第1章海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)背景、定義與意義1

1．1海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的背景3

1．2海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的定義4

1．3海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的意義5

1．3．1經(jīng)濟(jì)意義5

1．3．2安全意義6

1．3．3生態(tài)意義7

第2章海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀9

2．1監(jiān)測(cè)站11

2．2調(diào)查船12

2．3浮標(biāo)監(jiān)測(cè)13

2．4衛(wèi)星監(jiān)測(cè)15

第3章海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)17

3．1水面無(wú)人艇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)19

3．2自主水下航行器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)22

3．3微小衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)24

3．4海天耦合無(wú)人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26

第4章水面無(wú)人艇系統(tǒng)概述29

4．1背景31

4．2發(fā)展歷史33

4．3系統(tǒng)架構(gòu)及功能39

4．3．1水面無(wú)人艇基本架構(gòu)39

4．3．2水面無(wú)人艇基本導(dǎo)航系統(tǒng)41

4．4水面監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)44

第5章航行狀態(tài)估計(jì)47

5．1基于IMU和GPS的狀態(tài)估計(jì)49

5．1．1噪聲和累積誤差的消除49

5．1．2模型不確定性的處理49

5．1．3傳感器故障的調(diào)節(jié)52

5．1．4多傳感器信息融合55

5．1．5基于其他傳感器的估計(jì)60

5．2態(tài)勢(shì)感知60

第6章水面無(wú)人艇航行建模與控制技術(shù)63

6．1水面無(wú)人艇航行系統(tǒng)及控制策略65

6．1．1典型水面無(wú)人艇的導(dǎo)航控制系統(tǒng)65

6．1．2水面無(wú)人艇控制策略67

6．2水面無(wú)人艇數(shù)學(xué)建模68

6．2．1水面無(wú)人艇動(dòng)力學(xué)模型69

6．2．2水面無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)模型71

6．3水面無(wú)人艇智能路徑規(guī)劃和控制73

6．3．1碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略74

6．3．2水面無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)規(guī)劃76

6．3．3水面無(wú)人艇智能導(dǎo)航81

第7章水面無(wú)人艇水面環(huán)境感知技術(shù)85

7．1環(huán)境感知技術(shù)87

7．1．1被動(dòng)環(huán)境感知87

7．1．2主動(dòng)環(huán)境感知96

7．2用于環(huán)境感知的新型探測(cè)器104

7．2．1微型USB探頭105

7．2．2Conduino設(shè)計(jì)109

7．2．3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論111

第8章水面無(wú)人艇水面通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)115

8．1水聲通信117

8．1．1水聲通信鏈路強(qiáng)度模型117

8．1．2通信能量損失模型118

8．1．3水面無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)模型118

8．1．4海洋環(huán)境影響模型120

8．1．5實(shí)驗(yàn)與分析120

8．2無(wú)線通信123

8．2．1整體結(jié)構(gòu)123

8．2．2船舶智能數(shù)據(jù)傳感的總體結(jié)構(gòu)124

8．2．3水面無(wú)人艇終端軟件設(shè)計(jì)125

8．2．4通信協(xié)議的建立126

8．2．5實(shí)驗(yàn)與分析128

第9章自主水下航行器系統(tǒng)概述131

9．1背景133

9．2發(fā)展歷史134

9．3系統(tǒng)架構(gòu)及功能136

9．3．1能源系統(tǒng)137

9．3．2自主控制系統(tǒng)137

9．3．3導(dǎo)航系統(tǒng)138

9．3．4通信系統(tǒng)138

9．3．5任務(wù)載荷系統(tǒng)139

9．4主流自主水下航行器系統(tǒng)介紹140

第10章自主水下航行器航行建模與控制技術(shù)143

10．1數(shù)學(xué)建模和仿真145

10．1．1自主水下航行器運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)145

10．1．2推力流體動(dòng)力學(xué)建模146

10．1．3一般動(dòng)力學(xué)模型147

10．2運(yùn)動(dòng)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垂直面俯仰和升沉聯(lián)合控制150

