水声传感网络中水下移动节点的分布式定位方法研究

发布时间：2020-10-27 01:09

　　 水声传感网络(Underwater Acoustic Sensor Network,UASN)被广泛应用于海洋资源探索、水下数据收集、灾难预警、水下导航和军事行动等场景中,是海洋研究信息化的热点。定位技术作为水声传感网络中的支撑技术,常用于估计水下目标的位置、跟踪水下节点、优化媒体接入控制与路由协议的性能等。在水声传感网络中设计有效合理的定位技术具有重要的意义。考虑水声传感网络的特性,本文主要研究水下定位技术中的分布式被动定位技术。考虑到水下待定位节点与信标节点之间难以保持时钟同步,且定位周期长的问题,论文首先在基于定位报文到达时间差(Time Difference of Arrival,TDoA)定位算法的基础上提出定位报文同步发送的TDoA定位算法,并给出了算法的具体实现与详细的误差分析。TDoA定位算法面临两个主要问题:第一是假设声速恒定,这会导致一定的定位误差;第二是要求所有信标节点保持时钟同步,这会导致高昂的同步代价。针对声速恒定问题,论文提出了一种结合声速梯度(sound speed profile,SSP)的多径辅助测距定位算法。该定位算法结合了 TDoA算法和多径测距算法,水下节点额外利用了海底信标节点定位报文的几何反射径来辅助测距,进而以实测的声速梯度完成定位任务,提高了定位精度。针对同步代价问题,论文提出了 一种海底信标辅助定位算法。海底信标辅助定位算法仅要求海面信标节点之间的时钟同步,其中海底信标节点仅转发海面信标节点的定位报文。理论分析与仿真结果表明,上述提出的定位算法可以有效解决T D o A算法所面临的两个主要问题。基于定位报文的定位方法可以有效解决水下待定位节点的定位问题,但在定位跟踪中面临实时性和低能耗无法兼容的问题。针对于此,论文提出一种基于序贯滤波的定位跟踪方法。论文首先构建了可以最大化覆盖海域的定位系统,并设计了信标节点广播定位报文的时序。考虑到时钟异步的特性,在滤波方案中将每组定位报文或者相邻两组定位报文中不同定位报文的到达时刻差作为观测值,实时处理观测值数量不同的情况;考虑有效声速随位置变化的特性,将有效声速作为状态量进行迭代更新,减小由于声速变化引起的定位误差。理论分析与仿真结果表明,本文提出的定位跟踪方法可以很好地应用到水下移动节点的定位跟踪中。针对于定位报文同步发送的TDoA定位算法和基于滤波的定位跟踪方法,本文给出湖试验证。试验首先进行了定位报文同步发送TDoA定位算法的功能验证,并验证了信标节点拓扑结构大小和水下节点所处位置对于定位性能的影响;另外试验还验证基于滤波的定位跟踪方法在定位系统中的可行性。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212.9;TN929.3
【部分图文】：

士学位论文?制圆，多个圆的交点即为待定位节点的位置，如图Ｕ所示。的坐标位置即为解算多个圆的交点位置，其中《维的坐标位置共面的信标节点作为参考节点，即需要《＋１个圆的交点才能解曲线方法多应用于基于距离差的定位方法，即根据不同信标节距离差解算待定位节点的位置。定位方法可以看成双曲线的交，信标节点位置作为双曲线的焦点，不同信标节点与待定位节线的长轴。在《个锚节点（信标节点）中，可以绘制条双置即解算《－１条双曲线的交点。??

士学位论文?制圆，多个圆的交点即为待定位节点的位置，如图Ｕ所示。的坐标位置即为解算多个圆的交点位置，其中《维的坐标位置共面的信标节点作为参考节点，即需要《＋１个圆的交点才能解曲线方法多应用于基于距离差的定位方法，即根据不同信标节距离差解算待定位节点的位置。定位方法可以看成双曲线的交，信标节点位置作为双曲线的焦点，不同信标节点与待定位节线的长轴。在《个锚节点（信标节点）中，可以绘制条双置即解算《－１条双曲线的交点。??

２．１水下定位系统介绍??水下定位系统主要功能是实现覆盖海域中位置未知目标的定位和跟踪功能。??一般情况下水下定位系统主要由信标节点和待定位节点组成，如图２．１所示，其??中信标节点是位置已知的节点，包括浮标节点、ＡＵＶ、坐底平台等；待定位节??点是位置未知的节点，也称一般节点，其利用信标节点的定位报文信息来实现自??身位置的解算。另外，水下定位系统还包括岸基控制中心、船基控制中心，并借??助卫星系统等。??全球定位＼??导航系统??星导航信号??Ｚ?／卫星通信??＿信标节￣７??／?１?定位报?／??Ｚ＿?．，＾Ｆ?／??水卜待定备??位节点＾ＡＵＶ??海底信?／??标节点?＿＼Ｓ???图２．１水下定位系统示意图??在覆盖海域中，漂浮在海面上、固定在海床上或者水下的信标节点构成一定??的拓扑结构，按一定时序广播定位报文；位于移动载体上的移动信标节点实时更??１７??
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本文编号：2857793