深远海工程装备与高技术丛书海洋智能无人系统技术

第1章海洋环境监测背景、定义与意义1

1．1海洋环境监测的背景3

1．2海洋环境监测的定义4

1．3海洋环境监测的意义5

1．3．1经济意义5

1．3．2安全意义6

1．3．3生态意义7

第2章海洋环境监测系统发展现状9

2．1监测站11

2．2调查船12

2．3浮标监测13

2．4卫星监测15

第3章海洋环境监测系统发展趋势17

3．1水面无人艇监测系统19

3．2自主水下航行器监测系统22

3．3微小卫星监测系统24

3．4海天耦合无人监测系统26

第4章水面无人艇系统概述29

4．1背景31

4．2发展历史33

4．3系统架构及功能39

4．3．1水面无人艇基本架构39

4．3．2水面无人艇基本导航系统41

4．4水面监测关键技术44

第5章航行状态估计47

5．1基于IMU和GPS的状态估计49

5．1．1噪声和累积误差的消除49

5．1．2模型不确定性的处理49

5．1．3传感器故障的调节52

5．1．4多传感器信息融合55

5．1．5基于其他传感器的估计60

5．2态势感知60

第6章水面无人艇航行建模与控制技术63

6．1水面无人艇航行系统及控制策略65

6．1．1典型水面无人艇的导航控制系统65

6．1．2水面无人艇控制策略67

6．2水面无人艇数学建模68

6．2．1水面无人艇动力学模型69

6．2．2水面无人艇运动模型71

6．3水面无人艇智能路径规划和控制73

6．3．1碰撞风险评估策略74

6．3．2水面无人艇运动规划76

6．3．3水面无人艇智能导航81

第7章水面无人艇水面环境感知技术85

7．1环境感知技术87

7．1．1被动环境感知87

7．1．2主动环境感知96

7．2用于环境感知的新型探测器104

7．2．1微型USB探头105

7．2．2Conduino设计109

7．2．3实验结果与讨论111

第8章水面无人艇水面通信网络技术115

8．1水声通信117

8．1．1水声通信链路强度模型117

8．1．2通信能量损失模型118

8．1．3水面无人艇运动模型118

8．1．4海洋环境影响模型120

8．1．5实验与分析120

8．2无线通信123

8．2．1整体结构123

8．2．2船舶智能数据传感的总体结构124

8．2．3水面无人艇终端软件设计125

8．2．4通信协议的建立126

8．2．5实验与分析128

第9章自主水下航行器系统概述131

9．1背景133

9．2发展历史134

9．3系统架构及功能136

9．3．1能源系统137

9．3．2自主控制系统137

9．3．3导航系统138

9．3．4通信系统138

9．3．5任务载荷系统139

9．4主流自主水下航行器系统介绍140

第10章自主水下航行器航行建模与控制技术143

10．1数学建模和仿真145

10．1．1自主水下航行器运动学和动力学145

10．1．2推力流体动力学建模146

10．1．3一般动力学模型147

10．2运动控制策略148

10．2．1控制算法148

10．2．2水平面的速度和位置控制149

10．2．3垂直面俯仰和升沉联合控制150

10．3全耦合6自由度控制151

10．3．1控制准则设计与分析152

10．3．2控制分配159

第11章实时*优制导和避障技术165

11．1动力学方程168

11．2实时*优制导170

11．3二维平面轨迹控制175

11．4测试工具和传感结构176

11．5路径跟随算法182

11．6计算机模拟和海上试验185

第12章基于分散控制函数的编队制导193

12．1虚势框架195

12．1．1被动性196

12．1．2局部*小值197

12．1．3势轮廓生成器和分散控制功能198

12．1．4转子矫正201

12．2势编队框架203

12．3大型Ariesprecursor　AUV平台204

12．3．1航行器的模型动态204

12．3．2控制208

12．4状态估计与信号控制209

12．4．1障碍分类209

12．4．2状态估计212

12．4．3测量和处理噪声212

12．4．4控制信号调节218

12．5模拟结果219

12．5．1模拟1219

12．5．2模拟2221

第13章自主水下航行器水下环境感知技术225

13．1传感器结构227

13．1．1载荷传感器227

13．1．2导航传感器229

13．2水下整合平台230

13．2．1空间和时间覆盖范围和分辨率232

13．2．2自治功能233

13．3NTNU联合水下环境监测236

13．3．1综合航行作业237

13．3．2方法237

13．3．3观测结果239

13．3．4二次巡航——北极行动239

13．4AUV　Urashima海底地形观测240

13．4．1AUV　Urashima简介240

13．4．2细尺度熔岩流分布的水下观测241

13．4．3热液站点水下图像观测248第14章自主水下航行器水下短程水声通信技术255

