第八章水声定位导航概述

第八章：水声定位导航概述主要内容8.1定位与导航概述8.2水面舰船的定位导航方法8.3水下导航定位技术的发展8.4水声定位导航技术简介8.4.1水声定位系统8.4.2声学测速和计程设备8.4.3地形地貌测量8.5声呐方程及有关参数8.5.1主动声呐方程8.5.2被动声呐方程1什么是定位与导航定位与导航可以简单归结为怎样回答下面三个问题：（1）我在什么地方？（2）我要到哪去？（3）我怎样去那里？回答这三个问题必须要有一个参照，也就是一个坐标系统，如以国家大地基准、WGS-84坐标系统等为参考来回答这三个问题。2绝对定位与相对定位海洋空间定位分为绝对定位和相对定位。以国家大地基准、ITRF或WGS-84为参考的定位称为绝对定位，如国家领海的划分等。小范围的海洋活动需采用相对定位，如寻找石油井口或打捞沉船等。8.1定位与导航概述3导航导航分为4类（1）海面长程导航，如海面船只的导航（2）水下短程导航，如用于水下调查潜水器的导航（3）水下长程导航，如潜艇的导航（4）冰盖下的导航，如北冰洋游轮的导航现代水面舰船的导航方法有路标导航、天文导航和无线电导航、卫星定位导航、推算导航、惯性导航等。其中路标导航和天文导航是传统的导航手段8.2水面舰船的定位导航方法1传统的导航手段（1）路标导航路标导航是利用罗经、测距仪及六分仪测定路标的方位（船与路标连线与船舶所在子午线的夹角）、距离或水平夹角等决定船舶位置的导航过程。（2）天文导航的天文导航是利用六分仪测定天空中具有一定规律的天体（星、太阳、月亮）决定船舶位置进行导航的过程。（3）传统导航手段的特点传统的导航手段只能在天气良好的条件下，物标或天体的能见度良好时才能适用，而且观测繁杂、速度慢、精度差。2无线电导航（1）定义利用无线电技术确定船舶的位置，引导船舶沿规定的航线按规定的时间安全到达目的地的方法。（2）优缺点优点：受外界条件限制小；可在近、中、远距离甚至在全球进行导航，精度高、速度快；可靠性高且经济效益好；采用了电子计算机进行自动导航；可实现导航、通信、识别等多种功能。缺点:易受自然环境、人为因素的干扰及发射台的制约。3卫星导航（1）定义用导航卫星发送的导航定位信号引导运动载体安全到达目的地的导航手段。这种系统由导航卫星、地面站和用户设备三大部分构成。目前世界上应用比较成熟广泛的是美国的GPS卫星导航系统以及俄罗斯的GNSS导航系统，我国的北斗导航定位系统也在快速发展中目前已经发射了15颗卫星。（2）特点可以实现全球、全天候、高精度、连续导航。4推算导航（1）定义根据船舶的航向（航行方向）和航程（一定时间内航行的距离）算出船舶位置的方法。它有作（海）图法和计算法（数学计算及查表）两种，用于推算导航的器材有相对速度计程仪和绝对速度计程仪两类。（2）特点推算船位的精度取决于起始位置、航行时间、航速、航向、计算器材、所用资料及作图的准确性。对在海上推算影响最大的是海流、潮汐和风，且随着时间延长易产生累积误差。5惯性导航（1）定义利用陀螺仪和加速度计这两种惯性敏感器，通过测量船舶加速度和角速度而实现的自主式导航方法。（1）需求与局限20世纪70年代，由于经济上、军事上、科技上的需求对水下载体的定位要求越来越高。经济上主要是海洋资源的开发，科技上主要是海洋资源环境调查，军事上主要是提高水下作战效能的需要。而上面介绍的各种水面舰船的导航手段除了惯性导航外均很难用于水下载体的定位导航。并且惯性导航容易导致误差积累精度难以满足需求。（2）获取水下信息最有效的转播载体是声波20世纪70年代海洋勘探中用到了长基线、短基线、超短基线水声定位系统。80年代核潜艇和水下导弹技术对潜艇定位提出更高要求。结果是水声定位和导航已经成为导航领域一个十分重要的分支8.3水下导航定位技术的发展水声定位与导航技术大体分为三类：水声定位技术、载体声学测速技术和海底地形地貌测量技术。8.4.1水声定位系统水声定位系统主要指可用于局部区域精确定位与导航的系统。水声定位系统分为：长基线系统、短基线系统和超短基线系统。水声定位系统都有多个基元（接收器或应答器），这些基元间的连线成为基线。8.4水声定位与导航技术简介长基线水声定位系统示意图短基线水声定位系统示意图超短基线水声定位系统示意图三种系统的优缺点：（1）超短基线定位系统的优点是整个系统的构成简单、操作方便不需要组建水下基线阵、测距精度高，缺点是需要做大量的校准工作，其定位精度随着水的深度和工作距离的增加而降低。定位精度比其他两种系统差。（2）短基线定位系统的优点是构成简单、便于操作、不需要组建水下基线阵、换能器体积小安装简单。缺点是某些水听器可能不可避免安装在高噪声区从而使性能恶化，此外其定位精度与水深和工作距离关系极大。（3）长基线定位系统的优点是定位精度高，且定位精度与水深无关，换能器小易于安装。缺点是系统复杂、操作繁琐，需要安装数量巨大的声基阵、费用昂贵；需要长时间布设和收回海底声基阵，深水使用时，数据更新率低。水声定位系统的工作频率和作用距离这是根据水下声波传播的性质划分的频率范围水声定位系统的用途：随着海洋开发事业和科学技术的发展，水声定位系统有愈来愈广泛的用途。例如它可用于水下目标的跟踪定位、海洋资源开发、海底管道和电缆的铺设维修、水下结构施工和定位等。在军事上它应用的重要性更加突显。