第八章水聲定位導航概述

1、8.1 定位與導航概述8.2 水面艦船的定位導航方法8.3 水下導航定位技術(shù)的發(fā)展8.4 水聲定位導航技術(shù)簡介 8.4.1 水聲定位系統(tǒng) 8.4.2 聲學測速和計程設(shè)備 8.4.3 地形地貌測量8.5 聲吶方程及有關(guān)參數(shù) 8.5.1 主動聲吶方程 8.5.2 被動聲吶方程1 什么是定位與導航 定位與導航可以簡單歸結(jié)為怎樣回答下面三個問題： （1）我在什么地方？（2）我要到哪去？（3）我怎樣去那里？回答這三個問題必須要有一個參照，也就是一個坐標系統(tǒng)，如以國家大地基準、WGS-84坐標系統(tǒng)等為參考來回答這三個問題。2 絕對定位與相對定位 海洋空間定位分為絕對定位和相對定位。以國家大地基準、ITRF

2、或WGS-84為參考的定位稱為絕對定位，如國家領(lǐng)海的劃分等。小范圍的海洋活動需采用相對定位，如尋找石油井口或打撈沉船等。8.1 定位與導航概述3 導航 導航分為4類 （1）海面長程導航，如海面船只的導航 （2）水下短程導航，如用于水下調(diào)查潛水器的導航 （3）水下長程導航，如潛艇的導航 （4）冰蓋下的導航，如北冰洋游輪的導航 現(xiàn)代水面艦船的導航方法有路標導航、天文導航和無線電導航、衛(wèi)星定位導航、推算導航、慣性導航等。其中路標導航和天文導航是傳統(tǒng)的導航手段 8.2 水面艦船的定位導航方法1 傳統(tǒng)的導航手段 （1）路標導航 路標導航是利用羅經(jīng)、測距儀及六分儀測定路標的方位（船與路標連線與船舶所在子午

3、線的夾角）、距離或水平夾角等決定船舶位置的導航過程。 （2）天文導航的 天文導航是利用六分儀測定天空中具有一定規(guī)律的天體（星、太陽、月亮）決定船舶位置進行導航的過程。 （3）傳統(tǒng)導航手段的特點 傳統(tǒng)的導航手段只能在天氣良好的條件下，物標或天體的能見度良好時才能適用，而且觀測繁雜、速度慢、精度差。 2 無線電導航 （1）定義 利用無線電技術(shù)確定船舶的位置，引導船舶沿規(guī)定的航線按規(guī)定的時間安全到達目的地的方法。 （2）優(yōu)缺點 優(yōu)點：受外界條件限制小；可在近、中、遠距離甚至在全球進行導航，精度高、速度快；可靠性高且經(jīng)濟效益好；采用了電子計算機進行自動導航；可實現(xiàn)導航、通信、識別等多種功能。 缺點:易

4、受自然環(huán)境、人為因素的干擾及發(fā)射臺的制約。 3 衛(wèi)星導航 （1）定義 用導航衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號引導運動載體安全到達目的地的導航手段。 這種系統(tǒng)由導航衛(wèi)星、地面站和用戶設(shè)備三大部分構(gòu)成。目前世界上應(yīng)用比較成熟廣泛的是美國的GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及俄羅斯的GNSS導航系統(tǒng)，我國的北斗導航定位系統(tǒng)也在快速發(fā)展中目前已經(jīng)發(fā)射了15顆衛(wèi)星。 （2）特點 可以實現(xiàn)全球、全天候、高精度、連續(xù)導航。 4 推算導航 （1）定義 根據(jù)船舶的航向（航行方向）和航程（一定時間內(nèi)航行的距離）算出船舶位置的方法。它有作（海）圖法和計算法（數(shù)學計算及查表）兩種，用于推算導航的器材有相對速度計程儀和絕對速度計程儀兩類。 （

5、2）特點 推算船位的精度取決于起始位置、航行時間、航速、航向、計算器材、所用資料及作圖的準確性。對在海上推算影響最大的是海流、潮汐和風，且隨著時間延長易產(chǎn)生累積誤差。 5 慣性導航 （1）定義 利用陀螺儀和加速度計這兩種慣性敏感器，通過測量船舶加速度和角速度而實現(xiàn)的自主式導航方法。 （1）需求與局限 20世紀70年代，由于經(jīng)濟上、軍事上、科技上的需求對水下載體的定位要求越來越高。經(jīng)濟上主要是海洋資源的開發(fā)，科技上主要是海洋資源環(huán)境調(diào)查，軍事上主要是提高水下作戰(zhàn)效能的需要。而上面介紹的各種水面艦船的導航手段除了慣性導航外均很難用于水下載體的定位導航。 并且慣性導航容易導致誤差積累精度難以滿足需求

