海洋環(huán)境監(jiān)測是海洋生態(tài)環(huán)境保護、海洋資源勘探，以及海事監(jiān)督管理的基礎(chǔ)，是海洋生態(tài)文明建設(shè)和海洋經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。然而，傳統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測手段單一、監(jiān)測范圍小、監(jiān)測實時性差和監(jiān)測安全性能低的缺陷。在這種背景下，采用高度智能化和網(wǎng)聯(lián)化的新型監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測裝備，不僅可以提高信息采集和處理的效力，還可以聯(lián)通不同的海洋環(huán)境監(jiān)測體系，進而形成新型的海天耦合海洋環(huán)境無人監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對海洋環(huán)境多維度、多粒度和多尺度的全方位實時監(jiān)測。毫無疑問，這將是未來海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向。
本書不僅對基于水面無人艇（unmanned surface vehicles， USV）、自主式水下航行器（autonomous underwater vehicles， AUV）和微小衛(wèi)星的三種新型無人監(jiān)測技術(shù)的工作原理進行了詳細闡述，還結(jié)合作者多年的科研工作經(jīng)驗，探討了海天耦合無人監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)和相關(guān)應(yīng)用。本書的內(nèi)容框架如下：
第1～3章闡述了海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的概況，以便讀者了解海洋環(huán)境監(jiān)測的背景和意義、海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
第4～8章、第9～14章、第15～19章分別論述了USV水面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、AUV水下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、微小衛(wèi)星天基海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展歷史、基本組成部分及其關(guān)鍵技術(shù)。其中，第7章、第13章和第18章重點討論了水面、水下和天基監(jiān)測技術(shù)的工作原理及相應(yīng)的載荷傳感器；第8章、第14章和第19章詳細介紹了常用的水面、水下和衛(wèi)星通信技術(shù)的工作原理和相應(yīng)的組網(wǎng)機制。
第20～22章論述了基于人工智能和大數(shù)據(jù)的海洋監(jiān)測信息處理架構(gòu)、算法和應(yīng)用實例。其中，第21章重點介紹了基于深度學習的海洋大數(shù)據(jù)挖掘算法；第22章給出了具體的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用實例，以便讀者更好地理解海洋監(jiān)測系統(tǒng)的作用和現(xiàn)實意義。
在本書的末尾，作者總結(jié)了未來海洋環(huán)境監(jiān)測中的四大重點研究方向和挑戰(zhàn)，值得廣大科研工作者進一步探索。
本書作者在海洋工程裝備領(lǐng)域具有豐富的理論知識和項目經(jīng)驗，長期與國內(nèi)外從事海洋監(jiān)測方向的高校和公司保持密切合作關(guān)系。為了滿足廣大讀者群體的需要，作者盡量用淺顯易懂的語言來闡述海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)部分。
本書適合作為無人海事系統(tǒng)領(lǐng)域從事管理、教學、科研和使用的各類人員的參考用書。與國內(nèi)外同類書籍相比，本書的理論性和技術(shù)先進性更強。
最后，衷心感謝參與本書編撰和校正工作的研究者（郭俊琪、周潤東、孫晨陽、禤舒琪、張?zhí)炝铡⒅炖坐Q），以及出版社的工作者，感謝他們辛勤的付出和細致嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。感謝廣大讀者對于本書的關(guān)注和支持，并真誠希望對于本書中的缺點和錯誤給予指正。
作者
2020年7月
第1章海洋環(huán)境監(jiān)測背景、定義與意義1
1．1海洋環(huán)境監(jiān)測的背景3
1．2海洋環(huán)境監(jiān)測的定義4
1．3海洋環(huán)境監(jiān)測的意義5
1．3．1經(jīng)濟意義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)測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀9
2．1監(jiān)測站11
2．2調(diào)查船12
2．3浮標監(jiān)測13
2．4衛(wèi)星監(jiān)測15
第3章海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢17
3．1水面無人艇監(jiān)測系統(tǒng)19
3．2自主水下航行器監(jiān)測系統(tǒng)22
3．3微小衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)24
3．4海天耦合無人監(jiān)測系統(tǒng)26
第4章水面無人艇系統(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水面無人艇基本架構(gòu)39
4．3．2水面無人艇基本導(dǎo)航系統(tǒng)41
4．4水面監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)44
第5章航行狀態(tài)估計47
5．1基于IMU和GPS的狀態(tài)估計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60
5．2態(tài)勢感知60
第6章水面無人艇航行建模與控制技術(shù)63
6．1水面無人艇航行系統(tǒng)及控制策略65
6．1．1典型水面無人艇的導(dǎo)航控制系統(tǒng)65
6．1．2水面無人艇控制策略67
6．2水面無人艇數(shù)學建模68
6．2．1水面無人艇動力學模型69
6．2．2水面無人艇運動模型71
6．3水面無人艇智能路徑規(guī)劃和控制73
6．3．1碰撞風險評估策略74
6．3．2水面無人艇運動規(guī)劃76
6．3．3水面無人艇智能導(dǎo)航81
第7章水面無人艇水面環(huán)境感知技術(shù)85
7．1環(huán)境感知技術(shù)87
