《Journal of Ocean Engineering and Science》：High-Precision UUV Direction-Finding Method Based on Communication Awareness
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随着水下通信技术的快速发展，水下测向与定位的应用场景日益多样化。然而，复杂的水下传播环境、噪声干扰以及动态目标特性对高精度导航系统提出了重大挑战，使得精确的水下定位成为一个关键问题。为应对这些挑战，研究人员提出了一种基于实时通信的高精度水下测向方法。通过将实时
随着水下通信技术的快速发展，水下测向与定位的应用场景日益多样化。然而，复杂的水下传播环境、噪声干扰以及动态目标特性对高精度导航系统提出了重大挑战，使得精确的水下定位成为一个关键问题。为应对这些挑战，研究人员提出了一种基于实时通信的高精度水下测向方法。通过将实时通信与高精度测向数据融合相结合，研究人员开发了一种实时高精度水下测向系统。该系统显著提高了动态水下环境中测向的稳定性和可靠性。在多种场景下进行的对比实验表明，所提出的方法优于现有方法，测向误差低于0.9°。这一改进使得在复杂水下环境中能够实现更精确的定位和跟踪，并为先进的水下导航系统提供了稳健的解决方案。
**论文解读：基于通信感知的高精度UUV测向方法**
**研究背景与研究动机**
随着无人水下航行器（UUV）在远程通信中继、反潜作战、水下侦察与监视等领域的广泛应用，高精度定位技术对UUV任务执行的重要性日益凸显，尤其是在复杂水下环境中。然而，水下通信面临信号衰减、多径效应、多普勒频移等诸多挑战，显著影响通信距离和稳定性。传统水下定位设备往往难以同时提供精确定位和稳定通信，尤其是与母船通信时，通信质量常影响目标跟踪精度，甚至导致母船丢失对UUV的实时定位，严重制约任务执行。此外，常规波束形成（CBF）和最小二乘时延拟合算法虽可转换为角度信息，但并非直接测向方法，存在固有误差；超短基线（USBL）方法虽能提供直接角度信息且精度更高，但在实时性和抗干扰能力方面仍存在不足。现有数据处理方法在实时性方面有限，计算复杂导致测向数据更新延迟，影响系统响应速度。为突破这些瓶颈，研究人员提出一种基于实时通信的高精度水下测向方法，在信号设计、阵列优化和算法改进方面开展创新研究，旨在提升动态环境下的测向精度与响应速度。该论文发表在《Journal of Ocean Engineering and Science》。
**关键技术方法概述**
研究人员采用的主要关键技术包括：（1）采用扫频扩展载波（S2C）信号，利用其宽带特性和低衰减性抵抗多径干扰和噪声，提高信号检测精度；（2）设计五元阵换能器阵列，通过组合六组三元子阵（包括四个三角阵和两个线阵），利用相位差计算目标的方位角（φ）和俯仰角（θ），并通过多子阵加权数据融合抑制非均匀灵敏度引起的估计偏差；（3）基于实时通信与测向数据融合的系统架构，集成姿态航向参考系统（AHRS）和全球导航卫星系统（GNSS）以补偿平台姿态变化并获取全局坐标。实验在消声水池和开放水域（校园景观湖，约53,000 m2）两个环境中进行，共设计五个测试场景（静态、匀速直线、复杂“8”字轨迹、室外定点、室外移动），以评估系统在不同条件下的性能。
**研究结果**
**5.2.1 定点测试（消声水池）**
通过固定接收器并选取8个不同应答器位置进行三次独立测量，每次采集10组数据，计算方位角与俯仰角的绝对误差。结果表明，基于五元阵的USBL系统在多数测试点误差小于0.3°，整体优于传统的四面体法和等效角度法，验证了系统在理想环境下的高精度与稳定性。
**5.2.2 线性运动场景测试（消声水池）**
应答器沿预设直线轨迹匀速运动，持续100秒，每1秒定位一次，共100个样本。每10个样本为一组计算绝对误差。结果显示，在匀速直线运动条件下，系统保持稳定的方位角与俯仰角跟踪精度，误差低于0.5°，动态响应能力良好。
**5.2.3 复杂运动场景测试（消声水池）**
应答器按“8”字轨迹运动，持续120秒，每1秒采集一次数据，共120组。每10组为区间计算绝对误差。结果表明，在方向连续变化、角度频繁改变的复杂运动下，系统仍能有效抑制多径干扰，方位角与俯仰角误差均低于0.8°，展示了鲁棒的轨迹跟踪性能。
**5.3 室外水域测试结果与分析**
**室外定点测试**：在开放水域选取8个测试点，每点三次放置，各采集10组数据。计算绝对误差，结果显示即便在风浪、温盐梯度等复杂干扰下，系统仍能实现高精度测向，误差小于0.9°。**室外移动测试**：将应答器固定在船上沿固定轨迹匀速运动，每12组数据为一个区间计算误差。结果表明，在动态开放水域环境中，系统测向误差稳定在0.9°以内，验证了实际环境下的可靠性与实用性。
**结论与讨论**
本研究提出了一种基于通信感知的高精度水下测向方法，通过集成实时信号处理与测向数据融合，建立了统一的USBL通信与定位框架，在保持实时通信能力的同时显著提升了水下目标测向的精度与可靠性。实验结果表明，所提方法优于传统四面体法和等效角度法，测向误差低于0.9°，在消声水池和开放水域条件下均表现出更高的测向精度和更稳定的定位性能。该方法在水下航行器导航、海底勘探、水下目标跟踪以及集成通信定位系统方面具有广阔的应用前景，为未来水下智能系统的通信-感知一体化提供了实用技术途径。尽管已通过室内外实验验证，但当前评估主要在USBL平台和代表性条件下进行，仍需在更强多径传播、更高平台动态性和不同硬件配置下进一步验证性能。未来工作将聚焦于提升框架的环境适应性，并在更复杂海洋环境和大尺度水下协同应用中验证其有效性。
