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基于矢量水听器的水声协同导航及信息获取系统的实现

摘要

在海洋技术的发展过程中，自主式水下航行器(AutonomousUnderwaterVehicle,AU

V)是人类进行水下作业的重要应用平台，并且AUV集群导航技术成为了重要的研究内

容。本文针对AUV编队可以采用何种集群导航方法的问题，开展了基于矢量水听器技

术的编队导航方法的研究以及导航装置的实现。考虑到水下工作环境的特殊性，其决

定了水下集群只能以惯性导航设备为主、水声导航为辅，通过对矢量信号处理技术的

研究，提出一种采用“主-从”式架构的水下编队保持装置。其中，主节点携带高精度

导航设备和发射换能器，从节点携带矢量水听器，通过接收主节点的引导信号与指令

完成导航以及编队保持等工作。论文的主要研究工作概括如下：

首先，对集群导航系统的算法原理进行了研究，研究了单矢量方位估计原理以及

距离估计的原理，在此基础上，根据系统的工作模型以及运动模型，建立了适合于本

系统的扩展卡尔曼滤波方法以及基于视线法的集群导航方法。在理论研究的基础上，

进行了相应的仿真测试，从仿真结果对理论研究的成果进行了验证。

其次，根据系统的指标参数，进行了相关硬件电路的搭建。按照发射信号生成到

输出处理结果的过程设计全部电路，主要有：数模转换电路、功率放大电路、调理电

路、模数转换电路、信号处理电路。其中，调理电路可细分为电压转换、差分放大、

带通滤波、射极跟随电路；模数转换电路主要是对模数转换芯片按照需求进行配置，

使其能够完成特定的采集需求并保留所需的输入输出接口；信号处理电路主要是在数

字信号处理器核心板的基础上，设计电源电压转换、串口通信、复位、调试电路，并

配备连接核心板与模数转换电路的接口。然后再通过电路板绘制、制板、焊接、调试

等工作，完成硬件电路的制作。在此基础上，进行相关算法在硬件平台上的设计，并

通过调用相应的库函数实现快速运算，完成了理论算法到硬件平台上的移植。

最后，论文对基于矢量水听器的水声协同导航及编队保持系统进行了湖上测试，

验证了系统的性能。结果表明，论文所设计的系统具有良好的跟踪效果和稳健性。

关键词：矢量水听器；矢量信号处理；无人集群导航；数字信号处理器

基于矢量水听器的水声协同导航及信息获取系统的实现

ABSTRACT

Inthedevelopmentprocessofoceantechnology,AutonomousUnderwaterVehicle(AUV)

isanimportantapplicationplatformforhumanunderwateroperations,andAUVclusternavig

ationtechnologyhasbecomeanimportantresearchtopic.Thisarticlefocusesonthequestion

ofwhatclusternavigationmethodscanbeusedforAUVformation,andconductsresearchon

formationnavigationmethodsbasedonvectorhydrophonetechnologyandtheimplementatio

nofnavigationdevices.Consideringtheparticularityoftheunderwaterworkingenvironment,

itisdecidedthattheunderwaterclustercanonlybemainlycomposedofinertialnavigatione

quipmentandsupplementedbyunderwateracousticnavigation.Throughthestudyofvectorsi

gnalprocessingtechnology,amaster-slavearchitectureforunderwaterformationmaintenan

ceisproposed.Amongthem,themastern