水下无线传感器网络定位算法的研究
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【摘要】：水下无线传感器网络是无线传感器网络在水下的拓展,他继承了无线传感器网络能耗低、灵活性高,能大范围部署,可长时间无人监守,并且能够部署于人工无法进入的复杂区域等特性,已成为海洋环境管理、资源保护、灾害监测、海洋工程、海上生产作业和海洋军事活动的重要手段。但水下水下无线传感器网络的特点,如：水下不能直接使用GPs、水声信道带宽窄等特点,决定了将陆地上的无线传感器网络定位算法直接用于水下定位中是不可行的。由于水下传感器节点部署在极其复杂的水下环境中,网络节点,特别是悬浮在水中的传感器节点极易受到水流的影响而产生移动。目前,研究人员设计出各种优秀的水下传感器网络设计的定位算法,但是大部分算法主要针对静态的、小规模传感网络。当网络规模增大时,通信开销剧增,这些水下定位算法的性能将大大降低。本文首先阐述了研究水下定位算法的背景和意义,简单介绍了水下传感器网络的应用场景和特点。对水下无线传感器定位算法进行了深入研究,并且讨论了他们的优缺点。通过阅读大量相关文献,将现有的水下无线传感器定位算法进行了分类。本文的研究重点是水下无线传感器节点定位算法,针对因为洋流运动导致的传感器节点的移动现象,分析了水下定位的难点。充分利用水下移动物体的特性以及现有的洋流运动模型,针对一片潮汐区域设计了定位算法。首先对现有的洋流模型进行变换,利用卡尔曼预测算法,结合用锚节点自身的位置信息值求出锚节点运动速度。未知节点根据周围的参考节点发送的含有洋流参数的位置信息,通过加权平均的算法求出节点速度模型。然后根据上一时刻的位置以及洋流模型计算出当前时刻的位置,从而减小了网络的通信开销。并且在本文算法中,当节点只能接收到两个参考节点的位置信息时,也能实现自身定位。通过运用MATLAB仿真工具对本文提出的定位算法进行了仿真实验,并且与SLMP位算法定以及AHLoS-3C算法进行比较。仿真实验表明本文提出的基于洋流模型的定位算法提高了定位覆盖率,降低了平均定位误差以及网络的能量开销。
【关键词】：洋流模型 水下传感网络 卡尔曼预测 定位算法
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.3
【目录】：
- 摘要4-5
- ABSTRACT5-7
- 目录7-10
- CONTENTS10-12
- 第一章 绪论12-18
- 1.1 研究背景与意义12-14
- 1.2 研究现状14-16
- 1.2.1 水下无线传感器网络研究现状14-15
- 1.2.2 水下节点定位研究现状15-16
- 1.3 存在的问题16-17
- 1.4 论文的主要工作及结构安排17-18
- 第二章 水下无线传感器概述18-27
- 2.1 水下无线传感器网络简介18-20
- 2.1.1 水下无线传感器网络结构18-19
- 2.1.2 水下传感器网络的应用19-20
- 2.2 水下无线传感器网络定位的特点20-21
- 2.3 水下无线传感器网络定位的分类21-22
- 2.4 位置计算的基本方法22-25
- 2.4.1 三边测量法23
- 2.4.2 三角测量法23-24
- 2.4.3 极大似然估计法24-25
- 2.5 定位算法的性能评价参数25-26
- 2.6 本章小结26-27
- 第三章 基于卡尔曼滤波器的洋流模型27-37
- 3.1 现有洋流模型概述27-29
- 3.1.1 洋流模型在水下节点定位中的意义27-28
- 3.1.2 洋流模型研究现状28-29
- 3.2 洋流模型建立29-31
- 3.2.1 洋流模型参数定义29-30
- 3.2.2 洋流模型参数选择30-31
- 3.4 卡尔曼滤波器的概述31-34
- 3.4.1 系统模型31-32
- 3.4.2 卡尔曼预测32-34
- 3.5 基于卡尔曼预测的洋流模型34-36
- 3.6 本章小结36-37
- 第四章 基于洋流模型的水下无线传感器网络定位37-45
- 4.1 算法的描述37-39
- 4.1.1 水下物体移动特性37-38
- 4.1.2 网络结构38-39
- 4.2 基于洋流模型的定位算法39-44
- 4.2.1 算法概述39
- 4.2.2 锚节点移动预测39-40
- 4.2.3 普通节点定位40-43
- 4.2.4 普通节点位置计算43-44
- 4.3 本章小结44-45
- 第五章 仿真结果与分析45-55
- 5.1 仿真参数设置45
- 5.2 仿真结果分析45-54
- 5.2.1 节点密度对性能的影响45-48
- 5.2.2 预测窗口的大小对性能的影响48-50
- 5.2.3 预测误差阈值对性能的影响50-52
- 5.2.4 置信度阈值对性能的影响52-54
- 5.3 本章小结54-55
- 总结与展望55-57
- 本文工作总结55-56
- 展望56-57
- 参考文献57-60
- 攻读学位期间发表的论文60-62
- 致谢6
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