USBL系统导航原理示意图如图2-28所示。声源发射器置于海底且绝对位置已知，一般为声学信标、应答器或响应器，利用USBL系统测得海底声源发射器在声学基阵坐标下的位置，结合AUV姿态信息进行坐标转换得到AUV在每个定位时刻与海底发射器的相对位置，即可实现AUV定位导航［28］。

图2-28　USBL导航原理示意图

USBL系统导航原理可用下式表示：

式中，PAUV为所求的AUV绝对地理位置；Ps为已知的海底声源发射器的绝对地理位置；Prp为测量得到的AUV相对于海底声源发射器在载体坐标系下的相对位置。

由式（2-84）右边的第二项可知，声学系统定出的相对位置要经过坐标转换计算，结合声源发射器的绝对位置坐标，才能得到AUV的绝对位置，涉及的坐标系有导航坐标系、载体坐标系和声学基阵坐标系。设导航坐标系为n系，一般取东北天坐标系，载体坐标系为b系，原点位于AUV质心，x轴、y轴、z轴分别指向AUV右舷、AUV前方和AUV水面方向向上，构成右手坐标系。声学基阵坐标系为a系，坐标系原点为声学基阵的中心，声学基阵坐标系三个轴的指向和载体坐标系指向一致。声源发射器的绝对地理坐标位置Ps已知，USBL系统通过测量声源发射器到基阵的距离和方位角得到声源发射器在基阵坐标系下的位置为p a（x，y，z），该位置为海底声源发射器相对于声学基阵参考坐标系的位置，我们需要将相对位置转换为绝对位置，此时需要进行坐标转换，在实际情况下，载体坐标系和声学基阵坐标系是不重合的，两个坐标系之间除了有安装误差以外，还存在平移误差，为了简单起见，本书假设声学基阵坐标系与载体坐标系完全一致，没有平移误差，只考虑安装误差的影响，由声学基阵坐标到载体坐标系的转换关系可得海底声源发射器在载体坐标系下的位置为：(www.daowen.com)

式中，δρ为基阵坐标系在载体坐标系的安装误差为声学基阵坐标系到载体坐标系的变换矩阵。

由载体坐标系到导航坐标系的坐标变换关系可以计算得到AUV相对于声源发射器位置为：

式中，为AUV载体坐标系到导航坐标系的变换矩阵。

因此，AUV的绝对地理位置为：