水下定位与导航简述
水下机器人感知与导航技术研究
水下机器人感知与导航技术研究水下机器人是一种在水中进行工作的自动化机器人，它可以在复杂的水下环境中进行各种任务。
而水下机器人的感知与导航技术对于其顺利完成任务至关重要。
本文将对水下机器人感知与导航技术的研究进行讨论。
水下机器人在水下环境中工作时，需要具备感知能力以获取周围环境的信息。
水下环境复杂多变，具有一系列挑战，如水动力学、水下浊度、海底地形等。
因此，水下机器人的感知技术应当具备对这些挑战的应对能力。
一种常见的水下机器人感知技术是声纳感知技术。
声纳可以通过向水中发射声波并接收回波来获取水下环境的信息。
通过分析回波的时间、幅度和频率等特征，可以获取水下物体的位置、形状、材质等信息。
然而，声纳感知技术受到水中传播条件的限制，如声纳波束的扩散、水下信号的衰减等，因此在水下机器人感知中仍存在挑战。
另一种常见的水下机器人感知技术是视觉感知技术。
通过安装摄像头或激光雷达等传感器，水下机器人可以获取水下环境的视觉信息。
视觉感知技术可以提供高分辨率的图像数据，从而实现对水下物体的识别、定位和跟踪。
然而，在水下环境中，由于水下光线传播的吸收和散射，水下机器人视觉感知技术受到光线条件的限制，对于远距离和深水区域的感知存在困难。
水下机器人的导航技术是指通过感知数据，使机器人能够在水下环境中精确地定位和自主导航。
水下导航技术的研究主要包括惯性导航、水声导航和视觉导航等。
惯性导航是利用惯性测量单元（IMU）获取水下机器人位置和姿态信息的一种导航技术。
IMU通过测量和集成加速度计和陀螺仪的数据，可以估计机器人的位置和姿态。
惯性导航技术可以提供高频率的位置和姿态估计，但长时间的积分误差会导致导航的累积误差增大。
水声导航是利用水中的声纳信号进行定位和导航的一种技术。
通过测量声源与水下机器人之间的时间差或方向差等参数，可以确定机器人的位置。
水声导航可以在水下环境中提供较高精度的定位和导航能力，但受到水声波传播的限制，如多径效应和噪声干扰等。
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。
导航工程中的水下测量与海底地形分析
导航工程中的水下测量与海底地形分析导航工程是指利用各种技术手段，确定船舶、飞机、车辆等物体的位置、姿态以及移动轨迹，以便实现精确导航和定位的工程。
水下测量与海底地形分析是导航工程中的重要内容，通过对水下环境进行测量和分析，可以提供海底地形数据，为导航系统提供准确的信息。
本文将探讨水下测量技术和海底地形分析的应用。
一、水下测量技术1.声纳测深技术声纳测深技术是一种利用声波在水中传播的时间差和频率变化来测量水深的方法。
它通过发射声波脉冲至水下，然后接收回波并计算声波从发射到接收所经历的时间差来确定水深。
声纳测深技术具有测量范围广、测量速度快、精度较高等优点，被广泛应用于水下测量。
2.多波束测量技术多波束测量技术是指利用多个声纳传感器同时发射声波，从而形成多个接收声纳接收回波的情况。
通过接收多个回波，可以得到更多的信息，提高测量精度。
多波束测量技术能够快速获取水下地形数据，并在不同方向上提高测量覆盖范围，提供准确的水下地形信息。
3.激光扫描技术激光扫描技术采用激光束来扫描水下物体，通过测量激光束的反射时间和强度来获取水下地形数据。
激光扫描技术具有高精度、高分辨率的特点，可以获取具有细节的水下地形数据。
激光扫描技术适用于复杂水下环境的测量，能够提供准确的水下地形信息。
二、海底地形分析1.地形数据处理海底地形数据的处理是将测量得到的原始数据进行加工处理，获取可视化的地形图或地形模型。
处理方法包括数据滤波、插值、拟合等。
数据滤波能够去除噪声和异常值，保留有效的地形信息。
插值方法可以根据有限的数据点生成连续的地形曲面。
拟合方法可以通过拟合曲线或曲面来描述地形形态。
地形数据处理能够将原始数据转化为可视化的地形，为后续分析提供准确的数据基础。
2.地形特征分析海底地形特征分析是对地形数据进行分析，提取地形的特征信息。
常见的地形特征包括海山、河流、裂缝、盆地等。
通过对地形特征的分析，可以了解海底地壳的构造和演化过程，为海洋地质和海洋生态等领域的研究提供依据。
水下定位系统(USBL)
THANKS
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和应用。
数据传输
通过有线或无线方式将定位数据 实时传输到上位机或控制中心，
实现远程监控和管理。
数据接口
提供标准的数据接口，方便与其 他系统进行集成和数据共享。
04
USBL系统性能指标评价方法
定位精度指标分析
均方根误差(RMSE)
