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| 編輯推薦： |
海洋环境监测是海洋生态环境保护、海洋资源勘探，以及海事监督管理的基础，是海洋生态文明建设和海洋经济发展的重要支撑。然而，传统的海洋环境监测系统存在监测手段单一、监测范围小、监测实时性差和监测安全性能低的缺陷。在这种背景下，采用高度智能化和网联化的新型监测技术和监测装备，不仅可以提高信息采集和处理的效力，还可以联通不同的海洋环境监测体系，进而形成新型的海天耦合海洋环境无人监测系统，实现对海洋环境进行多维度、多粒度和多尺度的全方位实时监测。毫无疑问，这将是未来海洋环境监测系统的发展方向。
本书作者在海洋工程装备领域具有丰富的理论知识和项目经验，长期与国内外从事海洋监测方向的高校和公司保持密切合作关系。与国内外同类书籍相比，本书具有较强的理论性和技术先进性。
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| 內容簡介： |
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《海洋智能无人系统技术》分为２２章，总结了作者在海洋环境无人监测系统 相关技术及应用方面的部分研究工作和心得体会。第１～３章不仅对海洋环境监测系统 的发展现状进行了概述，还对其未来发展趋势进行了探讨，强调了海天耦合无人监测系统 的重要意义；第４～８章、第９～１４章、第１５～１９章分别对三个重要子系统（ ＵＳＶ、 ＡＵＶ和 微小卫星）的整体架构和技术原理进行了详细阐述；第２０～２２章介绍了基于人工智能的 海天耦合监测数据处理系统和相关技术，并给出了应用实例。
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| 關於作者： |
主要作者汪洋，2006年进入哈尔滨工业大学深圳研究生院工作，2007年任副教授，2010年破格晋升为哈尔滨工业大学博士生导师，同年担任哈工大深圳研究生院科技发展处副处长，2012年担任深圳市短距离无线互联应用产业公共服务平台主任。现担任中国电子学会高级会员，深圳市通信学会副会长、常务理事。2011年当选深圳市青年联合会第七届委员会委员。2010年荣获深圳市地方级领军人才。
研究方向：5G前沿理论与技术，无人驾驶理论与技术，卫星通信理论与技术
科研项目：
1 十一五863计划重点项目：高频段无线通信基础技术研究开发与示范系统（哈工大主持）
2 国家科技重大专项：电波测量与信道建模技术研究 （哈工大主持）
3 国家自然科学基金面上项目：基于空间损耗场的宽带协同通信信道阴影衰落相关性建模研究（主持）
4 中国博士后科学基金：脉冲信号室内环境射线跟踪方法研究（主持）主要作者汪洋，2006年进入哈尔滨工业大学深圳研究生院工作，2007年任副教授，2010年破格晋升为哈尔滨工业大学博士生导师，同年担任哈工大深圳研究生院科技发展处副处长，2012年担任深圳市短距离无线互联应用产业公共服务平台主任。现担任中国电子学会高级会员，深圳市通信学会副会长、常务理事。2011年当选深圳市青年联合会第七届委员会委员。2010年荣获深圳市地方级领军人才。
研究方向：5G前沿理论与技术，无人驾驶理论与技术，卫星通信理论与技术
科研项目：
1 十一五863计划重点项目：高频段无线通信基础技术研究开发与示范系统（哈工大主持）
2 国家科技重大专项：电波测量与信道建模技术研究 （哈工大主持）
3 国家自然科学基金面上项目：基于空间损耗场的宽带协同通信信道阴影衰落相关性建模研究（主持）
4 中国博士后科学基金：脉冲信号室内环境射线跟踪方法研究（主持）
5 欧盟第七框架FP7：WiNDOW-Towards Pervasive Indoor Wireless Networks（哈工大主持）
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| 目錄：
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第1章海洋环境监测背景、定义与意义1
1．1海洋环境监测的背景3
1．2海洋环境监测的定义4
