深海水声应答器定位导航技术研究

论文摘要

水下潜器在海洋开发、科学研究和军事应用中占有重要的地位,它的精确定位导航是完成各项使命的必要前提。在各项导航定位手段中,水声定位导航是唯一有效的手段。导航方法和海底应答器绝对位置的校准是水声定位导航技术的关键。本文基于超短基线,研究了在深海利用水声应答器对水下潜器的精确定位和导航问题。全文的主要内容如下:基于超短基线定位系统,阐述了单海底应答器水声定位导航的两种工作方式。利用超短基线的测距测向功能,单次应答便可直接对水下潜器进行定位和导航。当仅利用超短基线的测向功能时,需在多点对应答器测向利用纯方位方法对水下潜器导航。考虑了单应答器水声定位导航的深海工作特性,特别给出了相应的声线弯曲修正方法。当海底布放有多只应答器时,研究了长基线和长/超短基线两种工作方式。应答器阵的布放直接影响到了长基线定位导航系统的性能,因而文中设计了一种海底应答器阵的最优布放方案。也对长基线的深海工作方法和性能进行了分析。在分析超短基线和长基线定位导航精度的空间分布特性的基础上,对长/超短基线组合声学定位导航系统提出了一种基于最小均方误差(MMSE)的信息融合方法。海底应答器位置的精确校准是系统工作的前提。在深海,必须进行声线弯曲修正才可获得高精度校准结果。文中结合海底应答器位置校准方法,分别就声速分布已知和未知两种条件开发了深海声线弯曲修正方法。此外,为提高作业效率,提出了一种基于超短基线的两测点海底应答器绝对位置快速校准方法。文中还对深海海底多只应答器的阵型校准算法和高精度的应答器阵位置校准方法进行了研究。论文介绍了多次湖试和海试情况,分析了试验数据。结果表明,试验结果和理论分析相一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水声定位技术
• 1.2.1 水声定位技术的分类
• 1.2.2 水声定位技术的历史与发展现状
• 1.2.3 水声定位导航存在的技术问题及发展方向
• 1.3 声线弯曲修正的理论基础
• 1.3.1 Snell定律与射线跟踪
• 1.3.2 等效平均声速模型
• 1.3.3 多项式拟合逼近模型
• 1.4 本论文研究的目的、意义和主要内容
• 第2章 深海水声应答器定位导航技术
• 2.1 单应答器水声导航基本原理与分类
• 2.2 深海超短基线单海底应答器水下声学导航方法
• 2.2.1 基本原理
• 2.2.2 大地坐标变换
• 2.2.3 超短基线水下声学导航性能分析
• 2.2.4 深海条件下超短基线定位的相关问题
• 2.3 纯方位单海底应答器水下声学导航
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 深海的声线弯曲修正问题
• 2.3.3 航线设计与精度分析
• 2.4 长基线定位导航系统
• 2.4.1 球面交汇与双曲面交汇
• 2.4.2 海底应答器布放阵型优化设计
• 2.4.3 精度的空间几何分布特性仿真
• 2.4.4 深海长基线定位导航
• 2.5 L/USBL声学定位导航组合系统初步研究
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 一种基于最小均方误差（MMSE）的L/USBL信息融合方法
• 2.5.3 L/USBL的计算机仿真结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 深海海底应答器绝对位置精确快速校准
• 3.1 ILBL单应答器绝对位置校准
• 3.2 已知声速分布下的海底应答器绝对位置精确校准
• 3.2.1 双曲面交汇声线弯曲修正
• 3.2.2 一种球面交汇声线弯曲修正的新方法
• 3.3 参数法声线弯曲修正
• 3.3.1 基于分层模型的声线弯曲修正
• 3.3.2 单参数应答器绝对位置精确校准
• 3.3.3 多参数应答器绝对位置精确校准
• 3.4 两测点应答器绝对位置的快速校准
• 3.4.1 基本原理
• 3.4.2 精度的空间几何分布特性
• 3.4.3 计算机仿真结果
• 3.5 海底应答器阵型校准方法
• 3.5.1 应答器阵型测定的数学模型
• 3.5.2 基于SCAT的应答器阵型测定方法
• 3.5.3 基于基线测量的应答器阵型校准
• 3.6 高精度海底应答器阵绝对位置校准
• 3.6.1 基本原理
• 3.6.2 深海性能分析与计算机仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 外场试验数据分析与处理
• 4.1 试验系统简介与试验概况
• 4.1.1 试验系统简介
• 4.1.2 外场试验概况
• 4.2 超短基线定位精度考核试验
• 4.3 海底应答器绝对位置校准试验
• 4.3.1 海底应答器绝对位置校准
• 4.3.2 海底应答器绝对位置快速校准
• 4.4 水声应答器导航试验
• 4.4.1 长基线定位导航试验
• 4.4.2 超短基线单应答器定位导航试验
• 4.4.3 纯方位单应答器定位导航试验
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