衡量定位精度的常用指标，计算预测位置与实际位置之间的欧氏距离的平均值。
USBL定位算法
到达时间差（TDOA）定位算法
通过测量声波到达不同接收阵元的时间差，结合阵列的几何关系和声速信息，解算出目标 的位置。
到达角度（AOA）定位算法
利用阵列信号处理技术估计出声波到达阵列的方位角和俯仰角，进而确定目标的位置。
联合TDOA和AOA定位算法
同时利用TDOA和AOA信息，构建联合定位方程组，提高定位精度和稳定性。
深度学习算法应用
通过深度学习算法对传感器数据进行处理和分析 ，提高水下定位系统的智能化水平。
新型水声通信技术
采用高速、高效的水声通信技术，实现水下定位 系统与水面支持设备之间的实时数据传输。
智能化、自主化发展趋势
自主导航技术
结合惯性导航、地形匹配等自主导航技术，提高水下定位系统的 自主性和适应性。
最大正负差(Max/Min Error)
表示定位结果中最大正偏差和最大负偏差，用于评估系统的极端误差情况。
圆概率误差(CEP)
以50%的概率落在以真实位置为圆心、半径为CEP的圆内的定位误差。
稳定性指标评估
01
重复定位精度
在相同条件下，多次定位结果的 一致性程度，反映系统的稳定性 。
漂移误差
02
03
水下定位系统(USBL)
水下滑翔机定位导航系统及实验研究
一、水下机器人导航定位技术的 研究现状
1、惯性导航与自主定位
惯性导航是一种常用的水下机器人导航方式，其主要利用陀螺仪和加速度计等 惯性传感器来测量机器人的加速度和角速度，从而计算出机器人的位置和姿态。 然而，由于惯性导航的误差会随着时间的推移而累积，因此需要与其他导航方 式结合使用以实现更精确的定位。
系统组成
水下滑翔机定位导航系统主要由以下几个部分组成： 1、全球定位系统（GPS）：用于获取水下滑翔机的绝对位置信息。
2、惯性测量单元（IMU）：用于获取水下滑翔机的姿态、速度和加速度信息。
3、水下地形地貌扫描系统（OBS）：用于获取水下环境的地形地貌信息，帮助 水下滑翔机进行路径规划和避障。
视觉导航则是利用图像处理和计算机视觉技术来实现水下机器人的导航和定位。 其优点在于可以直接获取环境信息，提供更为精确的定位数据。然而，由于水 下环境的复杂性和不确定性，视觉导航技术仍面临着许多挑战。
二、水下机器人导航定位技术的 发展趋势
1、多传感器融合与智能决策
由于单一导航方式的局限性，多传感器融合成为了水下机器人导航定位技术的重要研究方向。通过将不同类型的传感器（如惯性传感器、水声传感器、视觉 传感器等）进行融合，可以充分利用各种传感器的优点，提高水下机器人的导 航精度和鲁棒性。同时，通过引入人工智能和机器学习等技术，实现智能决策， 可以进一步提高水下机器人的导航性能。
未来，水下定位导航系统的发展方向主要有以下几点：一是加强数据传输速度 和精度，以提高实时导航性能；二是研发更加智能化的水下机器人，提高自主 导航能力；三是结合和机器学习等技术，实现更加精准的定位和导航决策。此 外，随着5G等通信技术的不断发展，水下定位导航系统将有望实现更远距离的 信号传输和更高精度的定位。
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
肖家耀
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2022(41)8
【摘要】精确导航与定位对AUV执行水下作业任务的安全性和有效性至关重要。
与陆地导航定位相比,由于全球卫星导航系统(GNSS)在水下不可用以及海洋环境的独特物理特性,水下导航定位更具挑战性。
近年来用于AUV导航定位的传感器在性能和精度方面有了显著的提升,除此之外,同步定位与地图构建、协同定位算法的日益成熟极大的提升了AUV导航定位能力。
文章列举了一些AUV常用导航定位技术,这些技术可用于实时确定AUV在水下的位置。
【总页数】3页(P159-161)
【作者】肖家耀
【作者单位】中海油田服务股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U675.2
【相关文献】
1.自主水下航行器同时定位与制图技术研究
2.自主水下航行器导航技术
3.基于双水听器的多自主水下航行器协同导航方法
4.自主水下航行器导航技术发展现状与分析
5.模糊自适应滤波算法在自主水下航行器组合导航系统中的应用
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水下机器人的自主定位与控制
水下机器人的自主定位与控制近年来，随着科技的不断进步，水下机器人的应用越来越广泛，它们可以在水下进行各种药物的研究、海底地质勘探、油气开采等任务。