1．3海洋环境监测的意义5
1．3．1经济意义5
1．3．2安全意义6
1．3．3生态意义7
第2章海洋环境监测系统发展现状9
2．1监测站11
2．2调查船12
2．3浮标监测13
2．4卫星监测15
第3章海洋环境监测系统发展趋势17
3．1水面无人艇监测系统19
3．2自主水下航行器监测系统22
3．3微小卫星监测系统24
3．4海天耦合无人监测系统26
第4章水面无人艇系统概述29
4．1背景31
4．2发展历史33
4．3系统架构及功能39
4．3．1水面无人艇基本架构39
4．3．2水面无人艇基本导航系统41
4．4水面监测关键技术44
第5章航行状态估计47
5．1基于IMU和GPS的状态估计49
5．1．1噪声和累积误差的消除49
5．1．2模型不确定性的处理49
5．1．3传感器故障的调节52
5．1．4多传感器信息融合55
5．1．5基于其他传感器的估计60
5．2态势感知60
第6章水面无人艇航行建模与控制技术63
6．1水面无人艇航行系统及控制策略65
6．1．1典型水面无人艇的导航控制系统65
6．1．2水面无人艇控制策略67
6．2水面无人艇数学建模68
6．2．1水面无人艇动力学模型69
6．2．2水面无人艇运动模型71
6．3水面无人艇智能路径规划和控制73
6．3．1碰撞风险评估策略74
6．3．2水面无人艇运动规划76
6．3．3水面无人艇智能导航81
第7章水面无人艇水面环境感知技术85
7．1环境感知技术87
7．1．1被动环境感知87
7．1．2主动环境感知96
7．2用于环境感知的新型探测器104
7．2．1微型USB探头105
7．2．2Conduino设计109
7．2．3实验结果与讨论111
第8章水面无人艇水面通信网络技术115
8．1水声通信117
8．1．1水声通信链路强度模型117
8．1．2通信能量损失模型118
8．1．3水面无人艇运动模型118
8．1．4海洋环境影响模型120
8．1．5实验与分析120
8．2无线通信123
8．2．1整体结构123
8．2．2船舶智能数据传感的总体结构124
8．2．3水面无人艇终端软件设计125
8．2．4通信协议的建立126
8．2．5实验与分析128
第9章自主水下航行器系统概述131
9．1背景133
9．2发展历史134
9．3系统架构及功能136
9．3．1能源系统137
9．3．2自主控制系统137
9．3．3导航系统138
9．3．4通信系统138
9．3．5任务载荷系统139
9．4主流自主水下航行器系统介绍140
第10章自主水下航行器航行建模与控制技术143
10．1数学建模和仿真145
10．1．1自主水下航行器运动学和动力学145
10．1．2推力流体动力学建模146
10．1．3一般动力学模型147
10．2运动控制策略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垂直面俯仰和升沉联合控制150
10．3全耦合6自由度控制151
10．3．1控制准则设计与分析152
10．3．2控制分配159
第11章实时最优制导和避障技术165
11．1动力学方程168
11．2实时最优制导170
11．3二维平面轨迹控制175
11．4测试工具和传感结构176
11．5路径跟随算法182
11．6计算机模拟和海上试验185
第12章基于分散控制函数的编队制导193
12．1虚势框架195
12．1．1被动性196
12．1．2局部最小值197
12．1．3势轮廓生成器和分散控制功能198
12．1．4转子矫正201
12．2势编队框架203
12．3大型Ariesprecursor AUV平台204
12．3．1航行器的模型动态204
12．3．2控制208
12．4状态估计与信号控制209
12．4．1障碍分类209
12．4．2状态估计212
12．4．3测量和处理噪声212
12．4．4控制信号调节218
12．5模拟结果219
12．5．1模拟1219
12．5．2模拟2221
第13章自主水下航行器水下环境感知技术225
13．1传感器结构227
13．1．1载荷传感器227
13．1．2导航传感器229
13．2水下整合平台230
