无外部信息辅助的主动式声呐时间开窗导航定位模型

薛树强; 杨诚; 卞加超; 杨文龙; 赵爽

doi:10.13203/j.whugis20240131

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

无外部信息辅助的主动式声呐时间开窗导航定位模型

大地测量学与测量工程 | 更新时间：2026-11-05

- 无外部信息辅助的主动式声呐时间开窗导航定位模型
- Active Sonar Time-Window Navigation and Positioning Model Without External Information Assistance
- 武汉大学学报（信息科学版） 2026年51卷第2期页码：296-305
- 作者机构：
  
  1.中国测绘科学研究院，北京，100039
  2.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京，100083
  3.山东大学空间科学与物理学院，山东威海，264200
- 作者简介：
  
  薛树强，博士，研究员，主要从事海洋大地测量研究。xuesq@casm.ac.cn
  卞加超，硕士。bjc0539@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金重点项目(41931076);崂山实验室科技创新项目(LSKJ202205100;LSKJ202205105)
- DOI：10.13203/j.whugis20240131
  中图分类号： P229
- 收稿：2024-09-19，
  
  纸质出版：2026-02-05
- 稿件说明：
移动端阅览
薛树强,杨诚,卞加超，等.无外部信息辅助的主动式声呐时间开窗导航定位模型[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(2):296-305.

XUE Shuqiang,YANG Cheng,BIAN Jiachao,et al.Active Sonar Time-Window Navigation and Positioning Model Without External Information Assistance[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(2):296-305.
薛树强,杨诚,卞加超，等.无外部信息辅助的主动式声呐时间开窗导航定位模型[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(2):296-305. DOI：,10.13203/j.whugis20240131

XUE Shuqiang,YANG Cheng,BIAN Jiachao,et al.Active Sonar Time-Window Navigation and Positioning Model Without External Information Assistance[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(2):296-305. DOI：,10.13203/j.whugis20240131

摘要

受限于海底导航信标时间同步的固有难度，水下导航通常采用主动式定位模型。然而，该模型总是不适定的，即每个观测对应载体信号收发时刻的两个待定点。若忽略载体运动，可取0.5倍的信号往返程的传播时间作为观测值进行定位，但这必然引入模型误差，特别是在深海场景或载体高速运动的情形下；若使用多普勒测速或惯性导航等航位推算信息，则会导致声呐导航依存于外部信息。因此，提出了一种附加载体运动学参数的主动式声呐时间开窗导航定位模型，实现了载体位置、速度、加速度等信息的联合估计，在实时输出载体当前时刻坐标信息的同时实现了载体任意时刻运动状态信息的获取，解决了主动式定位模型的不适定性问题。同时，提出了时间开窗导航定位精度几何因子（trajectory dilution of precision

TRDOP），以评估时间开窗导航定位构型的强度。结果表明，TRDOP可以很好地刻画时间开窗导航定位构型的优劣，且时间开窗导航定位模型显著优于传统空间交会定位模型。在日本公开数据集上的测试结果显示，主动式声呐时间开窗导航定位模型的导航定位精度优于5 m，且窗口中间时刻的定位精度更高。

Abstract

Objectives

Underwater acoustic navigation predominantly employs active positioning models due to the inherent challenge of achieving precise time synchronization among seafloor navigation beacons. A fundamental limitation of this model is its ill‑posed nature

where each observation corresponds to two unknown states of the carrier vehicle. A common simplification assumes the carrier is stationary during the signal's round‑trip travel time

allowing the use of half this duration for positioning via spatial intersection. However

this assumption inevitably introduces model errors

which become significant in deep‑sea environments or during high‑speed carrier motion. Alternative approaches integrate external information from sensors such as Doppler velocity logger (DVL) or inertial navigation system (INS) to resolve the ambiguity

but it compromises the independence of system and introduces complexities related to cross‑sensor error contamination. The primary objective is to develop a self‑contained navigation and positioning model that effectively resolves the inherent ill‑posedness of active sonar systems without relying on external aiding information

thereby enhancing both accuracy and autonomy in underwater navigation.

