水声自主导航系统水面监测单元的设计与实现
摘要
水下航行器为了高效、精确、安全的执行水下任务，需要知道自身的位置、运行
路线和目的地，因此对水下航行器的定位和导航极为重要。随着机动浮标续航能力的
不断增强，长基线水声导航系统的待机时间和连续工作时间也随之延长，母船需要持
续跟进任务的周期也越来越长。为了简化母船的长周期跟随任务，本文基于长基线水
声定位导航系统设计了一套为水下合作目标水声自主导航的水面监测单元，完成了水
面监测单元的硬件电路设计，在硬件电路的基础上实现系统设计功能与指标，并通过
湖试和海试验证了水声自主导航系统的准确性和可靠性。
水下合作目标发声时，水下预处理单元采集原始声学数据后由水面监测单元ARM
打包后放入共享内存，DSP从共享内存读取原始数据进行信号的检测与估计，解算出
声学测量结果发给ARM，ARM判断检测到的脉冲幅度是否超过设定的广播门限，根
据超过广播门限的机动浮标进行主机浮标的确立，确立为主机状态的机动浮标可以收
到从机状态浮标的示位信号处理结果，汇集至少两个从机状态的示位信号结果，从声
学测量结果里的多组脉冲里挑选出直达声脉冲，最后对机动浮标位置进行坐标转换，
在水平方向上研究了TOA算法和TDOA算法，在垂直方向上研究了双脉冲遥测方法，
解算出水下航行器的位置后，由主机浮标控制导航发射单元完成水下航行器的导航，
当主机浮标与水下航行器的距离超过划定的小区半径时，此时主机浮标进入过渡临界
状态，主机浮标将根据小区内汇集的声学测量信息指定下一届主机浮标，以此完成控
制中心的切换。水面监测单元还可以将水下航行器的位置通过卫星通信发送到指挥中
心，实现对水下航行器的远程监测功能。
根据系统的设计需求和指标，以SOM-TL5728为核心板并对外围电路进行电源模
块设计、接口模块硬件设计、同步电路设计，完成GNSS数据接收、以太网数据收发、
卫星通信数据收发、无线电数据收发、数据打包、信号采集、同步差分传输等功能，
软件设计选择Linux操作系统，进行多线程编程，以太网口、串口的读写操作使用了
I/O多路复用模型，在软件中实现了GNSS模块程序设计、网络通信程序设计、数据打
包程序设计、原始数据存储程序设计、校准解算程序设计、核间通信程序设计、脉冲
挑选程序设计和定位解算程序设计。
最终通过湖试和海试，验证了水声自主导航系统的定位精度，证实了系统的准确
性和可靠性。
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
关键词：长基线定位；水声自主导航；水面监测单元；坐标转换；浮标解算
水声自主导航系统水面监测单元的设计与实现
ABSTRACT
Inordertocarryoutunderwatermissionsefficiently,accuratelyandsafely,underwater
vehiclesneedtoknowtheirownlocation,runningrouteanddestination,sothepositioning
andnavigationofunderwatervehiclesareveryimportant.Withthecontinuousenhancement
oftherangecapabilityofthemobilebuoy,thestandbytimeandcontinuousworkingtimeof
thelong-baselineunderwateracousticnavigationsystemarealsoprolonged,andthecycleof
themothershipscontinuousfollow-upmissionisgettinglongerandlonger.Inorderto
simplifythelong-periodfollowingtaskofthemothership,thispaperdesignsasetofwate