海水具有良好的导电性，电磁波在海水中的传播衰减迅速，从而限制了无线电在水下导航方面的应用。声波在水中的衰减相对较小，因此AUV在海洋环境中的探测、导航、定位、通信是通过水声探测声呐、水声通信声呐来实现的。

声呐系统的重要任务之一就是测定目标的位置（相对于目标的方位角和相对于目标的距离）。由于组网AUV中各AUV的深度信息均可以由传感器直接测得，因此为简化起见，将量测模型投影到二维水平面上进行分析。

相对距离的测量，既可以通过主动声呐完成，也可以通过被动声呐完成。使用主动声呐测量时，测定目标的距离要利用目标的回波或者应答信号，主要的方法有脉冲测距法、调频信号测距法、相位测距法；使用被动声呐测量时，目标距离的测定只能利用目标声源发出的信号或者噪声，主要的方法有方位法和时差法。测距的本质都是利用距离不同引起的信号的各种变化来进行间接测量。

协同导航定位的关键是相对距离的确定，组网中任意AUV可以利用其他AUV的位置和与其的距离进行信息融合，从而提高导航精度。AUV获取与其他AUV距离的方法可以分为主动探测和被动探测。主动探测中，探测AUV与被探测AUV不要求时间同步，探测AUV发出一声信号，并接收目标反射的回波信号，通过声信号在水中传播的双向时间差计算出相对距离。被动探测中，探测AUV与被探测AUV需要时间同步，探测AUV通过接收带发射时间或者预知发射时间的声信号，通过声信号在水中传播的单向时间差计算出相对距离。水声测距如图5-4所示。

图5-4　水声测距

其中，（k）为k时刻AUVi探测到与AUVj的相对距离；ωρ（k）为高斯白噪声分布的量测噪声；h为关于Xi（k）和Xj（k）的非线性函数。

假设实际模型中外部传感器的输入均受到高斯白噪声干扰，则系统观测噪声协方差矩阵Rρ（k）为：

测距信息可以有效抑制AUV的航位推算误差对协同导航精度的影响，使其不再具有累积效应，从而确保了协同导航误差的有界性。

水声测向的主要方法有：最大值测向、相位法测向、振幅差值测向法、相幅法测向、正交相关测向法［3］。测向的本质都是利用声波到达水听器系统的声程差和相位差来进行。以二元基阵为例进行简要说明，如图5-5所示。

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图5-5　二元阵列测向

平面波到达两阵元的声程差为：

平面波到达两阵元的相位差为：上两式中，α为目标的方位角；d为两阵元间距；c为声波在水中传播速度；f为信号频率；λ＝c／f为波长；两阵元信号的时间差和相位差与目标的方位角一一对应。

组网中任意AUV可以利用其他AUV的位置和与其的角度进行信息融合，从而提高导航精度。AUV获取与其他AUV角度的方法可以分为主动探测和被动探测。主动探测、被动探测中，探测AUV与被探测AUV不要求时间同步，探测AUV通过声呐不同阵元接收到声信号的时间差、相位差，解算出相对于被探测AUV的角度，如图5-6所示。

图5-6　水声测向

其中，（k）为k时刻AUVi探测到与AUVj的相对角度；（k）为高斯白噪声分布的量测噪声。

假设实际模型中外部传感器的输入均受到高斯白噪声干扰，则系统观测噪声协方差矩阵Rα（k）为：