水下定位与导航简述
水下机器人定位导航技术在海洋资源开发中的应用
水下机器人定位导航技术在海洋资源开发中的应用随着人类对海洋资源的需求日益增长，水下机器人定位导航技术在海洋资源开发中扮演着重要的角色。
水下机器人通过精准的定位和可靠的导航，为海洋资源开发提供了先进的工具和技术支持。
本文将重点介绍水下机器人定位导航技术的原理和在海洋资源开发中的应用。
水下机器人定位导航技术主要包括定位和导航两个方面。
定位是指确定水下机器人相对于目标位置的准确位置信息，而导航则是根据定位结果，为水下机器人提供合适的航线和方向，以达到目标位置。
现代水下机器人定位导航技术主要依赖于多种传感器和算法的组合，如全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）、声纳系统、激光雷达等。
首先，水下机器人定位导航技术在海洋资源勘探中具有重要作用。
海洋资源勘探是指通过对海底地质状况和水下生态的研究，寻找潜在的矿产资源和生物资源。
水下机器人搭载各种传感器和设备，能够深入海底进行高精度的地质探测和生物调查。
借助于定位技术，水下机器人能够准确地记录勘探区域的地理位置信息，并结合导航技术，在探测过程中按照事先设定的航线进行移动，保证了海洋资源勘探的全面性和高效性。
其次，水下机器人定位导航技术在海底油气开发中发挥着重要作用。
随着陆地石油资源的逐渐枯竭，人们对海底油气资源的需求日益增长。
水下机器人可搭载各种油气开采设备，如钻井装备、管线敷设工具等，通过精准的定位和导航，能够在海底进行复杂的作业任务。
定位技术可以确保水下机器人准确定位矿产资源，避免资源浪费和损失；导航技术则可以为水下机器人提供精确的路径规划和避障能力，保证作业过程的安全和效率。
此外，水下机器人定位导航技术在海洋环境保护中也发挥着重要作用。
随着海洋环境污染的加剧和生态平衡的破坏，海洋环境保护得到了越来越多的关注。
水下机器人可以搭载各种环境监测设备，如水质传感器、海洋生物探测器等，通过定位导航技术，能够深入海底进行环境检测并搜集数据。
这些数据可以为科学家提供重要的参考，有助于了解海洋环境的现状和演变趋势，并采取相应的保护措施。
新型水下机器人定位与导航算法研究
新型水下机器人定位与导航算法研究随着技术的不断进步，水下机器人在海洋资源勘探、海洋科学研究以及海洋工程等领域发挥着重要作用。
而水下机器人的定位与导航算法是其能否准确执行任务的重要关键。
本文将探讨新型水下机器人定位与导航算法的研究进展，并分析其应用前景。
一、定位与导航算法的重要性水下机器人作为一种自主操作的智能系统，需要具备准确的定位能力以及稳定的导航算法。
由于水下环境的复杂性，传统的定位与导航方法无法完全满足水下机器人的需求。
因此，研究新型的定位与导航算法对于提高水下机器人的精确性和可靠性至关重要。
二、惯性导航与基于声纳的定位研究惯性导航是水下机器人定位与导航中常用的方法之一。
该方法通过使用加速度计和陀螺仪等惯性传感器，利用航位推算的方法对机器人的位置和方向进行估计。
惯性导航具有实时性好、无需外部信号等优点，但由于惯性传感器存在漂移误差，导航精度随时间的增加而降低。
因此，在基于惯性导航的基础上结合声纳数据进行定位是提高定位精度的一种重要方法。
通过声纳传感器获取水下声纳信息，结合惯性导航算法进行数据融合估计，可以有效提高水下机器人的定位精度。
三、视觉导航与图像处理研究随着计算机视觉技术的快速发展，视觉导航成为水下机器人定位与导航研究的热点之一。
水下机器人可以使用摄像机获取水下图像信息，并通过图像处理算法对图像进行分析和处理，从而实现定位与导航。
视觉导航可以利用环境中的特征点进行位置估计，如通过SLAM （Simultaneous Localization and Mapping）算法构建水下环境的地图，并利用地图进行机器人的定位。
此外，还可以利用深度学习等先进的图像处理技术，通过对水下图像的学习和分析，提高机器人的感知和理解能力。
四、无线通信与水声通信技术研究水下机器人在执行任务时需要与外界进行实时通信，因此无线通信技术是定位与导航算法研究中的另一个重要方向。
传统的无线通信在水下非常困难，而水声通信技术可以在水下实现数据的传输和通信。
导航与定位系统
