2025年大学《海洋技术》专业题库- 船舶导航与定位技术研究

2025年大学《海洋技术》专业题库——船舶导航与定位技术研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每小题3分，共15分）1.惯性导航系统（INS）2.坐标转换3.精密单点定位（PPP）4.测距码伪距5.雷达应答器二、填空题（每空1分，共20分）1.船舶导航的主要目的是确定船舶的______、______和姿态。2.全球导航卫星系统（GNSS）目前主要包括美国的______、俄罗斯的______、欧盟的______和中国的______。3.惯性导航系统的主要误差来源包括______误差、______误差和______误差。4.船舶自动识别系统（AIS）工作在______频段，主要用于船舶间的______和______。5.基于卫星的无线电导航系统，如GNSS，主要利用卫星发射的______信号进行定位。6.深度声纳测深原理通常是基于声波在水中传播的______和______。7.导航信息融合的目标是将来自不同传感器的信息进行组合，以提高定位的______和______。8.船舶在航行中，其位置变化可以用______和______两个参数来描述。9.罗兰-C系统属于一种______导航系统，它通过接收______台发射的信号进行定位。10.惯性导航系统的核心部件是______和______。三、判断题（每小题1分，共10分，正确的划“√”，错误的划“×”）1.全球导航卫星系统（GNSS）可以提供全球范围内全天候的二维定位服务。（）2.惯性导航系统（INS）是自主式导航系统，不需要任何外部信息输入。（）3.船舶雷达主要用于测距和测速，但不能用于测方位。（）4.电子海图（ECDIS）是一种数字化、可视化的海图产品，但它不能提供导航信息。（）5.精密单点定位（PPP）技术可以提供厘米级定位精度。（）6.船舶导航系统中的误差通常是随机误差，可以通过滤波技术完全消除。（）7.雷达应答器是主动式设备，它可以发射询问信号。（）8.AIS系统可以自动识别船舶的名称、呼号、类型等静态信息。（）9.惯性导航系统的时间误差会随着航行时间的增加而线性累积。（）10.深度声纳主要用于测量船舶的航速。（）四、简答题（每小题5分，共20分）1.简述GNSS定位的基本原理。2.简述惯性导航系统（INS）的主要组成部分及其功能。3.简述AIS系统的主要功能和应用。4.简述船舶导航中常用的坐标系统有哪些，并说明它们之间的区别。五、论述题（每小题10分，共20分）1.论述惯性导航系统（INS）的主要误差来源及其对定位精度的影响。2.论述多源导航信息融合技术在船舶导航中的应用意义和面临的挑战。六、计算题（共15分）已知某船舶在时刻t1的地理位置为经度L1，纬度B1，速度为V1（大小和方向已知），在时刻t2，船舶沿该速度方向航行了时间Δt。忽略地球曲率和风影响，求船舶在时刻t2的近似地理位置L2和B2。请列出计算公式并说明计算步骤。试卷答案一、名词解释1.惯性导航系统（INS）：利用惯性元件（如陀螺仪和加速度计）测量载体运动的加速度和角速度，通过积分运算得到位置、速度和姿态信息的一种自主式导航系统。2.坐标转换：将一个坐标系下的导航信息（如经纬度）转换到另一个坐标系下的过程，例如将地理坐标系转换到船体坐标系或局部坐标系。3.精密单点定位（PPP）：利用单台GNSS接收机，通过差分改正或模型修正技术，实现高精度（厘米级）定位的技术。4.测距码伪距：GNSS卫星信号发射时刻和接收机测量时刻之间的时间差乘以光速，由于卫星钟差、接收机钟差等因素存在，得到的是带有误差的距离值，称为伪距。5.雷达应答器：一种被动式无线电设备，当接收到雷达询问信号时，能自动发送包含自身信息的应答信号，用于实现雷达探测和识别。二、填空题1.经度，纬度2.GPS,GLONASS,Galileo,BeiDou3.固有，尺度，随机4.VHF,信息交换，避碰5.测距码，测相码6.时间，距离7.精度，可靠性8.航向，航速9.远程，甚低频10.惯性测量单元（IMU），中央处理单元（CPU）三、判断题1.×2.√3.×4.×5.√6.×7.×8.√9.×10.×四、简答题1.GNSS定位的基本原理：利用分布在近似球形轨道上的多颗导航卫星，向地面发射包含自身星历和时间的无线电信号。