基于单信标的水下移动节点定位技术研究

发布时间：2020-09-16 20:45

　　水声传感网络(Underwater Acoustic Sensor Network,UWASN)在海洋的勘探与开发中具有重要作用。在UWASN中,精确定位是水下节点完成各项任务的重要保障,对水下节点规划路径、避开障碍和安全返航有着关键作用。传统长基线(Long Baseline,LBL)定位系统的部署和回收成本较高,而短基线(Short Baseline,SBL)和超短基线(Ultrashort Baseline,USBL)定位系统在深海的精度有限。因此,在保证定位精度的前提下,降低系统的部署成本成为水声定位的一个研究方向。在此背景下,业界发展出了基于单信标的定位方法,仅通过一个信标节点的斜距信息和水下移动节点的运动信息来实现定位功能。目前大多数的水下定位模型都基于同步的UWASN设计,然而由于复杂的水下环境,节点间的时钟同步难以实现。此外,现有的定位机制大多需要水下移动节点发送询问或应答信号,这会增大节点的能量开销,也不利于节点保持隐蔽。因此,基于上述系统需求,设计基于单信标的水下移动节点定位方法具有重要的研究意义与应用价值。针对声波在水下传播过程中,声速变化导致声线弯曲,从而影响斜距测量的问题,论文将声速剖面进行等梯度分层处理。首先研究了单层等梯度声速剖面中声线传播的轨迹方程与路径参数,并以此为基础推广到多层声速剖面,利用声线轨迹推导了斜距和传播时延,给出了平均声速的计算方法。考虑到水下移动节点不对外发送信息的要求和节点时钟难以同步的特性,论文提出了水下移动节点在异步条件下的被动定位模型。通过水下移动节点的航位推算信息,构建相邻状态的位置关系,在此基础上结合斜距方程进行位置估计。此外,论文建立了水下移动节点的缓存状态模型,运用总体最小二乘(Total Least Squares,TLS)的位置估计方法,将基于方程求解的数学问题转化为基于信息处理的估计问题,从而减小了测量噪声对定位结果的影响。仿真结果表明,在3000m×2000m的海域中,水下移动节点的位置估计误差基本在100m以内,在靠近信标节点的区域,位置估计误差在20m以内。根据水下移动节点的位置跟踪需求,论文提出了一种序贯跟踪方法。针对水下移动节点时钟漂移和航位信息测量不准确的问题,扩展了系统的状态量,并在此基础上构建了系统的状态方程与测量方程。通过泰勒级数展开的办法对测量方程进行线性近似,并利用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)实现水下移动节点的位置跟踪。仿真结果表明,在3000m×2000m的海域中,位置跟踪误差基本在90m以内。论文对所提出的水下移动节点位置估计与跟踪方法在千岛湖进行了湖泊试验。试验结果表明,水下移动节点的位置估计误差基本在40m以内,跟踪误差基本在30m以内,论文提出的定位方法可以实现水下移动节点的定位功能。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.3;TP212.9
【部分图文】：

分类依据

图１．１声学定位系统分类［６］逡逑

整体框架,论文

重构了系统的状态方程与测量方程。针对测量方程非线性的问题，通过泰勒级数展开逡逑的办法对测量方程进行线性近似，并利用ＥＫＦ实现水下移动节点的位置跟踪。逡逑论文的整体框架如图１．２所示。逡逑水声定位方法概述逡逑基于单信标的定位方法逡逑定位解算｜逦｜序贯滤波逡逑Ｔｉｓｔ计｜逦｜邋ＥＫＦ跟踪逡逑仿真验证逡逑湖试Ｍ逡逑图１．２论文整体框架逡逑１．５论文篇章结构逡逑论文的具体章节安排如下：逡逑１０逡逑

剖面图,剖面,声速剖面,声速

．１可以看出，声速剖面具有明显的分层特征，即以０？２００ｍ，２０００ｍ和大于１３００ｍ的区间对声速剖面进行分层，则每一层的声可以将声速近似看作关于深度的一次函数。逡逑一般情况，假设某一海域的声速剖面可按上述规律进行等梯度剖面中，声速可以表示为逡逑ｃｉ（ｚ）邋＝邋ｃｉ＋ｇｉｚ示第／层声速模型在Ｃ轴的截距，ｇ，．表示声速梯度。逡逑等梯度声速剖面的声线轨迹推导逡逑学是研究声波传播最常用的方法，其假设声波能量沿一定的方方向线即为声线。与波动理论相比，射线声学模型更筒单，也更［５２］一

【相似文献】