深海分布式信标导航系统性能分析与优化设计

The underwater vehicle is not able to use radio or GPS to navigate in deep-sea, and the accumulated errors in inertial navigation will gradually decrease the positioning precision during long term navigation. In order to overcome the shortcomings of navigation system listed above, it is necessary to research on acoustics integrated navigation and inertial navigation method..In this scheme, focusing on the demand of high accuracy, long persistence, and concealed deep-sea navigation, we set several active acoustics beacon on seabed, and the underwater vehicle receives acoustics beacons' signal to locate itself. At the same time, we introduce a series of method to evaluate deep-sea navigation system, and a series of threshold rules to estimate its availability and optimum, and use the simulation and experiment to verify its validity.

深海航行器在水下长时自主运行，既无法利用GPS等地表成熟的无线电导航方法，又由于惯性导航的累积误差，无法提供长时稳定的导航精度数据，因此需要研究基于声学技术的信标导航及组合导航方法。本课题所研究的深海导航系统面向未来深海高精度、长时间、隐蔽化的导航服务需要，通过在深海的海床上布放多个主动声学信号源，水下仪器设备接收多个信号源信息的方式完成导航。本课题提出了一套深海导航系统的评估方法和对系统的可用性和优化性进行评价的阈值准则；通过分析水下航行器与分布式信标之间的位置的关系，并通过仿真试验验证算法的有效性。

深海导航系统面向未来深海高精度、长时间、隐蔽化的导航服务需要，通过在深海的海床上布放多个主动声学信号源，水下仪器设备接收多个信号源信息的方式完成导航。本项目选择精度因子和定位精度作为性能指标分析深海导航系统的性能，并设计深海导航系统的评估准则。在此基础之上，研究典型声源布局、拓扑结构、工作模式对深海导航性能指标的影响。项目团队顺利完成了设计目标，具体为：（a）分析了精度因子、定位精度两系统性能指标，建立了深海导航系统的表达式；确定不同声源布局情况下，系统的导精度因子与定位精度与接收机位置的关系，并通过仿真验证。（b）验证了系统评估准则在深海导航系统的可行性，确定了最小深海导航服务所需的精度因子和定位精度，分析了不同声源布局情况下，系统的可用性与接收机位置的关系，并通过了仿真验证。（c）分析了声源布局与接收机位置确定情况下，系统的可用性与精度因子和定位精度阈值的关系。本项目研究的科学意义在于，通过建立声学定位系统模型、分析声学定位系统评估指标、优化最优声源布局等方法，开发了计算机仿真程序并分析了水文环境垂直分层现象，提出了海底静态目标的定位的加权质心定位算法与测距定位算法。本项目的理论研究成果为团队后续的中国科学院战略性先导科技专项深海/深渊智能技术及海底原位科学实验站中水下声学北斗导航与定位系统任务积累了良好的工作基础。