水下航行器导航与定位技术学习提纲要紧参考书：1．导航与定位——现代战争的北斗星，干国强主编，国防工业出版社，20002．水下导航信息融合技术，朱海，莫军著，国防工业出版社，20023．卡尔曼滤波与组合导航原理，秦永元，西北工业大学出版社，1998要紧内容：导航技术概论(参考书1)航位推算系统声学导航系统陆基无线电导航系统(参考书1)卫星导航系统(参考书1)惯性导航系统(参考书1)其它水下导航方式(重力梯度、地形匹配、磁导航等)水下组合导航技术(参考书1)要求：全文阅读讲义；阅读参考书指定章节；把握各类要紧导航方式的大体原理、适用范围、优缺点；把握推算航位导航的计算方式。

目录水下航行器导航与定位技术 0第一章水下导航技术概论 (2)§导航的大体概念 (2)第二章航位推算 (3)§概述 (3)§航位推算的概念 (3)第三章声学导航系统 (10)第四章陆基无线电导航系统 (14)第五章卫星导航系统 (14)第六章惯性导航系统 (14)6．1航海陀螺仪器的进展 (15)6．2 以捷联惯导为核心的组合导航技术 (17)第七章其它水下导航技术 (18)§地形辅助导航 (18)§地球物理导航 (20)§各类水下助航方式(舰船导航，2001，6) (22)7.3.1 磁导航 (22)7.3.2重力导航 (23)§地形辅助导航技术 (24)第八章水下组合导航技术 (25)第一章水下导航技术概论导航的大体作用是引导飞机、舰船、车辆、个人等，平安准确地沿着所选定的线路，准时地抵达目的地。

§导航的大体概念“导航”确实是正确地引导航行器沿着预定的航线在规定的时刻内抵达目的地的进程。

为了完成那个任务，就需要随时明白航行器的瞬时地理位置、航行速度、航行器的姿态、航向等参数。

这些参数，通常称作导航参数。

对有人驾驶的航行器，这些导航参数可由领航员通过观看仪表和计算取得。

可是，随着速度和航程的不断增大，对导航的要求愈来愈高。

为了减轻和代替领航员的工作，就显现了各类各样的导航系统，能够自动地提供需要的各类导航参数。

在舰船、飞机、导弹、宇宙飞船等各类航行器上，导航系统已作为保证航行任务完成所不可缺少的重要装备。

而导航原理、导航方式和导航技术的研究已进展成为一门独立的学科。

随着科学技术的进展，导航的概念也扩展了，除保证载体的平安航行外，还需要为运载体和运载体内的其它系统，如测量、武器、监视等系统提供精准的导航、定位信息，进一步地还能够对运载体的航向、航迹进行操纵，也可实现对运载体的动力定位。

依照近代科技术语，导航的要紧工作确实是定位、定向、授时和测速。

导航系统需要持续提供此类信息；当载体的运动速度加速时，要求数据的更新速度也相应加速。

导航系统有两种工作状态：假设作为测量装置，提供的导航参数仅供驾驶员引导载体之用，那么称导航系统工作于指示状态；若是导航系统与自动驾驶仪联用，所提供的导航信息作为自动驾驶仪的输入量，由自动驾驶仪自动操纵和引导载体，驾驶员(假设有)只起监督作用，那么称导航系统工作于自动导航状态。

不管何种工作状态，导航系统的作用都只是提供导航参数，因这人们提到“导航”那个术语时，其含义也只偏重于测量和提供导航参数这部份工作。

第二章航位推算§概述航位推算导航是最大体的导航方式之一，由于在水上导航中它和各类导航设备一路利用，因此很少强调它的重要性，但在水下导航中其地位相当重要。

航位推算导航有两个独特的优势：一是可随时定位，不象无线电导航、卫星导航等系统，当需要在水下精准定位的时候，却因收不到信号而不能定位；二是能够给出载体此刻和以后的位置。

