基于水声传感器网络的定位精度优化技术研究

发布时间：2020-05-12 23:56

【摘要】：水下目标定位技术是水下传感器网络技术中最重要的一部分,是该领域研究的主要方向之一,在商业与军事领域具有广泛的应用前景。由于水声环境的复杂多变性,水下传感器网络具有流动性,布放稀疏,能量受限等特点,给水下定位技术带来了一定的挑战。本文从声线矫正、信号快速检测、传播时延估计的方面修复水声定位系统的测距误差,并通过锚节点择优算法平衡定位性能与能量使用效率,优化水声传感器网络定位效果。论文以美国国家海洋数据中心公开的海洋实测数据分析了深海、浅海样例的声学特性,剖析了声信号在海洋环境传播过程中的声线弯曲现象,并分别计算信标测距的等效声速,修复因声线弯曲传播带来的定位误差。论文针对同步信号接收端固定门限设置带来的虚警与漏检现象矛盾的问题,提出了一种基于分数阶傅里叶变换的水声定位时延估计算法。首先,算法根据匹配滤波法设置自适应动态门限捕获同步信号,其次,利用FRFT在合适阶次上实现信号与噪声分离的特性进行FRFT再检测,进一步剔除虚警信号;最后通过FRFT的尖峰偏移量进行时延误差修正。仿真结果表明,相比于传统算法,该算法在一定程度上缓解了虚警与漏检现象的矛盾,修复了因时延误差带来的定位测距误差,具有较好的实际应用价值。论文针对水声传感器网络定位中节点冗余的场景,提出了一种基于粒子群的水声传感器网络节点择优算法,在保证一定定位精度的前提下,综合考虑通信开销与节点剩余能量情况,位置可疑度,声线传播弯曲特性等因素,设计锚节点择优机制,使用粒子群算法迭代出最优的传感器组合,对锚节点的定位信号发射进行规划。仿真结果表明,该算法具有计算量小,收敛快,定位精度高等特点,能有效提高节点能量利用率,较好地适用于水声定位场景。
【图文】：

水声定位系统,声信号,定位精度,声源

图１－２定位精度优化示意图逡逑基于测距的水声定位系统是根据声源辐射的声信号从锚节点发射到目标节逡逑点接收过程的时延差，与一定的海洋声速相乘，转化为锚节点与待测物体的距离逡逑差（伪距），实现目标定位。本文基于以上场景，采用ＴＯＡ定位技术，，从测距信逡逑息优化与节点择优两方面提高定位精度。类比于ＧＰＳ定位中的伪距影响，文章逡逑从声线误差与时延误差两个误差因素来源进行分析，修正测距信息；类比于卫星逡逑定位系统中的多星选择策略问题，文章结合水声传感器网络特性，在保证一定定逡逑位精度的前提下，综合考虑通信开销与节点剩余能量情况，位置可疑度，声线传逡逑播弯曲特性等因素，设计锚节点择优机制，优化定位算法。逡逑海洋中的声速变化是影响定位系统测距误差的重要因素，由于声速与温度，逡逑盐度和压强有关，呈现垂直分布特性。垂直方向上的不均匀分布使得声波发生折逡逑射，声线产生弯曲，声信号在锚节点与待测物体之间的传播是弯曲行进的，所以逡逑

海洋声学,择优算法,水声定位,同步信号检测

逦第】章绪论逦逡逑１．４主要研究内容逡逑本文根据水声定位原理，提出了基于分数阶傅里叶变换的同步信号检测与时逡逑延估计算法，基于粒子群的节点择优算法，并根据海洋声学传播特性，对定位过逡逑程中的声速变化进行误差修复，修正定位数据。逡逑—一
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.3;TP212.9

【参考文献】