10．3全耦合6自由度控制151

10．3．1控制準(zhǔn)則設(shè)計(jì)與分析152

10．3．2控制分配159

第11章實(shí)時(shí)最優(yōu)制導(dǎo)和避障技術(shù)165

11．1動(dòng)力學(xué)方程168

11．2實(shí)時(shí)最優(yōu)制導(dǎo)170

11．3二維平面軌跡控制175

11．4測(cè)試工具和傳感結(jié)構(gòu)176

11．5路徑跟隨算法182

11．6計(jì)算機(jī)模擬和海上試驗(yàn)185

第12章基于分散控制函數(shù)的編隊(duì)制導(dǎo)193

12．1虛勢(shì)框架195

12．1．1被動(dòng)性196

12．1．2局部最小值197

12．1．3勢(shì)輪廓生成器和分散控制功能198

12．1．4轉(zhuǎn)子矯正201

12．2勢(shì)編隊(duì)框架203

12．3大型Aries�瞤recursor　AUV平臺(tái)204

12．3．1航行器的模型動(dòng)態(tài)204

12．3．2控制208

12．4狀態(tài)估計(jì)與信號(hào)控制209

12．4．1障礙分類209

12．4．2狀態(tài)估計(jì)212

12．4．3測(cè)量和處理噪聲212

12．4．4控制信號(hào)調(diào)節(jié)218

12．5模擬結(jié)果219

12．5．1模擬1219

12．5．2模擬2221

第13章自主水下航行器水下環(huán)境感知技術(shù)225

13．1傳感器結(jié)構(gòu)227

13．1．1載荷傳感器227

13．1．2導(dǎo)航傳感器229

13．2水下整合平臺(tái)230

13．2．1空間和時(shí)間覆蓋范圍和分辨率232

13．2．2自治功能233

13．3NTNU聯(lián)合水下環(huán)境監(jiān)測(cè)236

13．3．1綜合航行作業(yè)237

13．3．2方法237

13．3．3觀測(cè)結(jié)果239

13．3．4二次巡航——北極行動(dòng)239

13．4AUV　Urashima海底地形觀測(cè)240

13．4．1AUV　Urashima簡(jiǎn)介240

13．4．2細(xì)尺度熔巖流分布的水下觀測(cè)241

13．4．3熱液站點(diǎn)水下圖像觀測(cè)248第14章自主水下航行器水下短程水聲通信技術(shù)255

14．1水下聲學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)258

14．2水下數(shù)據(jù)傳輸信道特性260

14．2．1聲信號(hào)電平260

14．2．2信號(hào)衰減260

14．2．3路徑損耗263

14．2．4水下多徑特性264

14．2．5多普勒效應(yīng)266

14．2．6噪聲266

14．3短程信道建模269

14．3．1信噪比的頻率相關(guān)分量269

14．3．2信道帶寬272

14．3．3信道容量273

14．3．4短程水聲通信中的誤碼率274

14．4編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)技術(shù)276

14．4．1MAC協(xié)議276

14．4．2分組路由278

第15章微小衛(wèi)星系統(tǒng)概述279

15．1背景281

15．2發(fā)展歷史282

15．3系統(tǒng)架構(gòu)及功能285

15．3．1微小衛(wèi)星分系統(tǒng)介紹285

15．3．2微小衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的應(yīng)用287

第16章衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)293

16．1姿態(tài)確定295

16．1．1航天器軌道位置的確定295

16．1．2軌道計(jì)算算法296

16．1．3地磁場(chǎng)模型297

16．1．4板載傳感器300

16．1．5姿態(tài)估計(jì)302

16．1．6兩體引力模型對(duì)姿態(tài)計(jì)算的影響307

16．2姿態(tài)控制309

16．2．1制動(dòng)器309

16．2．2線性二次調(diào)節(jié)312

第17章衛(wèi)星電源設(shè)計(jì)技術(shù)319

17．1架構(gòu)權(quán)衡研究321

17．2能量?jī)?chǔ)存解決方案323

17．3太陽(yáng)能發(fā)電與儲(chǔ)能324

17．3．1無(wú)管制總線324

17．3．2受管制總線325

17．3．3環(huán)型總線326

17．4能量平衡計(jì)算327

第18章衛(wèi)星天基監(jiān)測(cè)技術(shù)329

18．1HY2A衛(wèi)星331

18．1．1儀器描述331

18．1．2算法和數(shù)據(jù)處理方法333

18．1．3初步結(jié)果336

18．2CFOAST衛(wèi)星343

18．2．1儀器描述343