Methods

To address the aforementioned challenge

a novel time‑window navigation and positioning model for active sonar is proposed. The core innovation lies in the incorporation of the carrier's kinematic parameters directly into the observation model. Instead of estimating only a single position per epoch

the proposed model treats the carrier's trajectory over a short

sliding time window as a polynomial. This allows for the joint estimation of key motion states

including position

velocity

and acceleration

using only the accumulated two‑way travel time measurements from multiple pings within the window. The proposed method leverages the principle of windowed estimation

analogous to techniques used in satellite orbit determination

to overcome the rank deficiency of single‑epoch solutions. Furthermore

to quantitatively assess the geometric strength and reliability of the positioning configuration within the time‑window framework

a new metric termed the trajectory dilution of precision (TRDOP) is introduced.

Results

The performance of the proposed time‑window model and the effectiveness of TRDOP are rigorously validated through both simulation and real data experiments. The simulation results demonstrate a strong positive correlation between the calculated position dilution of precision and acceleration dilution of precision values and the corresponding root mean square errors in estimated position and velocity

confirming that TRDOP is a reliable indicator of navigation configuration quality. The comparative analysis reveal that the traditional spatial intersection model

which ignores carrier motion

produces substantial errors in simulated scenarios with moving carriers. In contrast

the proposed time-window model can achieve positioning accuracy at the meter level. A key finding is that the positioning accuracy at the mid-point of the time window is consistently higher than that at the current epoch. The tests conducted on a publicly available Japanese global navigation satellite system‑acoustic dataset show that the time‑window navigation model successfully achieves positioning accuracy better than 5 m. The constant‑velocity model generally yield slightly better and more stable results for the tested trajectories

which could be effectively approximated as piecewise linear.

Conclusions

We present a significant advancement in active sonar‑based underwater navigation by introducing a time‑window positioning model that intrinsically resolves the system's ill‐posedness. The proposed model successfully eliminates the dependency on external sensors like DVL or INS for fundamental disambiguation

enabling the generation of independent

high‑rate estimates of the carrier's full kinematic state solely from acoustic ranging observations. The proposed TRDOP metric provides a valuable tool for designing and evaluating the geometric strength of such time‑window navigation scenarios. The experimental results conclusively demonstrate the superiority of the proposed model over the conventional spatial intersection approach

particularly under dynamic carrier motion. The achieved sub‑5‑meter accuracy on real data highlights its practical potential.

关键词

Keywords

references

杨元喜，徐天河，薛树强 . 我国海洋大地测量基准与海洋导航技术研究进展与展望［J］. 测绘学报， 2017 ， 46 （ 1 ）： 1 - 8 .

YANG Yuanxi ， XU Tianhe ， XUE Shuqiang . Progresses and Prospects in Developing Marine Geodetic Datum and Marine Navigation of China ［J］. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica ， 2017 ， 46 （ 1 ）： 1 - 8 .

ZHANG J C ， HAN Y F ， ZHENG C E ， et al . Underwater Target Localization Using Long Baseline Positioning System ［J］. Applied Acoustics ， 2016 ， 111 ： 129 - 134 .

BINGHAM B ， SEERING W . Hypothesis Grids： Improving Long Baseline Navigation for Autonomous Underwater Vehicles ［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering ， 2006 ， 31 （ 1 ）： 209 - 218 .

XUE S Q ， LI B J ， XIAO Z ， et al . Centimeter‑Level-Precision Seafloor Geodetic Positioning Model with Self‑Structured Empirical Sound Speed Profile ［J］. Satellite Navigation ， 2023 ， 4 （ 1 ）： 30 .

WEBSTER S E ， EUSTICE R M ， SINGH H ， et al . Advances in Single‑Beacon One‑Way‑Travel-Time Acoustic Navigation for Underwater Vehicles ［J］. The International Journal of Robotics Research ， 2012 ， 31 （ 8 ）： 935 - 950 .

ZHOU Z B ， LI B F . GNSS Windowing Navigation with Adaptively Constructed Dynamic Model ［J］. GPS Solutions ， 2015 ， 19 （ 1 ）： 37 - 48 .

闫凤池，王振杰，赵爽，等 . 顾及双程声径的常梯度声线跟踪水下定位算法［J］. 测绘学报， 2022 ， 51 （ 1 ）： 31 - 40 .

YAN Fengchi ， WANG Zhenjie ， ZHAO Shuang ， et al . A Layered Constant Gradient Acoustic Ray Tracing Underwater Positioning Algorithm Considering Round‐Trip Acoustic Path ［J］. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica ， 2022 ， 51 （ 1 ）： 31 - 40 .