13．2．1空间和时间覆盖范围和分辨率232
13．2．2自治功能233
13．3NTNU联合水下环境监测236
13．3．1综合航行作业237
13．3．2方法237
13．3．3观测结果239
13．3．4二次巡航北极行动239
13．4AUV Urashima海底地形观测240
13．4．1AUV Urashima简介240
13．4．2细尺度熔岩流分布的水下观测241
13．4．3热液站点水下图像观测248第14章自主水下航行器水下短程水声通信技术255
14．1水下声学通信网络258
14．2水下数据传输信道特性260
14．2．1声信号电平260
14．2．2信号衰减260
14．2．3路径损耗263
14．2．4水下多径特性264
14．2．5多普勒效应266
14．2．6噪声266
14．3短程信道建模269
14．3．1信噪比的频率相关分量269
14．3．2信道带宽272
14．3．3信道容量273
14．3．4短程水声通信中的误码率274
14．4编队网络协议设计技术276
14．4．1MAC协议276
14．4．2分组路由278
第15章微小卫星系统概述279
15．1背景281
15．2发展历史282
15．3系统架构及功能285
15．3．1微小卫星分系统介绍285
15．3．2微小卫星对地观测的应用287
第16章卫星姿态控制技术293
16．1姿态确定295
16．1．1航天器轨道位置的确定295
16．1．2轨道计算算法296
16．1．3地磁场模型297
16．1．4板载传感器300
16．1．5姿态估计302
16．1．6两体引力模型对姿态计算的影响307
16．2姿态控制309
16．2．1制动器309
16．2．2线性二次调节312
第17章卫星电源设计技术319
17．1架构权衡研究321
17．2能量储存解决方案323
17．3太阳能发电与储能324
17．3．1无管制总线324
17．3．2受管制总线325
17．3．3环型总线326
17．4能量平衡计算327
第18章卫星天基监测技术329
18．1HY2A卫星331
18．1．1仪器描述331
18．1．2算法和数据处理方法333
18．1．3初步结果336
18．2CFOAST卫星343
18．2．1仪器描述343
18．2．2SWIM海洋波浪测量原则347
18．2．3预期结果349
18．3多星联测350
18．3．1海浪遥感观测空间覆盖351
18．3．2海浪遥感时间覆盖353
18．3．3海浪遥感融合产品353
18．4AIS海洋监测卫星356
18．4．1AISSat1和AISSat2356
18．4．2NorSat1和NorSat2357
18．4．3基于AIS监测358
第19章卫星通信网络技术361
19．1轨道和传输媒介363
19．1．1斜距与自由空间损耗363
19．1．2通信时间和数据吞吐量364
19．1．3大气损耗365
19．2多普勒频移365
19．2．1多普勒频移现象的物理解释365
19．2．2多普勒频移与卫星通信366
19．2．3克服多普勒频移367
19．2．4计算多普勒频移的替代方法369
19．3基带调制369
19．3．1通用基带调制技术369
19．3．2解调测试373
19．4FM调制374
19．4．1FM调制理论374
19．4．2立方星FM调制的优势375
19．4．3调制器对齐376
19．4．4解调器测试377
19．5传输线379
19．5．1传输线理论379
19．5．2传输线测试380
19．5．3前置放大器380
19．6天线381
19．6．1定向增益381
19．6．2极化382
19．6．3ION卫星天线383
19．6．4ION地面站天线384
19．6．5天线旋转和校正385
19．7噪声386
19．7．1噪声理论386
19．7．2天线噪声387
19．7．3噪声计算388
19．8链路预算389
第20章多源异构监测信息深度融合391
20．1异构数据和数据融合393
20．2融合架构395
20．3基于深度学习的深度融合400
第21章基于监测信息的大数据挖掘409
21．1数据挖掘介绍411
21．1．1数据挖掘产生背景412