地面GNSS接收机接收至少四颗卫星的信号，通过测量信号传播时间来计算卫星到接收机的距离（伪距），再利用三维坐标几何关系建立方程组，解算出接收机的三维位置（经度、纬度、高度）和精确时间。2.惯性导航系统（INS）的主要组成部分及其功能：*惯性测量单元（IMU）：核心部件，包含陀螺仪和加速度计，用于测量载体的角速度和加速度。*中央处理单元（CPU）：接收IMU的测量数据，进行运算处理，解算出载体的位置、速度、姿态等信息。*控制与指示装置：提供电源管理、数据记录、人机交互界面、状态指示等功能。*校准与测试设备：用于对INS系统进行初始校准和定期测试，以补偿系统误差。3.AIS系统的主要功能和应用：*船舶识别：自动广播和接收船舶的MMSI码、名称、呼号、类型等静态信息。*航行状态报告：自动广播船舶的经纬度、航向、航速、船首向、货物类型等动态信息。*提高航行安全：使船舶能够实时了解周围船舶的动态，有效避免碰撞事故。*海上交通管理：为VTS中心、港口当局等提供实时的船舶交通信息，辅助进行交通组织和指挥。4.船舶导航中常用的坐标系统及其区别：*地理坐标系（如WGS-84）：以地球球心或地球椭球体为基准，用经度和纬度表示地理位置，是全球通用的坐标系。*船体坐标系：以船舶质心为原点，X轴沿船首方向，Y轴沿右舷方向，Z轴沿船底方向，用于描述船舶自身运动和姿态。*局部坐标系：以特定区域（如港口、航道）为中心建立的坐标系，方便在该区域内进行精确导航和定位。五、论述题1.惯性导航系统（INS）的主要误差来源及其对定位精度的影响：*固有误差（漂移误差）：主要由陀螺仪的角漂移和加速度计的比力零位偏置引起。这是INS最核心的误差源，它会导致位置、速度和姿态信息随时间累积误差。角漂移使航向偏差，进而影响经纬度计算；比力零位偏置使速度计算产生固定偏差，进而影响位置计算。固有误差是随时间线性累积的。*尺度误差：指加速度计的灵敏度或陀螺仪的角速率灵敏度的标定不准确。尺度误差会导致速度和位置的累积误差与航行距离成正比，影响长距离导航的精度。*随机误差：主要由环境噪声（如振动、温度变化）和内部噪声引起。随机误差表现为位置、速度和姿态信息的波动，其影响随时间平方根增长，限制了短期定位精度。*这些误差来源共同作用，使得INS的定位精度在短时间内尚可，但随着航行时间的增长，误差会显著累积，导致定位结果偏离真实位置，尤其是在长距离或长时间航行中，精度会迅速下降，无法满足高精度导航需求。2.多源导航信息融合技术在船舶导航中的应用意义和面临的挑战：*应用意义：*提高导航精度和可靠性：结合不同导航系统（如GNSS、INS、AIS、雷达、深度声纳、地磁匹配等）的信息，可以相互补偿、修正误差，获得比单一系统更精确、更可靠的导航结果。*增强全天候、全地域导航能力：某些导航系统（如GNSS在室内或高遮挡区域）可能失效，而其他系统（如INS、视觉导航、地磁匹配）仍能工作，融合可以实现不间断导航。*提供丰富的导航信息：融合可以提供位置、速度、姿态、航向、深度、地磁信息等，满足船舶航行、作业等多种需求。*提升航行安全性：通过融合多源信息进行目标探测、识别和避碰，提供更全面的态势感知。*面临的挑战：*传感器标定与配准：不同传感器的坐标系、时间基准需要精确标定和同步，否则融合效果会受影响。*传感器信息不确定性：不同传感器的测量精度、更新率、误差特性不同，融合算法需要考虑这些不确定性。*融合算法设计：设计高效的融合算法（如卡尔曼滤波及其变种）来处理多源信息，实现最优估计，技术难度较高。*系统复杂性与成本：多源融合系统结构更复杂，成本更高。*环境适应性：融合系统的性能受环境因素（如电磁干扰、能见度）影响。六、计算题方法一：利用匀速直线运动模型。设t1时刻位置为（x1,y1），速度为V（大小为V，方向角为θ），航行时间Δt后位置为（x2,y2）。x2=x1+V*cos(θ)*Δty2=y1+V*sin(θ)*Δt其中，x1,y1是位置B1,L1在笛卡尔坐标系中的投影，V是速度大小，θ是速度方向与x轴（通常指东向）的夹角，Δt是时间间隔。要将x2,y2转换回经度L2和纬度B2，需要进行坐标转换（投影变换），这通常需要地球椭球模型和复杂的地图投影算法。如果不考虑坐标转换，仅计算笛卡尔坐标的变化，则答案如上。方法二：利用极坐标转换（简化假设，未考虑地球曲率）。设t1时刻位置为（L1,B1），速度为V（大小为V），方向角为航向角（艏向角的反向）。航行Δt后位置为