6、。 （2）獲取水下信息最有效的轉(zhuǎn)播載體是聲波 20世紀70年代海洋勘探中用到了長基線、短基線、超短基線水聲定位系統(tǒng)。 80年代核潛艇和水下導彈技術(shù)對潛艇定位提出更高要求。 結(jié)果是水聲定位和導航已經(jīng)成為導航領(lǐng)域一個十分重要 的分支8.3 水下導航定位技術(shù)的發(fā)展 水聲定位與導航技術(shù)大體分為三類：水聲定位技術(shù)、載體聲學測速技術(shù)和海底地形地貌測量技術(shù)。8.4.1 水聲定位系統(tǒng) 水聲定位系統(tǒng)主要指可用于局部區(qū)域精確定位與導航的系統(tǒng)。水聲定位系統(tǒng)分為：長基線系統(tǒng)、短基線系統(tǒng)和超短基線系統(tǒng)。 水聲定位系統(tǒng)都有多個基元（接收器或應(yīng)答器），這些基元間的連線成為基線。8.4 水聲定位與導航技術(shù)簡介長基線水聲定位系

7、統(tǒng)示意圖短基線水聲定位系統(tǒng)示意圖超短基線水聲定位系統(tǒng)示意圖三種系統(tǒng)的優(yōu)缺點： （1）超短基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點是整個系統(tǒng)的構(gòu)成簡單、操作方便不需要組建水下基線陣、測距精度高，缺點是需要做大量的校準工作，其定位精度隨著水的深度和工作距離的增加而降低。定位精度比其他兩種系統(tǒng)差。 （2）短基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點是構(gòu)成簡單、便于操作、不需要組建水下基線陣、換能器體積小安裝簡單。缺點是某些水聽器可能不可避免安裝在高噪聲區(qū)從而使性能惡化，此外其定位精度與水深和工作距離關(guān)系極大。 （3）長基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點是定位精度高，且定位精度與水深無關(guān)，換能器小易于安裝。缺點是系統(tǒng)復雜、操作繁瑣，需要安裝數(shù)量巨大的聲基陣、費用

8、昂貴；需要長時間布設(shè)和收回海底聲基陣，深水使用時，數(shù)據(jù)更新率低。水聲定位系統(tǒng)的工作頻率和作用距離這是根據(jù)水下聲波傳播的性質(zhì)劃分的頻率范圍水聲定位系統(tǒng)的用途： 隨著海洋開發(fā)事業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展，水聲定位系統(tǒng)有愈來愈廣泛的用途。例如它可用于水下目標的跟蹤定位、海洋資源開發(fā)、海底管道和電纜的鋪設(shè)維修、水下結(jié)構(gòu)施工和定位等。在軍事上它應(yīng)用的重要性更加突顯。如潛艇的定位導航等。8.4.2 聲學測速和計程設(shè)備 聲學測速和計程設(shè)備主要有兩種： 多普勒速度計程儀（Doppler Velocity Log ,DVL） 聲相關(guān)速度計程儀（Acoustic Correlation Log ,ACL） 兩種設(shè)備參數(shù)比

9、較8.4.2 地形地貌測量 海底地形指海底深度與地理坐標對應(yīng)的關(guān)系圖（或等高線圖），海底地貌指海底表面的細微結(jié)構(gòu)圖（類似于照片或圖像）。海底地形圖通過海底深度測量數(shù)據(jù)繪制，地貌圖則根據(jù)海底各點的回波強度來獲得。 用于海底地形地貌測量的設(shè)備有： 單波速回波測深儀（Single Beam Echosounder） 多波速回波測深儀（Multibeam Echosounder） 側(cè)掃或旁視聲吶（Side Scan Sonar） 8.5 聲吶方程及有關(guān)參數(shù)什么叫聲納？什么叫聲納？SonarSonarundund vigationvigation and and anginganging利用水下聲信息進

10、行探測、識別、定位、導航和通訊的系統(tǒng)。聲吶按工作方式分為主動聲吶和被動聲吶 聲納參數(shù)聲納參數(shù) n聲源級聲源級SLSLn傳播損失傳播損失TLTLn目標強度目標強度TSTSn傳播損失傳播損失TLTLn接收指向性指數(shù)接收指向性指數(shù)DIDIn噪聲級噪聲級NLNLn等效平面波混響級等效平面波混響級RLRLn檢測閾檢測閾DTDT聲納參數(shù)聲納參數(shù) n聲源級聲源級SLSLn傳播損失傳播損失TLTLn指向性指數(shù)指向性指數(shù)DIDIR Rn噪聲級噪聲級NLNLn檢測閾檢測閾DTDT 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 聲源級聲源級SLSL描述主動聲納所發(fā)射聲信號的強弱：10lg10 rIISLSL反映發(fā)射器輻射聲功率大小。 1.2