利用其它导航方式即即是取得了位置并画在海图上，那个位置并非表示一艘正在航行的舰船此刻或以后某一时刻的位置。

为了取得舰船此刻和以后的近似位置，导航者只能单纯依托于航位推算导航法。

上述特点使得航位推算导航法在舰船导航中处于不可缺少的地位。

航位推算(Dead Reckoning)这一术语的确切来历至今没有考证清楚，听说，在16世纪，航海者就开始应用航位推算法。

那时，人们还不能利用天文学技术对所测得的船位进行校正，对远离陆地的航行，只能凭借船员的推测或航行的体会进行估量，也没有任何其它方式能作为引导航行的依据。

§航位推算的概念在18世纪和19世纪期间，各类海图极为缺乏，价钱也十分昂贵，船长只能依照航行前已知位置的航向和航速，利用数学公式算出那时的位置，把这种技术称为“推算估算法”，英文用“Deduced Reckoning”表示，后来又缩写为“ded reckoning”，几经演化而成为今天利用的航位推算“dead reckoning”。

由于自然天文学的进步，使得校正航位推算方式成为可能。

海上寻觅舰船位置的最先的自然天文学技术，是依照观测北极星高度，找出观看者所处的纬度。

后来又利用观测恒星、行星等确信船位。

直到18世纪海上测量经度的问题取得完全解决，航位推算导航法才被人们真正地确信下来。

最经常使用而且应用最先的导航方式是航位推算法[10]，即将水下航行器的速度对时刻进行积分来取得航行器的位置。

因此，这种方式需要一个水速传感器来测量航行器的速度，再用一个罗经来测量航行器的方向。

可是，这种方式的要紧问题是海流的存在而给水下航行器产生一个速度的分量，那个分量水速传感器又无法测量，从而给低速航行的水下航行器在长时刻航行时会产生专门大的定位误差。

关于靠近海底航行的水下航行器，能够采纳多普勒速度声纳（DVS）来测量航行器相关于大地的速度，从而能够排除海流对航行器定位的阻碍。

目前国外水下航行器上经常使用的DVS，要紧有：美国EDO公司的3040型和3050型多普勒速度声纳，其精度达到可达到%；美国RD Instrucments公司的Workhorse Navigator，其精度也可达到%；英国MA公司研制的COVELIA，其最大绝对误差不大于节。

关于DVS，其作用距离越大，其体积和功耗就越大。

因此，选择DVS时，因依照航行器及航行器的利用环境来确信选择DVS的类型。

一、概述自主水下航行器是世界各国大力进展的海洋运载器，在海洋爱惜、海洋资源开发等领域具有极大的应用价值，如水下搜索、海底画图、海底监控、管道铺设、海底作业等。

导航问题是水下航行器应用所面临的要紧技术挑战之一，导航能力是水下航行器有效工作与平安回收的重要要求。

由于水下环境的局限，目前水下航行器导航的要紧方式是航位推算、INS、声学系统等[一、2]。

INS价钱昂贵，在没有修正信息的情形下难以知足长时刻导航定位的要求；声学导航系统需要事前在工作海域布置导航基阵，在某些应用处合受到较大的局限；航位推算方式利用航向和速度推算航行器的位置，但在没有地速信息的情形下受洋流的阻碍较大。

航位推算系统进行位置解算，需要明白载体运动的航向、速度，由于载体姿态的转变，需要明白速度的水平分量，因此还需要测量载体的姿态。

在已知载体初始位置的情形下，利用相应的数学公式，能够实时解算运动载体的当前位置。

二、航向测量所谓航向，是航行器的首尾线与真北方向在水平面的夹角，首尾线在航行器上是客观存在的，而要在航行器运动的情形下找到真北方向那么比较困难，一样用磁航向仪、陀螺磁罗盘、陀螺罗经、惯导系统等。