然而，由于水下环境的复杂性，给水下机器人的自主定位与控制带来了很大的挑战。
本文将重点论述水下机器人的自主定位与控制的技术现状和发展前景，以及未来的应用前景。
一、水下机器人自主定位技术现状水下机器人的定位技术是指机器人自身获取其位置坐标和姿态角度的能力。
研究发现，现有水下机器人的主要定位技术包括GPS定位、激光测距、超声波测距和惯性导航等。
但是这些技术在水下环境中存在很大的局限性，因为水下环境中信号的衰减以及多样性的影响，会降低这些技术的性能。
然而，一些新兴的水下机器人定位技术正在发展中。
其中，视觉定位技术是一种非常手段，通过机器视觉技术和SLAM技术，能够实现自主化和相对精确的姿态测量。
除此之外，一些机器人在水下利用磁力测量实现目标定位，也成为一种可行而有效地补充手段。
二、水下机器人自主控制技术现状随着水下机器人应用领域的扩大，越来越多的研究者遇到了控制问题。
在水下环境中，因为瞬态干扰影响，控制困难度高。
控制分为两种，一种是开环控制，即确定性控制，另一种是闭环控制，即反馈控制，随机的干扰会导致偏差，以此带来更大的困难。
一些新兴控制技术正在发展中，如逆向动力学控制和模型预测控制。
这些方法将研究水下机器人的运动和控制，确保机器人能够正确执行既定任务，并对复杂的水下环境进行适应。
三、水下机器人自主定位与控制的发展前景随着不断增长的需求和技术的发展，水下机器人的自主定位与控制技术也将逐步完善。
在未来的发展中，应该开发出更完善的水下控制系统，促进探索、生态保护和资源开发，逐步迎接智能海洋的时代。
此外，人们研究和开发出的水下机器人，应用前景也是不可限量的。
例如铺设光缆、搜救水下人员和物质等方面有广泛应用。
同时，水下机器人也应该被应用在应急救生，环境监测，资源勘探等领域中，将来必将成为生产力与经济发展之中的重要组成部分。
水下机器人的导航与控制技术研究
水下机器人的导航与控制技术研究近年来，随着科技的不断发展，水下机器人的应用越来越广泛。
它们主要用于海洋勘探、海底管线维修、深海探测等领域。
然而，由于水下环境的复杂性和水下机器人自身的特点，水下机器人的导航和控制技术研究一直是一个难点。
本文将对当前水下机器人导航和控制技术的研究进展进行探讨。
一、水下机器人的导航技术水下机器人的导航技术是其能否准确地执行任务的关键。
目前主要的水下机器人导航方法包括声纳导航、惯性导航、视觉导航和自主导航等。
1. 声纳导航：声纳导航是指使用声纳探测器在水中进行信号的发送和接收，利用声波的传播速度和时间差来确定水下机器人的位置。
声纳导航方法具有定位准确、可用于大范围探测、不受光照影响等特点，但受到水下环境中噪声和反射等因素的影响。
2. 惯性导航：惯性导航是指使用加速度计和陀螺仪等惯性传感器检测水下机器人的加速度、角速度和角位移等变量，从而推断其位置和姿态。
惯性导航方法具有定位精度高、无需外界信号、短时间内获取位置等优点，但相比声纳导航，其误差随时间增加的速度较快。
3. 视觉导航：视觉导航是指利用摄像头等视觉传感器获取水下环境中的图像信息，通过图像处理和分析技术来推断水下机器人的位置和姿态。
视觉导航方法具有操作简单、实时性好、环境适应性强等特点，但受到水下环境的光照和水质等因素的限制。
4. 自主导航：自主导航是指利用集成导航系统对水下机器人进行自主导航。
该方法将声纳、惯性、视觉等多个导航技术进行融合，以提高导航的精度和可靠性。
但相比单一导航技术，自主导航的复杂度和成本较高。
二、水下机器人的控制技术水下机器人的控制技术是其能否准确和稳定地执行任务的关键。
目前主要的水下机器人控制方法包括遥控控制、半自主控制、全自主控制等。
1. 遥控控制：遥控控制是指利用遥控器、艇上动力控制箱等装置对水下机器人进行控制。
该方法操作简单、成本低廉，但不适用于大型和复杂任务。
2. 半自主控制：半自主控制是指利用预设轨迹、任务指令等控制方式，对水下机器人的运动进行控制。
水下机器人定位导航技术实验报告
水下机器人定位导航技术实验报告一、引言水下机器人在海洋探索、资源开发、科学研究等领域发挥着越来越重要的作用。
而定位导航技术是水下机器人实现自主作业和精确操作的关键。
本次实验旨在研究和评估不同的水下机器人定位导航技术，为其实际应用提供参考和依据。
二、实验目的本次实验的主要目的是：1、比较不同定位导航技术在水下环境中的精度和可靠性。
2、分析各种技术在不同水质、水流条件下的性能表现。
3、探索如何提高水下机器人定位导航的准确性和稳定性。
三、实验设备与环境（一）水下机器人本次实验采用了型号水下机器人，其具备主要功能和特点。