11、1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 解釋原因：它可以提高輻射信號的強度，相應(yīng)也提高回聲信號強度，增加接收信號的信噪比，從而增加聲納的作用距離。 如何提高主動聲納作用距離？如何提高主動聲納作用距離？聲納參數(shù)聲納參數(shù) 聲源級與聲功率的關(guān)系聲源級與聲功率的關(guān)系假設(shè)：1. 介質(zhì)無聲吸收；2. 聲源為點源；3. 輻射聲功率為Pa(W) 214mWPIar 無指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關(guān)系： 77.170lg10 aPSL常識：船用聲納 Pa為幾百瓦幾千瓦，DIT為1030dB， SL約為210240dB。有指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關(guān)系： TaDIPSL 77.170lg10 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 傳播損失傳

12、播損失TLTL定量描述聲波傳播一定距離后聲強度的衰減變化：rIITL1lg10 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 目標強度目標強度TSTS定量描述目標反射本領(lǐng)的大小 ：1lg10rirIITSIr1m常識：1. 不同目標回波不一樣； 2. 回波與入射波特性和目標特性有關(guān)。 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 海洋環(huán)境噪聲級海洋環(huán)境噪聲級NLNL海洋環(huán)境噪聲：由海洋中大量的各種各樣的噪聲源發(fā)出的聲波構(gòu)成的，它是聲納設(shè)備的一種背景干擾背景干擾。NL是度量環(huán)境噪聲強弱的量 ：0lg10IINLN 注意：IN是測量帶寬內(nèi)測量帶寬內(nèi)或1Hz頻帶內(nèi)頻帶內(nèi)的噪聲強度。主動聲納背景干擾聲納參數(shù)聲納參數(shù) 環(huán)境噪聲環(huán)境噪聲平穩(wěn)的、各向同性的混混

13、響響非平穩(wěn)的、非各向同性的聲納參數(shù)聲納參數(shù) 定量描述混響干擾的強弱。定義：強度已知的平面波軸向軸向入射到水聽器上，水聽器輸出電壓值；將水聽器移置于混響場中，聲軸指聲軸指向目標向目標，水聽器輸出電壓值。 等效平面波混響級等效平面波混響級RLRL10lgRL 水聽器輸出端混響功率參考聲強信號產(chǎn)生的功率 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 定義：接收指向性指數(shù)接收指向性指數(shù)DIDI聲功率指向性水聽器產(chǎn)生的噪噪聲功率無指向性水聽器產(chǎn)生的lg10DI注意：指向性水聽器的軸向靈敏度等于無指向性水聽器的靈敏度。 物理含義：接收系統(tǒng)抑制背景噪聲的能力。 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 定義：設(shè)備剛好能正常工作所需的處理器輸入端的信噪比值()

14、。 檢測閾檢測閾DTDT功率功率水聽器輸出端上的噪聲水聽器輸出端上的噪聲信號功率信號功率剛好完成某種職能時的剛好完成某種職能時的lg10 DT注意：對于同種職能的聲納設(shè)備，檢測閾值的設(shè)備，其處理能力，性能也。 聲納方程聲納方程 1.將海水介質(zhì)、聲納目標和聲納設(shè)備作用聯(lián)系在一起；2.將信號與噪聲相聯(lián)系；3.綜合考慮水聲所特有的各種現(xiàn)象和效應(yīng)對聲納設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用所產(chǎn)生影響的關(guān)系式。聲納方程聲納方程 聲納方程聲納方程 信號級-背景干擾級 檢測閾設(shè)備工作帶寬內(nèi)部分背景噪聲才起干擾作用。 聲納方程聲納方程 主動聲納方程主動聲納方程信號級（回聲信號級）：SL-2TL+TS背景干擾級：NL-DI注意：換能器聲軸指向？ 聲納方程聲納方程 主動聲納方程主動聲納方程處理器處電信號信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）主動聲納方程（噪聲背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）DT注意：適用于收發(fā)合置型聲納，對于收發(fā)分置聲納，往返傳播損失不能簡單用2TL表示；適用于背景干擾為各向同性的環(huán)境噪聲