基于无线传感器网络定位技术的声纳浮标节点定位研究

发布时间：2017-11-02 06:30

  本文关键词：基于无线传感器网络定位技术的声纳浮标节点定位研究

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【摘要】：声纳浮标是一种主要用于探测水下目标物体的浮标式声纳水声遥感探测器,传统的声纳浮标定位系统主要由飞机上的浮标投放设备、多频道超短波浮标信号接收装置、浮标信号处理和显示设备以及声纳浮标探测器等组成,一般用于航空反潜探测和固定声纳浮标定位系统对水下潜艇等目标的监测预警等。传统声纳浮标定位系统中浮标节点位置一般通过GPS来获取,节点位置精确度较低,通常为20-30m,同时传统声纳浮标定位主要是基于单个声纳浮标节点,对水中目标定位精度较低,据此提出了由大量声纳浮标节点通过无线通信方式组成一个声纳浮标节点无线传感器网络,网络中的节点使用休眠-唤醒-休眠的工作方式,以一定周期间隔采集数据,利用无线传感器网络定位技术,结合多传感器数据融合技术、信息处理技术以及嵌入式技术实现对声纳浮标节点精确定位,同时还能够通过各个声纳浮标节点位置信息来实现对水中目标的定位。由于在实际海洋环境中,声纳浮标节点可能会随着洋流运动位置不断变化,本文选择了一种可用于移动节点定位的基于RSSI(接收信号强度)测距算法和极大似然估计测量定位法来对声纳浮标节点进行定位,文中对该算法原理和实现过程进行了详细介绍,并仿真分析结果表明算法在移动节点定位中的有效性和较高的定位精度。在获取声纳浮标节点位置信息后,利用各个声纳浮标节点位置信息和超声波球体相交定位发实现对水中目标的定位。本文为了解决由于海洋洋流的作用导致声纳浮标节点位置不断变化甚至节点之间无法通信的问题,这里采用声纳浮标节点之间相互锁连方式,各个节点通过固定绳索相互连接起来。考虑到声纳浮标监测节点所处海洋工作环境中电磁干扰较多,不容易更换电池,此外随着节点不断移动节点间距离增大可能会导致节点之间无法相互通信,文中设计了一种矩形微带天线。该天线是基于CC2430的2.4GHz,具有抗干扰能力强、能量消耗低、通信距离远等特点。最后对天线仿真表明通信距离最大可达80m以上,基本满足实际环境中节点间通信范围的要求。由于文中声纳浮标监测节点使用ISM频段2.4GHz,这里节点之间通信协议可选择ZigBee协议,它是一种面向低功耗、低速率、短距离的无线通信协议。此外为了保证声纳浮标汇聚节点能够与网络中各个节点正常通信,声纳浮标汇聚节点的无线通信部分选择CC2430外加射频前端芯片CC2591,通信距离可达1000m以上。此外汇聚节点使用3G通信方式与基站进行通信,满足数据传输速度快,信息量大的要求。本文详细分析目前无线传感器网络定位算法实现过程并对各种算法进行仿真对比分析其优劣。然后针对声纳浮标节点定位的特点,选择基于测距RSSI算法和极大似然估计测量定位方法,利用Matlab7.0对该定位算法进行仿真,实验仿真结果显示,节点定位平均误差大约为2.64m,相对于节点的通信范围20m来说,相对误差大约为10%-15%之间,基本满足实际工作环境的应用要求,具有较高的定位精度。最后文中针对声纳浮标节点对水中目标定位,提出了超声波球体相交定位方法,详细介绍定位原理和过程,并详细设计具体定位实现电路。
【关键词】：声纳浮标定位系统 无线传感器网络定位 节点间相互锁链 基于RSSI测距算法
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB56;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第1章 引言9-15
• 1.1 研究背景及选题意义9-11
• 1.2 研究现状11-13
• 1.3 论文主要研究内容和结构13-15
• 第2章 无线传感器网络定位的原理和算法15-28
• 2.1 无线传感器网络概述15-17
• 2.2 无线传感器网络定位技术17-28
• 2.2.1 基于非测距的定位算法18-20
• 2.2.2 三种基于非测距定位算法的优劣比较及仿真结果20-22
• 2.2.3 基于测距的定位算法22-24
• 2.2.4 无线传感器网络节点定位位置的计算方法24-28
• 第3章 声纳浮标节点硬件设计28-39
• 3.1 相关芯片介绍28-30
• 3.2 声纳浮标节点定位系统网络体系结构30-31
• 3.3 声纳浮标监测节点硬件设计31-35
• 3.3.1 声纳浮标监测节点天线设计和仿真33-35
• 3.4 声纳浮标汇聚节点硬件设计35-38
• 3.4.1 声纳浮标汇聚节点供电电路设计36-38
• 3.5 声纳浮标节点硬件仿真38-39
• 第4章 声纳浮标节点定位算法的设计及仿真39-46
• 4.1 声纳浮标节点定位算法的设计39-43
• 4.2 声纳浮标节点定位算法的仿真及结果43-46
• 第5章 声纳浮标节点对水中目标定位的设计46-50
• 5.1 声纳浮标节点对水中目标定位的原理和过程46-47
• 5.2 声纳浮标节点对水中目标定位的电路设计47-50
• 总结50-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-54
• 攻读学位期间取得学术成果54-55
• 附录55-57

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李煜;程远国;杨露菁;;二元探测传感器网络的递推加权质心目标定位算法[J];海军工程大学学报;2008年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 刘丽君;无线传感器网络定位算法的研究[D];大连理工大学;2009年

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本文编号：1130409