（二）定位导航系统1、惯性导航系统（INS）2、声学定位系统3、卫星导航系统（在水面时辅助）（三）实验环境实验在一个大型的室内水池中进行，水池尺寸为长、宽、深，模拟了不同的水质（清澈、混浊）和水流条件（缓流、急流）。
四、实验方法与步骤（一）实验准备1、对水下机器人进行全面检查和调试，确保其各项功能正常。
2、安装和校准定位导航系统，设置相关参数。
（二）实验过程1、在不同水质和水流条件下，分别启动水下机器人，让其按照预设的轨迹运动。
2、同时记录惯性导航系统、声学定位系统和卫星导航系统（在水面时）的数据。
（三）数据采集与处理1、实验过程中，实时采集各个定位导航系统的数据。
2、对采集到的数据进行滤波、降噪等预处理。
3、采用特定的算法和软件对数据进行分析和计算，得出定位导航的精度和误差。
五、实验结果与分析（一）惯性导航系统1、在短时间内，惯性导航系统能够提供较为准确的位置和姿态信息。
2、但随着时间的推移，由于累积误差的存在，其定位精度逐渐降低。
（二）声学定位系统1、在清澈水质和缓流条件下，声学定位系统表现出色，定位精度较高。
2、然而，在混浊水质和急流环境中，声波的传播受到干扰，定位精度有所下降。
（三）卫星导航系统（水面辅助）在水面时，卫星导航系统能够提供非常准确的位置信息，有效地对水下机器人的定位进行校准和修正。
海上卫星发射场的水下探测与定位技术
海上卫星发射场的水下探测与定位技术海上卫星发射场是现代航天发射活动中的重要组成部分，它可以允许航天器在海洋区域进行发射，并提供了更加安全和经济的发射方式。
然而，在海洋环境中进行卫星发射面临许多技术挑战，其中之一是水下的探测与定位技术。
水下探测与定位技术是海上卫星发射场必备的技术手段，它能够帮助工作人员确保发射场周围的水下环境安全，并提供必要的信息支持。
这项技术不仅需要准确地探测和定位水下物体，而且还要能够应对复杂的海洋环境条件，例如潮汐、浪潮和海底地形等。
因此，开发适用于海洋环境的水下探测与定位技术是迫切需要解决的问题。
一种常用的水下探测技术是声纳技术。
声纳技术利用声波在水中传播的原理，通过发射声波信号并接收回波信号来探测和定位水下物体。
在海上卫星发射场中，声纳技术可以用于探测水下障碍物和测量海底地形。
通过利用声纳设备发射声波，可以计算出声波的传播时间和回波波形，从而确定物体的位置和特征。
声纳技术具有探测范围广、精度高、成本相对较低等优点，在实际应用中被广泛采用。
除了声纳技术之外，水下测距系统也是海上卫星发射场中常用的定位技术。
水下测距系统利用声波的传播速度确定物体到测距系统的距离。
通过测距系统发送的短脉冲声波信号，可以测量声波波束传播的时间，从而计算出物体到测距系统的距离。
水下测距系统在测量精度和距离范围上具有一定的限制，但是在海上卫星发射场中仍然可以提供有用的定位信息。
另外，水下定位系统也是海上卫星发射场的重要组成部分。
水下定位系统通过接收水下标志物或参考标志物发出的信号来确定自身的位置。
这些信号可以是声纹、电子信号或其他特定的标志物。
水下定位系统可以提供稳定准确的位置信息，帮助工作人员进行目标定位和船舶导航。
水下定位系统的精度和可靠性对于海上卫星发射场的安全和运营至关重要。
为了提高水下探测与定位技术的效率和精度，在海上卫星发射场中还可以采用多传感器数据融合技术。
多传感器数据融合技术可以结合声纳、水下测距系统和水下定位系统等多种传感器的信息，综合分析和处理数据，提高定位的准确性和可靠性。
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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
美国钻探船“格洛玛·挑战者”号用的重返和动态
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。
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。
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
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
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。
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
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
定位类型 长基线 短基线
（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。