7．1．1被動環(huán)境感知87
7．1．2主動環(huán)境感知96
7．2用于環(huán)境感知的新型探測器104
7．2．1微型USB探頭105
7．2．2Conduino設(shè)計109
7．2．3實驗結(jié)果與討論111
第8章水面無人艇水面通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)115
8．1水聲通信117
8．1．1水聲通信鏈路強度模型117
8．1．2通信能量損失模型118
8．1．3水面無人艇運動模型118
8．1．4海洋環(huán)境影響模型120
8．1．5實驗與分析120
8．2無線通信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水面無人艇終端軟件設(shè)計125
8．2．4通信協(xié)議的建立126
8．2．5實驗與分析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)學建模和仿真145
10．1．1自主水下航行器運動學和動力學145
10．1．2推力流體動力學建模146
10．1．3一般動力學模型147
10．2運動控制策略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控制準則設(shè)計與分析152
10．3．2控制分配159
第11章實時最優(yōu)制導(dǎo)和避障技術(shù)165
11．1動力學方程168
11．2實時最優(yōu)制導(dǎo)170
11．3二維平面軌跡控制175
11．4測試工具和傳感結(jié)構(gòu)176
11．5路徑跟隨算法182
11．6計算機模擬和海上試驗185
第12章基于分散控制函數(shù)的編隊制導(dǎo)193
12．1虛勢框架195
12．1．1被動性196
12．1．2局部最小值197
12．1．3勢輪廓生成器和分散控制功能198
12．1．4轉(zhuǎn)子矯正201
12．2勢編隊框架203
12．3大型Ariesprecursor AUV平臺204
12．3．1航行器的模型動態(tài)204
12．3．2控制208
12．4狀態(tài)估計與信號控制209
12．4．1障礙分類209
12．4．2狀態(tài)估計212
12．4．3測量和處理噪聲212
12．4．4控制信號調(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230
13．2．1空間和時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236
13．3．1綜合航行作業(yè)237
13．3．2方法237
13．3．3觀測結(jié)果239
13．3．4二次巡航——北極行動239
13．4AUV Urashima海底地形觀測240
13．4．1AUV Urashima簡介240
13．4．2細尺度熔巖流分布的水下觀測241
13．4．3熱液站點水下圖像觀測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聲信號電平260
14．2．2信號衰減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編隊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計技術(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)星對地觀測的應(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軌道計算算法296
16．1．3地磁場模型297
16．1．4板載傳感器300
16．1．5姿態(tài)估計302
16．1．6兩體引力模型對姿態(tài)計算的影響307
16．2姿態(tài)控制309
16．2．1制動器309
16．2．2線性二次調(diào)節(jié)312
第17章衛(wèi)星電源設(shè)計技術(shù)319
17．1架構(gòu)權(quán)衡研究321
17．2能量儲存解決方案323
17．3太陽能發(fā)電與儲能324
17．3．1無管制總線324
17．3．2受管制總線325
17．3．3環(huán)型總線326
17．4能量平衡計算327
第18章衛(wèi)星天基監(jiān)測技術(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海洋波浪測量原則347
18．2．3預(yù)期結(jié)果349
18．3多星聯(lián)測350
18．3．1海浪遙感觀測空間覆蓋351
18．3．2海浪遙感時間覆蓋353
18．3．3海浪遙感融合產(chǎn)品353
18．4AIS海洋監(jiān)測衛(wèi)星356
18．4．1AISSat1和AISSat2356
18．4．2NorSat1和NorSat2357
18．4．3基于AIS監(jiān)測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375
19．4．3調(diào)制器對齊376
19．4．4解調(diào)器測試377
19．5傳輸線379
19．5．1傳輸線理論379
19．5．2傳輸線測試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噪聲計算388
19．8鏈路預(yù)算389
第20章多源異構(gòu)監(jiān)測信息深度融合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基于深度學習的深度融合400
第21章基于監(jiān)測信息的大數(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基于深度學習的海洋大數(shù)據(jù)挖掘419
21．3．1深度學習起源419
21．3．2深度學習關(guān)鍵算法原理420
21．3．3深度學習在海洋大數(shù)據(jù)挖掘中的研究及應(yīng)用422
第22章監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用實例427
22．1無人海事監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)429
22．1．1多種類機器人監(jiān)測類型429
22．1．2系泊和準靜態(tài)監(jiān)測類型431
22．1．3無人駕駛船舶和自主航運433
22．1．4小衛(wèi)星和無人駕駛載具系統(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)計分析及信息融合算法改進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)測診斷實現(xiàn)443
22．3．3仿真實驗與結(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)語展望與挑戰(zhàn)451
參考文獻455
書單推薦