1．磁罗盘亦称磁航向仪，是在指南针的基础上形成的。

磁航向仪利用地球磁场来找北，修正掉磁北极和真北的偏角后就能够取得航向角。

磁航向仪工作稳固，航向误差不发散，但其精度一样较差，目前最高能达到度，容易受到磁场异样及周围磁介质的阻碍。

2．陀螺磁罗盘磁罗盘具有自动定向的特性，不难看出，磁罗盘的稳固性差，定位精度低；而陀螺方位仪由于利用了陀螺仪的大体特性，稳固性好，但没有相对地球真北自动定向的能力。

陀螺磁罗盘那么结合了二者的优势。

3．陀螺罗经陀螺罗经利用陀螺仪特性灵敏地球自转角速度，用机械摆或电子摆感受地球重力加速度，再加上阻尼，实现其陀螺主轴自动找北，就组成了具有自动找北功能的指北装置。

一样陀螺罗经的精度为度(L为陀螺罗经所处的纬度值)，高精度的能达到度以下。

4．惯导系统惯导系统能提供包括航向在内的大量导航信息，具体见有关章节。

三、速度测量及误差分析航行器的速度测量仪器要紧有水速计、多普勒速度声纳、声相关速度仪、惯导系统等，由于通过对速度的积分即可取得航程，因此上述速度计也成为计程仪。

1．水速计(亦称水速计程仪)水速计的工作原理类似于汽车里程表，有转轮、涡轮、电磁等形式的水速计。

转轮水速计在载体相关于水运动时将产生转动，在必然范围内转动的圈数与相关于水的运动速度成比例。

优势是结构简单，但线性差，误差大，其精度受海流及船舶吃水、等因素阻碍，已大体被淘汰。

涡轮计程仪包括叶轮及干簧继电器两部份，每一个涡轮叶片上镶嵌有永久磁铁，当磁铁随叶片旋转到干簧继电器周围时，干簧继电器动作，触点闭合产生计数脉冲。

通过标定，能够将单位时刻内的脉冲计数值变成UUV 的速度。

对速度积分就能够够取得UUV 航行的距离。

与航向测量配合，就能够够达到导航的目的。

涡轮计程仪的优势是简单、本钱低。

其缺点是不够精准、在UUV 与水之间相对运动速度低时不灵敏，未知海流的阻碍将无法克服。

水压式计程仪应用相关于航行器水流的动压力与航速平方成正比的原理，来测量航速。

该计程仪性能靠得住，在中速和高速时的测量精度较高；但在低速时测速精度和灵敏度很差，而且其水压系统的皮托管需要伸出航行器底部，而且利用期间需要常常排气以保证测量精度，操作保护不方便，已大体淘汰。

电磁计程仪利用电磁感应原理来测量航速，属于相对计程仪。

优势是：电磁传感器所灵敏的感应电势与航速为线性关系，不仅测速灵敏度高，而且具有很宽的航速测量范围，还能够测量后退航速；不受水域或水文条件如温度、盐度、密度、压力、导电率等的阻碍；感应电势是刹时产生的，能反映瞬时的速度转变，测速精度较高。

它是目前比较普遍采纳的一种相对计程仪。

2．多普勒速度声呐(多普勒计程仪)多普勒速度声呐是一种绝对计程仪，它测量航行器相对海底的速度，而不是相对海水的速度，因此称为绝对计程仪，当其工作于水层跟踪模式时为相对计程仪。

测速精度能达到%。

利用多普勒速度声纳测量在波束方向的相对速度，结合速度声纳在航行器上的安装角，能够取得航行器在壳体坐标系内的速度。

多普勒速度声纳安装在水下航行器上，利用声纳波的多普勒效应测量航行器相对海底的速度，通过对地速的积分，结合航向信息能够取得导航解，这是一种航位推算导航法。

多普勒速度声纳仪采纳水声换能器结构，仪器本身即是发射源又是接收机。

设多普勒速度声纳的发射频率为0f ，波长为00f c =λ，c 为光速，沿波束方向的相对速度为v ，那么多普勒频移为：02λv f d = (1)关于三波束多普勒速度声纳，其发射声表面和航行器的相对位置是固定的，因此声波束的发射方向相对航行器壳体坐标系的角位置是固定不变的，如图1所示。