通常将水下机器人的导航分为水面导航和水下导航两部分。
前者通常由水面母船来完成，即确定母船相对于地球坐标的位置；而水下导航则往往是相对于水面母船而言，将母船作为一个水面方位点来确定潜水器的水下相对位置。
水下机器人水下导航还可以划分为一般导航和终端导航。
一般导航是把水下机器人引导到目标附近。
终端导航是接近目标之后，能使潜水器的视野触及到局部感兴趣的海底和搜索目标。
由于电磁波在海水中的衰减十分迅速，10KHZ的电磁波每米衰减达3dB，这使所有无线电导航和雷达都无法在深海航行中使用，同时由于海水的低能见度和缺少海底的详细地形资料，近海导航常用的岸标或航标定位以及天文定位也会失效。
此外，由于潜水器经常活动在失事舰船或海底井口和油气管道附近，在这类地区，海底磁场亦经常出现异常，磁罗经的工作往往受到干扰。
因此，目前潜水器水下导航最有效的方法是推算导航和水声导航。
推算导航推算导航是根据已知的航位及水下机器人的航向、速度、时间和漂移来推算出新的航位。
它需要实时测得水下机器人的航向和速度，罗泾和计程仪是推算导航的基本设备。
罗泾是一种提供方向基准的导航仪器，它用于测定航向；计程仪用来测定航速和航程。
推算导航无需借助其他参考基准就能独立完成导航任务，设备极为简单，作为一种导航手段，占有一定的地位。
但由于测速仪器有较大的误差并受到水流等因素的影响，使得推算导航的积累误差随时间而不断增加，所以捍卫的推算不可能非常精确，实际上这是一种近似的方法，如有可能应随时间加以修正。
1.航向测定推算导航中用于航向测定的仪器主要磁罗经、电罗泾、方向陀螺仪。
磁罗经的优点是结构简单、可靠且不用电源。
但是它对当地的净磁场会有反应，故在罗泾附近的金属体、磁性体甚至仪器仪表等都可能会影响磁罗经的读数。
水下机器人体积小，磁罗经不可能远离上述物体，则水下机器人一般不用磁罗经。
方向陀螺可以指示出所需要的方向，在该方向上维持一段时间，有提供短期航向基准的功能，并且体积小、重量轻。
水下导航工程技术中的声纳技术研究
水下导航工程技术中的声纳技术研究随着科技的不断进步和水下工程的广泛应用，水下导航成为航海领域中的一个重要研究方向。
在水下导航工程技术中，声纳技术作为一项关键技术在定位和导航等方面起着重要作用。
本文将从声纳技术的原理、应用以及前景等方面进行论述。
一、声纳技术的原理声纳技术是利用声波在水中传播的特性进行探测和通信的一种技术。
声波在水中的传播速度约为1500米/秒，远远大于在空气中的传播速度。
声纳技术利用声波在水中传播的时间和路径进行定位和导航。
常见的声纳技术包括主动声纳和被动声纳。
主动声纳技术通过发送声波信号，并接收回波信号来确定物体的位置和距离。
这种技术常用于水下探测和定位。
被动声纳技术则主要利用水中的环境声音，通过接收声音信号来判断物体的位置和方向。
这种技术常用于水下通信和监测。
二、声纳技术的应用声纳技术在水下导航工程中有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 水下定位和导航声纳技术在水下定位和导航方面具有重要作用。
通过发送声波信号，可以确定目标物体在水下的位置和距离。
这对于海洋探测、水下考古、海底管道维护等领域非常重要。
2. 水下通信声纳技术在水下通信中也起到关键的作用。
水下的环境复杂，电磁波在水中的传播受到很大限制，而声波在水中的传播速度较快，传播距离较远。
因此，通过声纳技术进行水下通信是一种可行的选择。
3. 水下探测和监测声纳技术可用于水下的探测和监测。
例如，通过声纳技术可以探测海底地形、水下生物和水下物体等。
同时，声纳技术还可以用于监测水下环境的变化，例如水下地震活动等。
三、声纳技术的前景随着水下导航工程的发展和水下资源的利用，声纳技术在未来有着广阔的应用前景。
一方面，声纳技术可以用于海洋科学研究，帮助我们更好地了解海洋的未知之处。
另一方面，声纳技术可以用于水下工程的建设和维护，提高工程施工的效率和质量。
未来，声纳技术可能会更加智能化和高效化。
与其他水下导航技术相结合，例如激光测距和无线通信技术，声纳技术的定位和导航精度将会进一步提高。
海底矿石采集系统的水下定位与导航技术
海底矿石采集系统的水下定位与导航技术海底矿石的采集是一项具有挑战性的任务，需要准确的水下定位和导航技术来确保采集系统的成功运行。
