水声综合测控系统关键技术研究

论文摘要

水声跟踪定位、导航以及水声通信是水声系统的基础应用领域,在海洋科学领域应用广泛,但将水声精确跟踪定位、导航和水声通信融为一体的应用尤有重要价值。我国某试验场原有的水声跟踪定位、导航和通信系统都是单独工作的,其功能比较单一,多系统共同作业时,还会经常出现不能兼容工作的问题,且海上试验过程中目前还难于实现对水下航行目标的指挥通信功能,因此,难以满足试验使用需求。本文针对某海上试验场的大型水声综合测控系统装备预研项目的立项要求,结合我国大陆架延伸距离远、试验海域离岸远的特点,在分析研究了相关技术的基础上,研究了基于浮标式活动阵元的具有水下多目标跟踪、导航和试验指挥水声通信功能的水声综合测控系统体系。着重研究了低速率高清晰度指挥语音水声通信技术、系统定位精度校验技术、浮标水下阵元坐标测量校准技术、水声通信与跟踪导航系统整合等关键技术。讨论了采用可折叠式多功能浮标实现多目标水声跟踪定位、水声导航和水声通信功能的系统整合技术,并对可将水声定位、跟踪监测、水下导航和水声通信相结合的水声及无线电通信传输协议、系统的声兼容等技术进行了研究探讨。其中水声定位精度校验技术、精确自定位可折叠式浮标结构和低速率高清晰度指挥语音水声通信技术是系统研究的独特之处,使系统可以实现大范围、多目标高精度跟踪定位、导航和高清晰度指挥语音水声通信功能。在水声精确定位方面,从定位数据处理方法入手,分析研究了影响系统定位误差的相关因素,研究了自带短基线组合定位功能的浮标阵元水下精确自定位及校准技术和平均声速精确测量技术,并结合同步测时技术来提高系统定位精度的方法,还对系统定位精度和浮标水下阵元的定位精度进行了仿真研究。在指挥通信方面,概要地分析比较了国内外相关水声及无线电数据通信体制及其技术发展状况,研究了基于多媒体信息代码转换的极低速率高清晰度指挥语音水声通信方法。通过对文字及语音等信息的联合编码和解码,可将复杂的语音水声通信转变成简单的水声代码传输。另外,对时频编码水声通信技术和基于扩频水声通信的语音信息代码传输技术也进行了理论探讨和海上试验研究。系统定位精度海上校验方面,研究了水下位置基准建模方法,研制了水声定位精度标定系统,并进行了陆上和海上应用试验测试,验证了该方法的有效性。最后,通过对浮标阵元自定位精度、系统定位精度的实验室仿真,以及通过对模拟目标的标准位置陆上校验、文字及其语音联合编码水声通信海上试验,证实主要关键技术的解决方法合理可行,理论与仿真及海试结果合理地一致,应用这些技术能实现该水声综合测控系统所需的功能和技术要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 立题目的及意义
• 1.3 水声定位导航
• 1.3.1 水声定位分类
• 1.3.2 水声定位导航发展概况
• 1.4 水下声通信及无线电中继
• 1.4.1 水下声通信发展概况
• 1.4.2 无线电扩频通信发展概况
• 1.4.3 中文分词技术发展概况
• 1.5 论文研究内容
• 第2章 水声综合测控系统整合技术
• 2.1 水声综合测控系统模型
• 2.1.1 水声定位和跟踪监测
• 2.1.2 水声通信和水下导航
• 2.2 系统水下定位精度仿真研究
• 2.3 系统整合关键技术
• 2.3.1 浮标阵元结构设计
• 2.3.2 水声通信和定位信号的声兼容
• 2.3.3 无线电和水声通信协议
• 2.4 本章小结
• 第3章 水声精确定位关键技术
• 3.1 浮标阵水声定位误差分析
• 3.2 阵元位置误差对系统定位误差的影响
• 3.3 浮标水下阵元坐标的校准
• 3.3.1 小尺度短基线阵组合定位
• 3.3.2 浮标阵元定位误差分析
• 3.4 平均声速精确测量技术
• 3.4.1 多途信道模型
• 3.4.2 水声多途信道对定位的影响
• 3.4.3 平均声速精确测量
• 3.5 浮标阵元的组合定位精度仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 低速率高清晰度指挥语音水声通信
• 4.1 系统模型及工作原理
• 4.2 信源编码和解码
• 4.2.1 转换词条库的建立
• 4.2.2 多叉树Huffman编码
• 4.2.3 多媒体信息数据库的建立
• 4.2.4 信息代码转换
• 4.2.5 信息解码
• 4.2.6 通信码率需求分析
• 4.3 MFSH-PTDSK体制
• 4.3.1 MFSH-PTDSK编码原理
• 4.3.2 MFSH-PTDSK码元的发射控制
• 4.3.3 基于时频估计的解码原理
• 4.3.4 通信速率分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统定位精度海上校验
• 5.1 模拟目标水下位置基准模型的建立
• 5.2 升降杆的挠曲变形
• 5.2.1 圆柱载荷分析
• 5.2.2 安装圆柱挠曲分析
• 5.2.3 升降杆挠曲变形仿真
• 5.3 水下位置基准定位误差分析
• 5.3.1 航向角测量误差的影响
• 5.3.2 纵横摇角测量误差的影响
• 5.3.3 综合定位误差分析
• 5.4 水下位置基准的坐标变换
• 5.4.1 曲率半径法
• 5.4.2 经典坐标变换法
• 5.4.3 中分纬度法
• 5.5 系统定位精度的统计分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 部分关键技术验证试验
• 6.1 水下位置基准的陆上验证试验
• 6.2 系统水声定位精度对比试验
• 6.2.1 LBLUNS定位精度试验
• 6.2.2 WBDS定位精度试验
• 6.3 水声通信海上试验
• 6.3.1 时频编码水声通信试验
• 6.3.2 混沌扩频水声通信试验
• 6.4 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