如潜艇的定位导航等。8.4.2声学测速和计程设备声学测速和计程设备主要有两种：多普勒速度计程仪（DopplerVelocityLog,DVL）声相关速度计程仪（AcousticCorrelationLog,ACL）两种设备参数比较8.4.2地形地貌测量海底地形指海底深度与地理坐标对应的关系图（或等高线图），海底地貌指海底表面的细微结构图（类似于照片或图像）。海底地形图通过海底深度测量数据绘制，地貌图则根据海底各点的回波强度来获得。用于海底地形地貌测量的设备有：单波速回波测深仪（SingleBeamEchosounder）多波速回波测深仪（MultibeamEchosounder）侧扫或旁视声呐（SideScanSonar）8.5声呐方程及有关参数什么叫声纳？Sonar—SOundNAvigationandRanging利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。声呐按工作方式分为主动声呐和被动声呐声纳参数声源级SL传播损失TL目标强度TS传播损失TL接收指向性指数DI噪声级NL等效平面波混响级RL检测阈DT主动声纳声纳参数声源级SL传播损失TL指向性指数DIR噪声级NL检测阈DT被动声纳声纳参数声源级SL描述主动声纳所发射声信号的强弱：10lg10rIISLSL反映发射器辐射声功率大小。1.2声纳参数解释原因：它可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声纳的作用距离。如何提高主动声纳作用距离？声纳参数声源级与声功率的关系假设：1.介质无声吸收；2.声源为点源；3.辐射声功率为Pa(W)214mWPIar无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：77.170lg10aPSL常识：船用声纳Pa为几百瓦～几千瓦，DIT为10～30dB，SL约为210～240dB。有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：TaDIPSL77.170lg10声纳参数传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：rIITL1lg10声纳参数目标强度TS定量描述目标反射本领的大小：1lg10rirIITS目标QCPIr1m常识：1.不同目标回波不一样；2.回波与入射波特性和目标特性有关。声纳参数海洋环境噪声级NL海洋环境噪声：由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。NL是度量环境噪声强弱的量：0lg10IINLN注意：IN是测量带宽内或1Hz频带内的噪声强度。主动声纳背景干扰声纳参数环境噪声平稳的、各向同性的混响非平稳的、非各向同性的声纳参数定量描述混响干扰的强弱。定义：强度已知的平面波轴向入射到水听器上，水听器输出电压值；将水听器移置于混响场中，声轴指向目标，水听器输出电压值。等效平面波混响级RL10lgRL水听器输出端混响功率参考声强信号产生的功率声纳参数定义：接收指向性指数DI声功率指向性水听器产生的噪噪声功率无指向性水听器产生的lg10DI注意：指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听器的灵敏度。物理含义：接收系统抑制背景噪声的能力。声纳参数定义：设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。检测阈DT功率水听器输出端上的噪声信号功率刚好完成某种职能时的lg10DT注意：对于同种职能的声纳设备，检测阈值较低的设备，其处理能力强，性能也好。声纳方程1.将海水介质、声纳目标和声纳设备作用联系在一起；2.将信号与噪声相联系；3.综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的设计和应用所产生影响的关系式。声纳方程声纳方程基本考虑1.声纳方程基本原则：信号级-背景干扰级检测阈2.背景干扰级含义：设备工作带宽内部分背景噪声才起干扰作用。声纳方程主动声纳方程信号级（回声信号级）：SL-2TL+TS背景干扰级：NL-DI注意：换能器声轴指向？声纳方程主动声纳方程处理器处电信号信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）主动声纳方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT注意：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为各向同性的环境噪声情况。声纳方程主动声纳方程主动声纳方程（混响背景）：（SL-2TL+TS）-RL＝DT声纳方程被动声纳方程•噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器；•噪声源发出的噪声不经目标反射，即无TS；•背景干扰为环境噪声。声纳方程被动声纳方程（SL-TL）-（NL-DI）＝DT注意：SL噪声源辐射噪声的声源级。被动声纳存在混响背景声纳方程吗？为什么？