本文将探讨海底矿石采集系统的水下定位与导航技术，并讨论目前主流的技术和新兴的创新方案。
水下定位是海底采集系统中至关重要的一环。
海底环境复杂且不可见，传统的全球定位系统（GPS）无法在水下应用。
因此，水下定位技术需要采用其他方法来实现。
目前，最常用的水下定位方法包括声纳定位和惯性导航。
声纳定位是最常见的水下定位技术之一。
它利用声波在水中的传播速度以及声波反射的原理，通过发送声波信号并接收其回波来计算出目标物体的位置。
声纳定位的精度受到水质、水深和声纳频率等因素的影响，但在合适的水下环境中，可以实现较高的定位精度。
另一种常用的水下定位技术是惯性导航。
惯性导航系统通过使用加速度计和陀螺仪等传感器来测量和跟踪系统的运动状态，从而推断出位置信息。
惯性导航系统的优点在于不受外界环境的影响，对水质和水深等因素不敏感。
然而，长时间的使用会导致积累误差，因此通常需要与其他定位技术结合以提高定位精度。
除了声纳定位和惯性导航，还有许多新兴的水下定位技术被研究和探索。
其中之一是超宽带定位技术。
超宽带技术利用极短脉冲信号和多路径传播原理，在复杂的水下环境中实现高精度的定位。
它具有定位精度高、抗干扰能力强和实时性好等优点，在海底矿石采集系统中有着广阔的应用前景。
水下导航是海底矿石采集系统中的另一个关键技术。
导航技术可以帮助采集系统在海底环境中准确地前进并避开障碍物。
目前，常用的水下导航技术包括惯性导航、计算机视觉导航和自主导航。
惯性导航不仅可以用于水下定位，还可以应用于水下导航。
它可以通过记录系统的运动状态来推断系统的位置和方向，从而实现自主导航。
当然，在长时间使用时，同样会出现积累误差的问题。
计算机视觉导航是一种利用摄像头和图像处理技术来实现导航的方法。
采集系统可以通过处理摄像头拍摄的图像，分析海底环境中的特征和障碍物，并根据这些信息进行导航决策。
水下机器人的定位与导航技术研究
水下机器人的定位与导航技术研究随着现代科技的不断进步，水下机器人的应用范围也越来越广泛，涵盖了科研、勘探、救援等多个领域。
而水下机器人的定位与导航技术是水下机器人核心技术之一。
水下机器人的导航技术主要是通过激光、声波等信号进行定位，而机器人定位的准确性对于水下作业的成功与否至关重要。
水下机器人定位技术的发展历程早期，水下机器人缺乏较为成熟和先进的定位技术，因此在海底勘探任务中会出现层层叠加、地图残缺的情况。
随着科技的进步，水下机器人的定位技术也得到了很大的改善。
在20世纪50年代，水下机器人首次使用声学信号进行距离探测和定位，标志着水下机器人定位技术的突破。
随后，在21世纪初，全球定位系统（GPS）的广泛应用，为水下机器人导航技术的发展提供了很大的支持。
随着声纳、激光和无线电波等定位技术的逐渐发展，现代水下机器人已经具备了比较高的准确性和可靠性。
水下机器人的定位方式水下机器人的定位方式主要有惯性导航、声纳导航、视觉导航等。
其中，惯性导航是指通过测量物体运动状态的加速度计和陀螺仪获取机器人位置的一种技术，由于惯性导航不需要外部支持设备，因此可在较长时间内提供机器人的精确定位。
其次，声纳导航是应用声纳波传播特性进行定位，声纳波在海水中传播受到水质、海流、海浪等因素的影响，因此容易受到环境因素的干扰。
还有一种方式是视觉导航，它依靠通过摄像头采集图像进行空间滤波和目标跟踪实现机器人的定位和导航。
水下机器人的导航方法水下机器人的导航方法主要有点对点导航、自主导航、协作导航等。
其中，点对点导航是指运用惯性、声学等方式通过设定目标点，机器人按照预设路径前进，靠近本体所在位置的目标点进行操作的一种导航方式。
其次，自主导航智能化程度更高，机器人可根据设定的任务需求进行自主导航，但在海底环境中因环境复杂等原因，自主导航依然存在诸多瓶颈问题。
协作导航是指多个水下机器人完成一个共同目标的一种导航方式。
通过协作，每台水下机器人彼此之间相互支持，提高了任务完成的效率和成功率。
自主水下航行器导航与定位技术
自主水下航行器导航与定位技术发布时间：2023-02-03T02:36:04.888Z 来源：《科学与技术》2022年第18期作者：杜晓海[导读] 自主水下机器人（AUV）作为开发和利用海洋资源的主要载体，杜晓海海军装备部 710065摘要：自主水下机器人（AUV）作为开发和利用海洋资源的主要载体，在执行任务时需要准确的定位信息。