杨元喜，刘焱雄，孙大军，等 . 海底大地基准网建设及其关键技术［J］. 中国科学：地球科学， 2020 ， 50 （ 7 ）： 936 - 945 .

YANG Yuanxi ， LIU Yanxiong ， SUN Dajun ， et al . Seafloor Geodetic Network Establishment and Key Technologies ［J］. Scientia Sinica （Terrae）， 2020 ， 50 （ 7 ）： 936 - 945 .

WANG J T ， XU T H ， LIU Y F ， et al . Augmented Underwater Acoustic Navigation with Systematic Error Modeling Based on Seafloor Datum Network ［J］. Marine Geodesy ， 2023 ， 46 （ 2 ）： 129 - 148 .

YOKOTA Y ， KANEDA M ， HASHIMOTO T ， et al . Experimental Verification of Seafloor Crustal Deformation Observations by UAV‑Based GNSS‑A ［J］. Scientific Reports ， 2023 ， 13 ： 4105 .

肖圳，薛树强，韩保民，等 . 参考声速剖面误差对主动式声呐定位影响仿真分析［J］. 地球物理学报， 2023 ， 66 （ 12 ）： 4889 - 4899 .

XIAO Zhen ， XUE Shuqiang ， HAN Baomin ， et al . Simulation Analysis on Reference Sound Velocity Profile Error Influence on Active Acoustic Positioning ［J］. Chinese Journal of Geophysics ， 2023 ， 66 （ 12 ）： 4889 - 4899 .

孙文舟，朱忆，曾安敏，等 . 深水目标定位声速剖面自适应分层方法［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2025 ， 50 （ 12 ）： 2401 - 2407 .

SUN Wenzhou ， ZHU Yi ， ZENG Anmin ， et al . A Self-Adaptive Layering Method of Sound Velocity Profile for Deep-Water Object Positioning ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2025 ， 50 （ 12 ）： 2401 - 2407 .

李景森，薛树强，肖圳，等 . GNSS/A组合观测臂长改正不确定度评估［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2025 ， 50 （ 3 ）： 535 - 544 .

LI Jingsen ， XUE Shuqiang ， XIAO Zhen ， et al . Uncertainty Evaluation on Arm Length Correction of GNSS/A Combined Observation ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2025 ， 50 （ 3 ）： 535 - 544 .

明锋，曾安敏 . 弹性PNT最新进展及相关问题研究［J］. 导航定位学报， 2022 ， 10 （ 4 ）： 1 - 10 .

MING Feng ， ZENG Anmin . Recent Advancement and Research on Related Issues for Resilient PNT ［J］. Journal of Navigation and Positioning ， 2022 ， 10 （ 4 ）： 1 - 10 .

王迪，王冰，黄浩乾，等 . 复杂水下环境中自适应粒子群优化的SINS/DVL组合导航方法［J］. 中国惯性技术学报， 2023 ， 31 （ 10 ）： 1023 - 1029 .

WANG Di ， WANG Bing ， HUANG Haoqian ， et al . SINS/DVL Integrated Navigation Method Based on Adaptive Particle Swarm Optimization in Complex Underwater Environment ［J］. Journal of Chinese Inertial Technology ， 2023 ， 31 （ 10 ）： 1023 - 1029 .

高为广，杨元喜，张双成 . 基于当前加速度模型的抗差自适应KALMAN滤波［J］. 测绘学报， 2006 ， 35 （ 1 ）： 15 - 18 .

GAO Weiguang ， YANG Yuanxi ， ZHANG Shuang‐ cheng . Adaptive Robust Kalman Filtering Based on the Current Statistical Model ［J］. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica ， 2006 ， 35 （ 1 ）： 15 - 18 .

葛志敏，江金光，张超，等 . 改进抗差自适应EKF算法在GNSS/INS组合导航中的应用［J］. 大地测量与地球动力学， 2023 ， 43 （ 7 ）： 740 - 744 .

GE Zhimin ， JIANG Jinguang ， ZHANG Chao ， et al . Application of Improved Robust and Adaptive EKF Algorithm in GNSS/INS Integrated Navigation ［J］. Journal of Geodesy and Geodynamics ， 2023 ， 43 （ 7 ）： 740 - 744 .

