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第1章 绪论1

1.1 自主水下航行器的发展概况1

1.1.1 AUV发展历史2

1.1.2 国外发展概况4

1.1.3 国内发展概况5

1.2 导航与定位技术概述7

1.3 水下导航与定位技术简介9

1.3.1 航位推算与惯性导航方法9

1.3.2 水声导航方法10

1.3.3 地球物理导航方法11

1.3.4 仿生学导航方法12

1.3.5 组合导航方法13

1.4 水下航行器协同导航技术简介13

1.5 水下航行器协同导航技术研究现状14

1.5.1 并行式协同导航14

1.5.2 主从式协同导航15

1.5.3 其他协同导航方法17

1.6 水下航行器协作系统典型应用实例18

1.6.1 欧盟“GREX”项目18

1.6.2 美国自主海洋采样网络19

1.6.3 美国新泽西大陆架观测系统20

1.6.4 伊拉克战争AUV联合扫雷21

参考文献21

第2章 水下航行器协同导航数学基础与模型24

2.1 水下协同导航数学基础24

2.1.1 线性系统理论基础24

2.1.2 Kalman滤波理论29

2.1.3 高等概率论基础32

2.2 导航系统常用坐标系及其相互关系37

2.2.1 导航系统的常用坐标系定义37

2.2.2 AUV运动参数定义39

2.2.3 坐标系之间的转换40

2.3 协同导航系统的感知传感器42

2.3.1 内部传感器42

2.3.2 外部传感器42

2.4 多AUV运动学模型43

2.4.1 单AUV三维空间运动学模型43

2.4.2 单AUV二维平面运动学模型45

2.4.3 多AUV运动学模型47

2.5 多AUV水声网络模型49

2.5.1 相对距离探测49

2.5.2 相对方位量测51

2.6 本章小结53

参考文献53

第3章 多移动领航者的协同导航56

3.1 长基线水声定位系统57

3.1.1 长基线水声定位原理58

3.1.2 长基线水声定位基本算法59

3.2 多移动领航者协同导航60

3.2.1 多移动领航者导航原理61

3.2.2 基于多边定位的多移动领航者协同导航62

3.3 多移动领航者协同定位误差分析65

3.3.1 定位误差的几种表示形式65

3.3.2 Cramer-Rao边界定理66

3.3.3 定位误差的方差下界67

3.4 多移动领航者协同导航仿真验证与分析69

3.5 非线性滤波在多领航者协同导航中的应用71

3.5.1 基于EKF的多移动领航者协同导航71

3.5.2 基于UKF的多移动领航者协同导航74

3.5.3 基于粒子滤波的多领航者协同导航79

3.6 本章小结82

参考文献82

第4章 单领航者距离和方位测量的协同导航85

4.1 单领航者AUV协同定位的基本原理85

4.2 基于相对距离和方位测量的协同导航滤波算法87

4.2.1 单领航者AUV协同导航的运动学建模87

4.2.2 基于扩展Kalman滤波的协同导航算法91

4.3 协同导航算法性能分析92

4.3.1 状态估计的误差传播93

4.3.2 相对距离和方位量测的误差传播96

4.3.3 协同定位误差的方差上界估计104

4.4 数值仿真分析108

4.4.1 与航位推算方法的对比仿真分析108

4.4.2 航位推算误差和量测误差对协同定位精度的影响111

4.4.3 初始滤波方差对协同导航算法收敛性的影响114

4.5 本章小结117

参考文献117

第5章 单领航者距离测量的协同导航120

5.1 基于移动矢径的协同定位原理121

5.1.1 移动矢径的概念121

5.1.2 基于移动矢径协同定位的基本原理121

5.2 基于扩展Kalnan滤波的协同导航算法123

5.3 协同导航系统的可观测性分析124

5.3.1 系统的局部和一致可观测性125

5.3.2 欠驱动特性对系统可观测性的影响128

5.4 协同导航系统的稳定性分析133

5.5 协同定位精度分析141

5.5.1 航位推算误差对协同定位精度的影响分析141

5.5.2 可观测性对协同定位精度的影响分析143

5.5.3 欠驱动特性对协同定位精度的影响分析149

5.5.4 滤波初值对协同定位精度的影响分析151

5.6 本章小结154

参考文献155

第6章 洋流影响下单领航者距离测量的协同导航158

6.1 洋流影响下协同导航系统的可观测性分析159

6.2 洋流影响下基于移动矢径的协同导航滤波算法162

6.2.1 基于加权扩展Kalman滤波的协同导航算法162

6.2.2 数值仿真分析164

6.3 洋流影响下协同导航系统的稳定性分析166

6.4 洋流对AUV协同定位精度的影响分析174

6.4.1 洋流作用下航位推算误差对协同定位精度的影响分析174

6.4.2 洋流幅度变化对协同定位精度的影响分析175

6.4.3 洋流作用下采样周期变化对协同定位精度的影响分析177

6.5 本章小结181

参考文献182

第7章 通信受限下的协同导航——通信丢包184

7.1 水声通信概述184

7.2 Gilbert-Elliott信道模型186

7.3 通信受限下基于移动矢径的协同导航滤波算法188

7.3.1 改进的扩展Kalman滤波协同导航算法188

7.3.2 数值仿真分析190

7.4 协同导航系统的稳定性分析193

7.4.1 协同导航系统的峰值方差稳定性193

7.4.2 几种不同稳定性定义之间的关系201

7.5 信道参数对协同定位精度的影响分析202

7.6 本章小结206

参考文献207

第8章 通信受限下的协同导航——通信时延209

8.1 多AUV协同导航时延模型209

8.1.1 水声探测时延模型209

8.1.2 水声通信时延模型210

8.2 探测定常时延的在线辨识210

8.2.1 定常时延辨识算法设计211

8.2.2 定常时延辨识算法分析212

8.2.3 仿真实验及结果分析213

8.3 通信时延下的协同导航滤波算法设计215

8.3.1 状态转换延迟滤波算法215

8.3.2 解相关的一致延迟滤波算法227

8.4 本章小结242

参考文献242