现有AUV主要采用基于捷联惯性导航系统（SINS），辅以声学导航和地球物理场匹配导航技术。
本文简要介绍了水下导航模式的基本原理、优缺点和适用场景；讨论了各种导航模式中的关键技术，以提高组合导航的精度和稳定性。
通过分析现阶段存在的问题，展望了水下航行的未来发展趋势。
关键词：自主水下航行器；智能导航；智能定位本文综述了目前主流的AUV水下导航关键技术，包括DVL测速技术、LBL/SBL/USBL水声定位导航技术、地形辅助导航技术、地磁辅助导航技术和重力辅助导航技术以及协同导航技术，介绍了相关导航技术的基本原理和发展，分析和总结了水下自主导航中各技术的关键问题和技术难点，最后展望了AUV水下导航技术的未来发展。
1 SINS/DVL定位技术DVL是一种利用声波多普勒效应测量载流子速度的导航仪器。
根据AUV与水底之间的相对距离，DVL有两种模式：水底跟踪和水底跟踪。
当载流子与水底的相对距离在该范围内时，声波可以到达水底，当AUV与水底之间的相对距离超过范围时，声波无法到达水底，DVL采用水跟踪模式。
根据传输波速的多少，可以分为单波束、双波束和四波束。
1.1 SINS/DVL对准技术惯性导航可以为AUV提供实时的姿态、速度、位置等导航信息。
然而，初始对准必须在使用前进行，初始对准的结果在很大程度上决定了最终的集成精度。
通常，AUV在停泊或航行于水面时接收GPS信号进行初始对准。
在特定的任务背景下，AUV需要在水下运动期间完成初始对准，因此，许多学者提出了基于DVL辅助的移动基站对准。
水下辅助导航综述
水下辅助导航综述文章介绍了水下辅助导航系统的研究现状；分析了目前常用的水下辅助导航算法，尤其对水下地形辅助导航进行了比较深入的分析，它是目前广泛使用的水下导航技术，随着水下机器人的发展，水下地形辅助导航必将越来越收到研究者的关注，文中也分析了未来地形辅助导航的研究热点。
标签：水下导航；地形辅助导航；综述1 概述当今空中和陆上的导航系统十分依赖于GPS，它能够提供大范围的精确且连续的位置信息。
因此GPS广泛应用于各种移动平台上，包括飞行器、地面车等机器人系统中。
尽管如此，但还是在一些特殊的环境，GPS不能使用，必须要考虑其它的导航手段。
这类环境包括：水下、太空、地底、室内以及其它GPS接收机受限的环境中（比如：战时受屏蔽区域）。
尤其在水中，GPS等电磁传感器无法使用，必须考虑其他的辅助导航定位手段。
目前在水下有多种类型的导航定位手段，包括声学，光学，地磁以及地形等方法。
随着海洋资源受到各国的极大关注，海上冲突不断，临海更过纷纷投入水下机器人装备的开发。
水下导航是水下机器人的关键组成，由于水下特殊的环境，GPS系统无法使用，因此需要进行水下輔助导航。
随着科学技术的发展，各种水下导航技术在不同的应用中发挥了重要的作用，越来越多地收到了人们的关注。
目前在GPS受限的情况下，水域机器人的导航定位技术有两类：航迹推算以及辅助导航。
航迹推算主要利用速度加速度传感器来计算机器人的位置，由于测量的误差积分的结果会产生飘移，随着时间的增加误差会增大。
典型的推算公式如下：（1）这里dxn和dqb分别表示机器人的位置和方向的改变量，R（qb）和■（qb）是旋转矩阵，vb、ab和？棕b分别表示速度，加速度以及角速度。
n表示惯性导航的第n时刻，b表示机器人本体。
在机器人系统中，一般通过融合加速度、陀螺、磁力仪以及速度传感器信息来计算机器人位置。
航海常用的导航传感器主要有水压传感器，磁罗盘，陀螺仪，加速度计，IMU （Inertial Measurement Unit），AHRS （Attitude，Heading and Reference System），DVL（Doppler Velocity Log），传感器原理不同，其测量精度相差很大。
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按工作原理或工作方式分类： 主动声纳