21．1．2数据挖掘分析方法412
21．2数据挖掘算法413
21．2．1数据挖掘步骤413
21．2．2数据挖掘算法分类414
21．3基于深度学习的海洋大数据挖掘419
21．3．1深度学习起源419
21．3．2深度学习关键算法原理420
21．3．3深度学习在海洋大数据挖掘中的研究及应用422
第22章监测数据应用实例427
22．1无人海事监测体系结构429
22．1．1多种类机器人监测类型429
22．1．2系泊和准静态监测类型431
22．1．3无人驾驶船舶和自主航运433
22．1．4小卫星和无人驾驶载具系统434
22．1．5海洋自主系统的应用439
22．2海事数据分析算法441
22．2．1海洋环保大数据统计分析441
22．2．2海洋环保大数据信息融合处理442
22．3海洋环保大数据统计分析及信息融合算法改进443
22．3．1关联规则特征提取443
22．3．2模糊C均值聚类及环保监测诊断实现443
22．3．3仿真实验与结果分析444
22．4SOM算法在海洋大数据挖掘中的应用初探445
22．4．1自组织映射算法446
22．4．2基于SOM的海洋噪声数据分析447
结语展望与挑战451
参考文献455
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| 內容試閱：
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海洋环境监测是海洋生态环境保护、海洋资源勘探，以及海事监督管理的基础，是海洋生态文明建设和海洋经济发展的重要支撑。然而，传统的海洋环境监测系统存在监测手段单一、监测范围小、监测实时性差和监测安全性能低的缺陷。在这种背景下，采用高度智能化和网联化的新型监测技术和监测装备，不仅可以提高信息采集和处理的效力，还可以联通不同的海洋环境监测体系，进而形成新型的海天耦合海洋环境无人监测系统，实现对海洋环境多维度、多粒度和多尺度的全方位实时监测。毫无疑问，这将是未来海洋环境监测系统的发展方向。
本书不仅对基于水面无人艇（unmanned surface vehicles， USV）、自主式水下航行器（autonomous underwater vehicles， AUV）和微小卫星的三种新型无人监测技术的工作原理进行了详细阐述，还结合作者多年的科研工作经验，探讨了海天耦合无人监测系统的整体架构和相关应用。本书的内容框架如下：
第1～3章阐述了海洋环境监测系统的概况，以便读者了解海洋环境监测的背景和意义、海洋环境监测系统的发展现状及发展趋势。
第4～8章、第9～14章、第15～19章分别论述了USV水面环境监测系统、AUV水下环境监测系统、微小卫星天基海洋环境监测系统的发展历史、基本组成部分及其关键技术。其中，第7章、第13章和第18章重点讨论了水面、水下和天基监测技术的工作原理及相应的载荷传感器；第8章、第14章和第19章详细介绍了常用的水面、水下和卫星通信技术的工作原理和相应的组网机制。
第20～22章论述了基于人工智能和大数据的海洋监测信息处理架构、算法和应用实例。其中，第21章重点介绍了基于深度学习的海洋大数据挖掘算法；第22章给出了具体的海洋监测数据应用实例，以便读者更好地理解海洋监测系统的作用和现实意义。
在本书的末尾，作者总结了未来海洋环境监测中的四大重点研究方向和挑战，值得广大科研工作者进一步探索。
本书作者在海洋工程装备领域具有丰富的理论知识和项目经验，长期与国内外从事海洋监测方向的高校和公司保持密切合作关系。为了满足广大读者群体的需要，作者尽量用浅显易懂的语言来阐述海洋环境监测系统的技术部分。
本书适合作为无人海事系统领域从事管理、教学、科研和使用的各类人员的参考用书。与国内外同类书籍相比，本书的理论性和技术先进性更强。
最后，衷心感谢参与本书编撰和校正工作的研究者（郭俊琪、周润东、孙晨阳、禤舒琪、张天琳、朱雷鸣），以及出版社的工作者，感谢他们辛勤的付出和细致严谨的工作态度。感谢广大读者对于本书的关注和支持，并真诚希望对于本书中的缺点和错误给予指正。
作者
2020年7月
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