异步时钟下水下目标协同定位算法研究

发布时间：2020-04-17 23:34

【摘要】：随着国家越来越重视海洋领域,海洋水声传感器网络也在水下相关领域发现重要的探索价值。其中水下目标有效定位是水声传感网络的重要应用,其主要作用是得到水下目标的有效位置,为接下来的深入研究做铺垫。但是,由于水下复杂环境和噪声的存在,目标定位任务大大增加。本文从实现水下目标精确定位的角度出发,利用水声传感器网络的优势,通过设计一种适用的传感器网络和提出一种异步时钟下的信息交互方式,重新整合处理目标信息,达到降低测量误差及噪声对定位过程影响的目的,提高水下目标的定位精度。首先,针对水下环境的复杂性对目标定位的影响,提出一种适合于水下目标定位的传感器网络结构。并根据水下目标节点(水下潜器)的移动特性建立目标节点运动学模型,采用请求式异步交互方式解决节点间时钟不同步问题。再针对测量信息误差不可避免的情况,设计扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波定位算法,以减少噪声对定位精度的影响,获得更高定位精度。其次,针对水下环境复杂多变的因素和节点模型多样性问题,引入四自由度的目标节点运动学和动力学模型。针对水下节点间时钟不同步,测量误差与水下噪声而造成的定位精度降低的问题,提出基于异步时钟下的扩展卡尔曼和无迹卡尔曼定位算法。并在理论上分析算法的稳定性,求解克拉美罗下界并做比较,以消除测量误差和水下噪声影响,提高水下目标的定位精度。最后,针对水下环境中客观存在的声音在水下分布不均匀和目标定位过程中相对移动的定位问题,考虑声线弯曲对目标定位的影响,提出移动补偿策略来解决定位过程中目标节点的移动误差,采用扩展卡尔曼滤波算法减弱测量误差和水下环境噪声的影响,以进一步提高水下目标的定位精度。
【图文】：

水声传感器,网络架构,水下传感器

图 3-1 水声传感器网络架构)水面浮标：漂浮在水面, 可通过北斗导航或全球定位系统获取自身位置及时息，其主要作用是协助水下传感器节点进行自定位。)水下传感器节点：悬浮于水下, 具有低复杂度以及廉价特点，可通过浮标的自身位置, 但受水下噪声等因素影响时钟并不同步，其主要作用是通过信息获取水下潜器的位置信息。)水下潜器：具备感知、传输、计算功能，可看作是“合作目标” ，并能通过节点广播请求定位信息来启动整个定位过程。不失一般性，假设水下潜器传感器, 以直接获取自身深度(即 z 轴)位置信息。基于此，水下潜器需采用异步定位算法确定其 x 与 y 轴位置信息。于上述的网络架构，水面浮标通过 GPS 或者北斗导航进行自定位，获得有信息。再通过水声通信与水下传感器节点进行信息交互，实现无论水流还影响下，，水下传感器都能实现自定位(即自身位置已知)。在水下传感器节点
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN929.3

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