水声定位导航概述

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。

水下综合声学定位技术简介：五种定位模式水下声学定位技术经过数十年的发展已成为各种应用和领域解决水下定位和跟踪最主要和最可靠的技术手段，从定位模式方面可分为USBL(超短基线)定位、SBL(短基线)定位、LBL(长基线)定位三种基本定位模式，和为满足某些特殊定位要求的组合定位模式：LUBL(长超短基线)定位、SLUSBL(长短超短基线)定位等。

以上定位模式简单介绍如下：USBL(超短基线)定位技术超短基线定位技术由于其系统组成简单、安装简易等特点成为应用最为广泛的水下声学定位手段，该技术主要应用与水下拖体定位跟踪、ROV定位导航、DP船声学定位参照、水下潜员跟踪定位等等。

顾名思义，该系统的测量极限非常之短，只有几十公分，且组合于单个声学换能器阵列，便于水面船安装和使用。

参考下图：USBL系统所采用的技术为相控测量技术，即通过测时得到目标距；通过相位测量测得目标的水平几垂直角度，进而确定目标的相对位置。

由于USBL系统的基线非常短，因此其测量角度的分辨率不可能很高，因此该技术系统所能提供的定位精度随斜距的增加而降低。

采用常规模拟声学技术的系统测距精度通常为20-30厘米，只有Sonardyne公司的宽带数字声学技术可达到2-3厘米；定位精度通常为0.2-0.5%X 斜距(必须经过高精度姿态改正和声速改正)。

典型的系统组成和应用如下：典型应用：水下拖体定位跟踪、ROV定位导航、DP船声学定位参照、水下潜员跟踪定位，AUV定位跟踪、遥控，BOP遥控遥测，导管架角度遥测等。

SBL(短基线)定位技术短基线定位系统组成较为简单、安装较为简易，基线由安装在船体的多个(通常4个)发射接收机组成基线，测量基线几十米，参考下图：SBL系统所采用的技术为测距定位技术，即通过测时得到目标距每个发射接收机的距离，进而确定目标的相对位置。

该技术的定位精度较USBL高，单又远远低于LBL技术，系统的操作优势不是很明显，性价比偏低，因此应用远比USBL 和LBL技术低。

水声被动定位技术及其发展趋势水声被动定位技术是利用水声信号在水中传播的特性来实现目标的定位和跟踪的一种技术。

该技术主要基于接收到的来自目标发出的声波信号、水声信道的特性以及接收器间的相对位置来确定目标的位置。

被动定位系统不需要目标进行任何操作，它可以在目标感知不到的情况下对目标进行定位。

水声被动定位技术可以应用于海洋资源勘探、军事侦察、海上安全监测等众多领域。

随着科技的发展，水声被动定位技术也在不断地发展和完善。

第一代水声被动定位技术主要依赖声目标发射的信号，通过测量信号的到达时间和方位角度，得到目标位置信息。

这种技术缺点是只能定位单个目标，定位精度受到信号质量和环境噪声的影响较大。

第二代水声被动定位技术是基于多传感器的概念，多个接收器同时接收到来自空间中多个目标的信号，通过分析信号的相位差、信号强度差等信息来定位多个目标。

这种技术可以有效地提高定位精度和目标跟踪能力，但是需要更加复杂的算法和数据处理能力。

第三代水声被动定位技术又称“自适应”水声被动定位技术，主要应用于复杂电磁环境中。

自适应算法可以根据环境信噪比和目标信号特征来调整各传感器的参数和权重，以提高定位精度和抑制环境噪声。

自适应技术还引入了目标信号的自动识别和跟踪功能，大大提高了系统的自动化程度。

未来，水声被动定位技术将面临新的挑战和机遇。

随着深海勘探的发展，需要更加精确的水声定位技术来支持深海遥控设备的操作；水下自主机器人的大规模应用也需要更加高效的目标自动识别和跟踪算法。

同时，随着水声通信技术的不断发展，水声被动定位技术也可以结合水声通信技术来实现更加智能化的水下传感器网络。

因此，水声被动定位技术在水下大数据应用、远程控制和水下通信等方面也将会得到更加广泛的应用和研究。

水声通信系统中的自组织定位与导航技术研究在广袤的海洋世界中，水声通信系统扮演着至关重要的角色，它就像是海洋中的“信息桥梁”，使得水下的各种设备和平台能够进行有效的信息交流。

而在这一系统中，自组织定位与导航技术更是其中的关键组成部分，为水下的活动提供了准确的位置和方向指引。

要理解水声通信系统中的自组织定位与导航技术，首先得清楚水下环境的特殊性。

与陆地和空中环境相比，水下环境对通信和定位导航带来了巨大的挑战。

水的导电性和吸收性使得电磁波在水中的传播受到极大限制，因此，声波成为了水下通信和定位的主要手段。

然而，声波在水中传播时会受到诸如温度、盐度、压力等多种因素的影响，导致信号的衰减、折射和散射，这使得水下的定位与导航变得异常复杂。

自组织定位与导航技术的出现，为解决这些难题带来了新的思路。

这种技术的核心在于系统中的各个节点能够自主地进行信息交互和协作，从而实现对自身位置和运动状态的准确估计。

在没有中央控制节点的情况下，各个节点通过测量与周围节点之间的相对距离、角度等信息，并利用特定的算法进行计算和优化，逐步确定自己在整个网络中的位置。

在实际应用中，自组织定位与导航技术通常会结合多种传感器的数据。

例如，惯性传感器可以测量节点的加速度和角速度，从而推算出节点的运动轨迹；压力传感器可以提供深度信息；而声学传感器则用于测量与其他节点之间的距离和角度。

这些传感器的数据相互融合和补充，为定位与导航提供了更加全面和准确的依据。

为了实现准确的定位和导航，相关的算法也在不断发展和优化。

常见的算法包括基于测距的算法、基于非测距的算法以及混合算法等。

基于测距的算法通常需要精确测量节点之间的距离，通过三角测量或多边测量等方法来确定位置。

然而，这种方法对距离测量的精度要求较高，而且在复杂的水下环境中容易受到干扰。

基于非测距的算法则不需要精确的距离信息，而是通过节点之间的连接关系和信号强度等特征来估计位置。

虽然这种方法的精度相对较低，但在一些对精度要求不高的场景中具有较好的应用前景。

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。

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。