14．1水下声学通信网络258

14．2水下数据传输信道特性260

14．2．1声信号电平260

14．2．2信号衰减260

14．2．3路径损耗263

14．2．4水下多径特性264

14．2．5多普勒效应266

14．2．6噪声266

14．3短程信道建模269

14．3．1信噪比的频率相关分量269

14．3．2信道带宽272

14．3．3信道容量273

14．3．4短程水声通信中的误码率274

14．4编队网络协议设计技术276

14．4．1MAC协议276

14．4．2分组路由278

第15章微小卫星系统概述279

15．1背景281

15．2发展历史282

15．3系统架构及功能285

15．3．1微小卫星分系统介绍285

15．3．2微小卫星对地观测的应用287

第16章卫星姿态控制技术293

16．1姿态确定295

16．1．1航天器轨道位置的确定295

16．1．2轨道计算算法296

16．1．3地磁场模型297

16．1．4板载传感器300

16．1．5姿态估计302

16．1．6两体引力模型对姿态计算的影响307

16．2姿态控制309

16．2．1制动器309

16．2．2线性二次调节312

第17章卫星电源设计技术319

17．1架构权衡研究321

17．2能量储存解决方案323

17．3太阳能发电与储能324

17．3．1无管制总线324

17．3．2受管制总线325

17．3．3环型总线326

17．4能量平衡计算327

第18章卫星天基监测技术329

18．1HY2A卫星331

18．1．1仪器描述331

18．1．2算法和数据处理方法333

18．1．3初步结果336

18．2CFOAST卫星343

18．2．1仪器描述343

18．2．2SWIM海洋波浪测量原则347

18．2．3预期结果349

18．3多星联测350

18．3．1海浪遥感观测空间覆盖351

18．3．2海浪遥感时间覆盖353

18．3．3海浪遥感融合产品353

18．4AIS海洋监测卫星356

18．4．1AISSat1和AISSat2356

18．4．2NorSat1和NorSat2357

18．4．3基于AIS监测358

第19章卫星通信网络技术361

19．1轨道和传输媒介363

19．1．1斜距与自由空间损耗363

19．1．2通信时间和数据吞吐量364

19．1．3大气损耗365

19．2多普勒频移365

19．2．1多普勒频移现象的物理解释365

19．2．2多普勒频移与卫星通信366

19．2．3克服多普勒频移367

19．2．4计算多普勒频移的替代方法369

19．3基带调制369

19．3．1通用基带调制技术369

19．3．2解调测试373

19．4FM调制374

19．4．1FM调制理论374

19．4．2立方星FM调制的优势375

19．4．3调制器对齐376

19．4．4解调器测试377

19．5传输线379

19．5．1传输线理论379

19．5．2传输线测试380

19．5．3前置放大器380

19．6天线381

19．6．1定向增益381

19．6．2极化382

19．6．3ION卫星天线383

19．6．4ION地面站天线384

19．6．5天线旋转和校正385

19．7噪声386

19．7．1噪声理论386

19．7．2天线噪声387

19．7．3噪声计算388

19．8链路预算389

第20章多源异构监测信息深度融合391

20．1异构数据和数据融合393

20．2融合架构395

20．3基于深度学习的深度融合400

第21章基于监测信息的大数据挖掘409

21．1数据挖掘介绍411

21．1．1数据挖掘产生背景412

21．1．2数据挖掘分析方法412

21．2数据挖掘算法413

21．2．1数据挖掘步骤413

21．2．2数据挖掘算法分类414

21．3基于深度学习的海洋大数据挖掘419

21．3．1深度学习起源419

21．3．2深度学习关键算法原理420

21．3．3深度学习在海洋大数据挖掘中的研究及应用422

第22章监测数据应用实例427

22．1无人海事监测体系结构429

22．1．1多种类机器人监测类型429

22．1．2系泊和准静态监测类型431

22．1．3无人驾驶船舶和自主航运433

22．1．4小卫星和无人驾驶载具系统434

22．1．5海洋自主系统的应用439

22．2海事数据分析算法441

22．2．1海洋环保大数据统计分析441

22．2．2海洋环保大数据信息融合处理442

22．3海洋环保大数据统计分析及信息融合算法改进443

22．3．1关联规则特征提取443

22．3．2模糊C均值聚类及环保监测诊断实现443

22．3．3仿真实验与结果分析444

22．4SOM算法在海洋大数据挖掘中的应用初探445

22．4．1自组织映射算法446

22．4．2基于SOM的海洋噪声数据分析447

结语展望与挑战451

参考文献455