SPIESS F N . Suboceanic Geodetic Measurements ［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing ， 1985 ， GE-23（ 4 ）： 502 - 510 .

薛树强，杨诚，赵爽，等 . 海底大地控制网无人观测系统研究进展［J］. 导航定位学报， 2023 ， 11 （ 6 ）： 8 - 21 .

XUE Shuqiang ， YANG Cheng ， ZHAO Shuang ， et al . Review of Unmanned Observation Systems for Seafloor Geodetic Network ［J］. Journal of Navigation and Positioning ， 2023 ， 11 （ 6 ）： 8 - 21 .

薛树强，杨文龙，赵爽 . 主动式定位的椭球交会原理及其2种解法［J］. 导航定位学报， 2024 ， 12 （ 3 ）： 1 - 7 .

XUE Shuqiang ， YANG Wenlong ， ZHAO Shuang . The Ellipsoid Intersection Principle of Active Positioning and Its Two Solutions ［J］. Journal of Navigation and Positioning ， 2024 ， 12 （ 3 ）： 1 - 7 .

余文坤，吴佩达，张昊楠，等 . 基于多项式曲线拟合的海上地震勘探拖缆定位［J］. 测绘学报， 2022 ， 51 （ 5 ）： 772 - 780 .

YU Wenkun ， WU Peida ， ZHANG Haonan ， et al . Offshore Towed‑Streamer Seismic Positioning Based on Polynomial Curve Fitting ［J］. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica ， 2022 ， 51 （ 5 ）： 772 - 780 .

闫志闯，徐新强，赵德军，等 . 低轨卫星约化动力法定轨参数变换的高效算法［J］. 测绘学报， 2018 ， 47 （ S1 ）： 28 - 37 .

YAN Zhichuang ， XU Xinqiang ， ZHAO Dejun ， et al . An Efficient Algorithm with Reduced Dynamic Orbit Determination for LEOs Based on Parameter Transforming ［J］. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica ， 2018 ， 47 （ S1 ）： 28 - 37 .

YANG Y X ， ZHANG X D ， XU J Y . Adaptively Constrained Kalman Filtering for Navigation Applications ［J］. Survey Review ， 2011 ， 43 （ 322 ）： 370 - 381 .

YANG Y X ， CUI X Q . Adaptively Robust Filter with Multi Adaptive Factors ［J］. Survey Review ， 2008 ， 40 （ 309 ）： 260 - 270 .

杨元喜 . 弹性PNT基本框架［J］. 测绘学报， 2018 ， 47 （ 7 ）： 893 - 898 .

YANG Yuanxi . Resilient PNT Concept Frame ［J］. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica ， 2018 ， 47 （ 7 ）： 893 - 898 .

林雪原，刘丽丽，董云云，等 . 改进的GNSS/SINS组合导航系统自适应滤波算法［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2023 ， 48 （ 1 ）： 127 - 134 .

LIN Xueyuan ， LIU Lili ， DONG Yunyun ， et al . Improved Adaptive Filtering Algorithm for GNSS/SINS Integrated Navigation System ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2023 ， 48 （ 1 ）： 127 - 134 .

卞加超，薛树强，肖圳，等 . 海面非对称航迹对海底定位精度影响分析［J］. 海洋测绘， 2023 ， 43 （ 6 ）： 46 - 50 .

BIAN Jiachao ， XUE Shuqiang ， XIAO Zhen ， et al . Analysis of Asymmetrical Effects of Surface‑to‐Seafloor Control Networks ［J］. Hydrographic Surveying and Charting ， 2023 ， 43 （ 6 ）： 46 - 50 .

YANG W L ， XUE S Q ， LIU Y X . P‑Order Secant Method for Rapidly Solving the Ray Inverse Problem of Underwater Acoustic Positioning ［J］. Marine Geodesy ， 2023 ， 46 （ 1 ）： 3 - 15 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

海洋水下PNT理论与方法研究进展与挑战

呼包鄂榆城市群草地脆弱性时空演变及因子可解释性分析

浅源中等地震近场剧烈形变的高分辨率L波段InSAR研究

面向类脑空间智能的多模态大模型空间认知能力评估框架

星载温室气体激光雷达技术发展与展望