像雷达一样向外发射声信号，根据回波判断目标性质 被动声纳 不主动发射信号，只接收目标自己辐射的声音信号。 按运载体系分类： 岸基声纳 多布放在港口、军事基地、重要海上通道。 特点：固定式、尺寸大 舰载声纳 主、被动声纳都有。 作用：探潜、导航、探雷、目标识别等 艇载声纳 主、被动声纳都有，考虑到隐蔽性，多采用被动声纳
具体做法： 在海底放一个水声应答器作为基 准点，同时在船上布放三个水听 器进行应答测距。在下钻作业时 船上向基准点应答器发出脉冲， 应答器收到信号之后发出回答脉 冲，这回答脉冲被船上的三个测 距水听器收到，这时可以测出三 个水听器与基准应答器的距离。 当外界条件使船位移时，水声应 答器测距系统随即测出这三个距 离的变化。将这些数据送入计算 机，计算出船位的水平移动量， 再开动几个可变螺距的推进器， 使船复位，也就是使三个距离和 原来的一样。这样，船在不断运 动中保持位置不变。
水下定位与导航概述
航空航天学院 刘星 201522190310
1 水下定位与导航发展概况 2 水下定位与导航技术的简介 3 声呐方程基础 4 水下定位与导航技术在海洋资源 开发中的应用实例
1 水下定位与导航发展概况
1912年铁达尼事件
20世纪70年代，还有勘探及军事需求
获取水下信息最有效的转播载体是声
1、声纳方程
主动声纳方程： (SL 2TL TS ) ( NL DI ) DT 被动声纳方程：
SL TL ( NL DI ) DT
SL反映发射器辐射声功率大小 TL：传播损失，定量描述声波传播一定距离后强度的衰减变化 TS：目标强度，定量描述目标反射本领的大小 NL：海洋环境噪声（背景干扰） DI：指向性指数。越大表示声能在声轴方向集中的程度越高； DT：检测阈值。设备刚好正常工作的所需的处理器输入端的信噪比 值
（2）短基线定位系统 优点：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：水听器可能会安装在高噪声区，降低性能；定位精度 与水深和工作距离关系极大 （3）长基线定位系统 优点：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：系统复杂、操作繁琐、需要安装数量巨大的声基阵、 费用昂贵；需要长时间布设和回收海底声基阵，深水使用时， 数据更新率低。
美国钻探船“格洛玛·挑战者”号用的重返和动态定位系统
谢 谢！
定位类型 长基线 短基线 超短基线
基线长度/m 100~6000 1~50 <1
简称 LBL SBL USBL或SSBL
海底应答器的位置分别为：
注意：与ＧＰＳ定位不同，仅需３个海底应答器即可！
三种系统的优缺点：
（1）超短基线定位系统 优点：整个系统构成简单、操作方便不需要组建水下基线阵、 测距精度高。 缺点：需要做大量的校准工作，其定位精度随着水深和工作 距离的增加而降低。定位精度比其他两种系统差。
波
其他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导航定位。并且惯性导 航容易导致误差积累精度难以满足需求。
2 水下定位与导航技术的简介
水下定位与导航技术大体分为三类：水下定位技术、载体声 学测速技术和海底地形地貌测量技术 水下定位系统主要是指可用于局部区域精确定位与导航的 系统。水下定位系统又分为：长基线、短基线与超短基线系统。 水下定位系统都有多个基元（接收器或应答器），这些基元 间的连线称为基线
主动声呐还存在混响： 混响是入射信号产生的散射波 在接收点叠加的结果。
各种噪声干扰需要滤波技术进行处理
动态定位和井口重入技术
深海钻探： 钻探船停在 4-5km 以上的海面，把钻杆插到 海底，然后再向下钻探。如果船一移动，长 达几千米的钻杆一下就会扭断，这就需要建 立动态定位系统。 风暴袭来，或发生其他意外情况，只好起钻 开航。随后需要利用声纳重入井口，并引导 钻杆穿过急流落到安置在进口的“漏斗”内， 进入原来的井口。
3 声呐方程基础
什么是声呐？ Sonar：Sound(声) +Navigation(导航) +Ranging(定位) 利用水下声波判断海洋中物体的存在， 位置及类型的方法和设备。 是利用水中声波对水下目标进行探测、 定位和通信的电子设备，是水声学中应用 最广泛、最重要的一种装置.
仿生学来源：海豚追踪猎物