内容简介
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。
精彩书评
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
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
试读
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。一般出于保证运载器航行安全的目的,水面作业监控母船要对运载器布放、驻留、作业及回收全过程进行监控,时刻掌握航行器在水下的位置,但是,载人潜水器水下作业时,水面监控母船对其定位监控的精度与更新率要求都不高。有关运载器状态信息的回传,一般通过单*的通信声呐来完成,也可在定位监控的同时提供数据传输的水声链路,支持数据回传和控制指令发送。
(2)测量类定位与导航需求。水下精确位置信息对于很多水下作业来说至关重要:鱼雷、水雷、深弹及导弹等水下武器弹道的精确测量;运载器海底地形 /地貌浅剖探测数据处理的精确位置服务;海底地震仪(ocean bottom seismometer, OBS)地震勘探和大型拖曳声学阵列阵型精确监测;运载器导航系统长航测量考核评价;水下考古及测量打捞等海底长时间反复作业定位保障。
(3)基准类定位与导航需求。这是近几年新兴的应用方向,在海底建立类似全球导航卫星系统的长期位置基准,或者在远海将空基或天基位置基准向水下或海底传递。这类应用对精度要求极其苛刻,在海底地壳变化监测及海洋动态精确监测方面具有十分广阔的应用前景。
(4)相对测量类定位与导航需求。运载器之间的关系越来越重要,表现在两种典型作业中:航行器的布放/回收需要类似机场起降、航母起降类信息管理系统,对定位与导航能力要求较高;水下集群队形保持的定位与导航系统,对于完成测量和协同作业意义重大。
(5)长航长时自主导航需求。不同于前面提到的外测类需求,自主导航类传感器是运载器的标配传感器,解决的是在有位置参考或没有位置参考情况下,以惯性为主的自主导航需求。声学测速提供运载器阻尼 /组合信息,海底或水面的位置参考提供局部区域海底导航位置偏差的标校信息。
图1-2 不同深度、不同作业任务的潜水器(彩图附书后)
1.2.4 需求特点
上述这些航行器及作业模式对高精度水声定位与导航的能力提出了较高挑战,主要表现在需求的多样性方面,包括运载器的距离远与近、干扰大与小、深度浅与深、静止还是运动、数目单与多、速度快与慢、时间长与短、精度高与低等,涉及信号的能量计算、信道选择、带宽优选、编码设计、时空处理、参数估计与信息融合等丰富的技术内容。有关技术方面的考虑将在下节阐述,这里简要介绍一下高精度水声定位与导航能力的评价,包括作用距离与范围(深海条件下一般为三维空间问题,包括指向性及盲区限制等因素)、准确度与精度(包括相对于参考点的真值及测量重复性等)、运动速度与数据更新率(主要针对目标和测量环境的动态性和稳健性)、用户个数与频带(主要指应用场景的复杂性和体系性)、平台安装与工作条件(包括噪声条件和电磁兼容条件等)、海洋环境条件(包括海水、海况、海底等自然因素)。
1.3 技术内涵
声、光、电、磁是信息的载体。声波是水下唯一有效的信息载体,声波作为机械波,在静压基础上振动,并牵动邻近水介质运动,形成波现象,进行水声的传播。传播的内容包括:一是信息,即离散化的信息流等;二是能量,即除信息以外的能量,如机械能、超声清洗、超声碎石等产生的能量。除此之外,还有一个潜在的信息量,即由声速物理量导致的可观测量时延值,因此声波具有距离的测量属性。那么海洋中时延这个信息特性是什么?如何获取并利用这个特性形成定位导航的能力?下面简要阐述有关方面的总体考虑。
1.3.1 海洋水声传播的时延特性
有了时延,若已知声速,则可获得水下航行器与坐标参考之间的距离,于是就有了定位与导航的基础。比如已知水中声速为 1500m/s,获得的时延估计是4s,则两者之间的距离为6km。实际情况比较复杂,原因在于海洋环境复杂,昀主要是海水声速的影响。太阳的照射和海水的流动使得海水温度大体呈现水平分层特性(图1-3),而声速主要取决于温度、压力和盐度,即声速是变化的(图1-4)。因此,同样的4s时延不一定对应6km的距离。更复杂一点,声波穿透不均匀水层时,会产生折射现象,类似碗中筷子“折断”现象。当声波穿过不同水层到达接收端时,声波的“声线”轨迹就体现出弯*传播的特点,与定位需要的空间两点间直线距离不同。再者,海水的流动使得顺流传播的声速比逆流要大,因此也会产生变化距离的偏差。当然,接收与发射平台的相对运动也会存在同样的物理现象,称为多普勒现象。另外,接收与发射平台时间不同步问题,或者设备本身也会带来一些固有时延差问题,都会使得传播的时延产生偏差与抖动。除此之外,海水本身介质的起伏引起声波传播的起伏,不同于稳定的时延差,对海水传播介质的相干性产生影响,直接关系到大孔径相干处理的定位与导航精度的提高。
图1-3 太阳照射和海水流动与海水温度关系[4-5]
图1-4 声速变化图[6]