定位精度分析82
3.2.3海底声信标阵型设计85
3.2.4主要系统误差来源87
3.3高精度声信标阵型标定88
3.3.1绝对标定88
3.3.2相对标定102
3.3.3性能分析108
3.4运动补偿113
3.4.1水下运载器运动对定位精度的影响113
3.4.2基于运动补偿高精度定位116
3.4.3性能分析119
3.5典型应用121
3.5.1“奋斗者”号载人深海潜水器122
3.5.2“鲲龙500”集矿车海底作业126
参考文献129
第4章高精度相控阵水声测速技术130
4.1概述130
4.2水声测速技术基础130
4.2.1水声测速原理130
4.2.2相控阵多普勒测速技术140
4.2.3高精度多普勒频率估计147
4.2.4水声测速应用场景154
4.3宽带信号波形设计技术156
4.3.1宽带信号波形设计准则157
4.3.2宽带信号波形选择与优化159
4.3.3宽带信号波形设计性能分析161
4.4长期测速准确度校准技术164
4.4.1影响测速准确度的误差源分析165
4.4.2测速准确度的基阵坐标系校准方法175
4.4.3测速准确度的径向系校准方法181
4.5瞬时测速精度评价技术187
4.5.1信息级测速精度评价188
4.5.2波形级测速精度评价193
4.6水声测速系统设计案例201
4.6.1测速声呐设计案例201
4.6.2相控对接检测案例206
参考文献218
第5章声学/惯性组合导航技术221
5.1概述221
5.2捷联惯导及其组合导航技术223
5.2.1捷联惯导223
5.2.2卡尔曼滤波239
5.2.3基于速度/位置基准的组合导航技术248
5.3SINS/DVL信息融合256
5.3.1安装偏差标校技术257
5.3.2初始对准技术264
5.3.3组合导航技术268
5.4SINS/USBL组合导航技术279
5.4.1SINS/USBL组合导航基本实现方法280
5.4.2SINS/USBL组合导航自适应滤波算法301
5.4.3引入径向速度的SINS/USBL组合导航实现方法314
参考文献335
索引336
彩图

第1章 绪论
　　1.1 概述
　　水声定位与导航设备是安装在运载器上的一类重要传感器，依赖声学原理完成载体水下位置、速度等导航参数的获取任务，与惯性导航、卫星定位等设备共同构成运载器的导航系统。本书仅限于探讨合作目标的水下定位与导航，不包含利用辐射声或散射声进行非合作目标定位与跟踪的相关内容。
　　水声定位与导航技术是支持相关设备研发的原理、方法、系统、数据处理和性能评价等技术的统称。水声作为一种“波”现象，具有的声速测量属性，是获得载体与已知参考点（合作信标参考、海底或水层参考等）距离、方向和速度等信息的物理基础。假如能够获得与多个位置参考点的距离，则通过多个距离的交汇，可以获得载体的位置信息；假如能够获得与参考点的距离和方向，也可以获得载体相对于参考点的位置信息；假如能够获得载体自身对于海底 /水层的声反射多普勒信息，则可以获得载体相对海底 /水层的速度信息。上述定位与测速原理都包含声信号的发射、传播、接收、处理及信息提取等典型的声呐工作过程，因此，水声定位与导航设备也称为水声定位与导航声呐。
　　近年来，水声定位与导航技术备受关注，尤其在运载器发展日新月异的今天，对高精度水声定位与导航设备的需求日趋强烈。但获得高精度的水声定位与导航能力不是一件轻松的事情，它与海洋环境、平台载体、基准配置、辅助仪器、信号设计、信息处理以及系统实现等很多因素有关。从学科观点看，高精度水声定位与导航涉及水声、海洋、导航、测绘、信息和电子等多个学科。因此，作为水声工程学科的重要发展方向，跨学科联合是推进高精度水声定位与导航能力发展的必由之路。
　　1.2 水下定位与导航需求
　　1.2.1 概念内涵
　　我在哪里？我如何到那里？这是需要定位与导航回答的两个问题。“在哪里”和“如何到那里”涉及两个方面的问题，一是坐标参考，二是与坐标参考的关系。有了坐标参考，通过测距、测向和测速，就可以获得所在地点的位置坐标，即完成定位。而坐标参考严格意义上是大地测量学的内容，统称为坐标系统或支持坐标系统的参考框架。仅就地球而言，由于地球是不断运动的，这个坐标系统本身也是不停演化的，所以又称为坐标与维持系统。水下坐标参考，或说水下位置基准，是天基、空基等坐标基准向水下的延伸。由于海水对电磁波传播的阻碍，水下位置基准的传递与维持需要水声来进行，这是坐标参考需要解决的问题。导航解决的是“如何到那里”的问题。文献 [1]引用了牛津字典的导航定义，所谓导航，即通过几何学、天文学、无线电信号等手段确定或规划船舶、飞机位置及航线的方法。这里涉及两个概念，运动体相对于参考系的位置与速度（通常所说的定位的概念），以及由一个地方到另外一个地方的航线规划和保持。因此关于定位与导航的关系，有两个角度可以进行理解：一方面按照上述导航定义，定位是导航的“子集”，即前面所说的“与坐标参考的关系”的问题，可称之为狭义的定位；另一方面，由于大地测量、建立位置基准的需要，如建立导航参考框架、监测公路桥梁形变等工程测量，所涉及的定位概念范畴更大一些，即前面所说的“坐标参考”的问题，可以称之为广义的定位。在水下，特别是对抗条件下，坐标参考的信息不是随时随地可以提供，这时运载器需要的定位与导航地位相当，既需要解决与定位基准的关系或进行基准传递后建立基准的问题，又需要在没有基准或弱基准条件下为运载器提供连续安全和可靠服务，引导运载器沿着规划的路线准确到达目的地。
　　1.2.2 载体种类
　　对于海洋的水下世界，即便在现代社会仍具有无穷的神秘感，源于海洋对电磁与光等传统信息手段的不透明。人类在探索海洋的征途上，总是在努力发明一些工具，依赖它们探索远洋、深海并长时间驻留，这些工具就是运载器。图1-1给出了两种运载器实物图。潜艇是人类探索水下世界的**个伟大发明，从第二次世界大战的“狼群战”出名之后，由于水下空间的隐蔽性，一直到当下并可预见会持续到未来相当长的一段时期，潜艇作为*重要的一种运载器，仍将占据着极其重要的地位。我国从20世纪60年代开始研制载人潜水器，到现在的“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号新一代载人潜水器，载人潜水器是人类探索未知世界的重要利器。水下无人航行器（unmanned underwater vehicle， UUV）近20年来也步入发展快车道，单体化、集群化、体系化和大型化的发展趋势显著。除此之外，传统的鱼雷、自航水雷以及深海拖曳载体等都可归类为运载器。作为这些运载器的重要载荷，高精度的水声定位与导航传感器是这些运载器的无人、自主、智能发展和探索未知海洋水下世界的*强助力。
　　图1-1 两种运载器实物图[2-3]
　　1.2.3作业模式
　　按照对水声定位与导航的需求差异，把运载器的作业分成如下几类。不同深度、不同作业任务的潜水器如图1-2所示。
　　（1）监控类定位与导航需求。一般出