18．2．2SWIM海洋波浪測(cè)量原則347

18．2．3預(yù)期結(jié)果349

18．3多星聯(lián)測(cè)350

18．3．1海浪遙感觀測(cè)空間覆蓋351

18．3．2海浪遙感時(shí)間覆蓋353

18．3．3海浪遙感融合產(chǎn)品353

18．4AIS海洋監(jiān)測(cè)衛(wèi)星356

18．4．1AISSat1和AISSat2356

18．4．2NorSat1和NorSat2357

18．4．3基于AIS監(jiān)測(cè)358

第19章衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)361

19．1軌道和傳輸媒介363

19．1．1斜距與自由空間損耗363

19．1．2通信時(shí)間和數(shù)據(jù)吞吐量364

19．1．3大氣損耗365

19．2多普勒頻移365

19．2．1多普勒頻移現(xiàn)象的物理解釋365

19．2．2多普勒頻移與衛(wèi)星通信366

19．2．3克服多普勒頻移367

19．2．4計(jì)算多普勒頻移的替代方法369

19．3基帶調(diào)制369

19．3．1通用基帶調(diào)制技術(shù)369

19．3．2解調(diào)測(cè)試373

19．4FM調(diào)制374

19．4．1FM調(diào)制理論374

19．4．2立方星FM調(diào)制的優(yōu)勢(shì)375

19．4．3調(diào)制器對(duì)齊376

19．4．4解調(diào)器測(cè)試377

19．5傳輸線379

19．5．1傳輸線理論379

19．5．2傳輸線測(cè)試380

19．5．3前置放大器380

19．6天線381

19．6．1定向增益381

19．6．2極化382

19．6．3ION衛(wèi)星天線383

19．6．4ION地面站天線384

19．6．5天線旋轉(zhuǎn)和校正385

19．7噪聲386

19．7．1噪聲理論386

19．7．2天線噪聲387

19．7．3噪聲計(jì)算388

19．8鏈路預(yù)算389

第20章多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)信息深度融合391

20．1異構(gòu)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)融合393

20．2融合架構(gòu)395

20．3基于深度學(xué)習(xí)的深度融合400

第21章基于監(jiān)測(cè)信息的大數(shù)據(jù)挖掘409

21．1數(shù)據(jù)挖掘介紹411

21．1．1數(shù)據(jù)挖掘產(chǎn)生背景412

21．1．2數(shù)據(jù)挖掘分析方法412

21．2數(shù)據(jù)挖掘算法413

21．2．1數(shù)據(jù)挖掘步驟413

21．2．2數(shù)據(jù)挖掘算法分類414

21．3基于深度學(xué)習(xí)的海洋大數(shù)據(jù)挖掘419

21．3．1深度學(xué)習(xí)起源419

21．3．2深度學(xué)習(xí)關(guān)鍵算法原理420

21．3．3深度學(xué)習(xí)在海洋大數(shù)據(jù)挖掘中的研究及應(yīng)用422

第22章監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)例427

22．1無(wú)人海事監(jiān)測(cè)體系結(jié)構(gòu)429

22．1．1多種類機(jī)器人監(jiān)測(cè)類型429

22．1．2系泊和準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)類型431

22．1．3無(wú)人駕駛船舶和自主航運(yùn)433

22．1．4小衛(wèi)星和無(wú)人駕駛載具系統(tǒng)434

22．1．5海洋自主系統(tǒng)的應(yīng)用439

22．2海事數(shù)據(jù)分析算法441

22．2．1海洋環(huán)保大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析441

22．2．2海洋環(huán)保大數(shù)據(jù)信息融合處理442

22．3海洋環(huán)保大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及信息融合算法改進(jìn)443

22．3．1關(guān)聯(lián)規(guī)則特征提取443

22．3．2模糊C均值聚類及環(huán)保監(jiān)測(cè)診斷實(shí)現(xiàn)443

22．3．3仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析444

22．4SOM算法在海洋大數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用初探445

22．4．1自組織映射算法446

22．4．2基于SOM的海洋噪聲數(shù)據(jù)分析447

結(jié)語(yǔ)展望與挑戰(zhàn)451

參考文獻(xiàn)455