【摘要】：近年來,水下傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)探測以及水下潛器定位導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用,吸引了眾多學(xué)者投入到水下傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的研究中。在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中,獲取水下節(jié)點(diǎn)的高精度方位是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)。水下節(jié)點(diǎn)的高精度位置信息是水下數(shù)據(jù)采集有效性以及目標(biāo)定位可靠性的有力保證。但水下環(huán)境復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化,這使得水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位存在很大的挑戰(zhàn)。本文對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的錨節(jié)點(diǎn)位置誤差以及未知的傳播聲速進(jìn)行分析,研究一種魯棒性好的高精度定位算法。目前在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中通常主要考慮節(jié)點(diǎn)間的測時(shí)誤差,而忽略了錨節(jié)點(diǎn)的位置誤差,而實(shí)際上受節(jié)點(diǎn)的布放方式和水流等因素的影響,錨節(jié)點(diǎn)的位置誤差已經(jīng)成為制約高精度定位的主要問題之一。本文在標(biāo)定的錨節(jié)點(diǎn)位置誤差以及節(jié)點(diǎn)之間的測時(shí)誤差均服從高斯分布的假設(shè)下,構(gòu)建了基于最大似然估計(jì)準(zhǔn)則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位模型,分別引入二階錐規(guī)劃(SOCP)、半定規(guī)劃(SDP)以及DC規(guī)劃算法來求解該定位模型的最優(yōu)解。通過仿真驗(yàn)證了三種定位算法的有效性,并對比分析了三種凸優(yōu)化算法的優(yōu)缺點(diǎn)。此外,由于海水中聲速分布呈現(xiàn)顯著的垂直分層特性,聲線彎曲現(xiàn)象明顯,需要經(jīng)過修正才能獲取視在距離。為了抑制聲速誤差對節(jié)點(diǎn)定位精度的影響,本文在進(jìn)行求解優(yōu)化模型時(shí)結(jié)合水下聲速剖面信息采用Snell定律進(jìn)行聲線跟蹤來消除未知聲速帶來的定位誤差,仿真對比驗(yàn)證了聲線跟蹤算法可以有效地消除未知聲速帶來的定位誤差。之后,考慮到在用于長時(shí)間海洋監(jiān)測的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中很難所有節(jié)點(diǎn)都能實(shí)時(shí)獲取且聲線跟蹤算法的計(jì)算復(fù)雜度較高,本文在一次定位過程中節(jié)點(diǎn)間的等效平均聲速值相等的假設(shè)下,將其作為未知數(shù)代入到基礎(chǔ)定位模型中進(jìn)行求解,分別在考慮和不考慮錨節(jié)點(diǎn)位置誤差的條件下,基于半定規(guī)劃(SDP)給出了不同的求解聲速的定位模型。在考慮錨節(jié)點(diǎn)誤差的條件下,求解聲速的半定規(guī)劃(SDP)定位模型無法收斂到最優(yōu)解,此時(shí)利用DC規(guī)劃對半定規(guī)劃的定位結(jié)果和聲速估計(jì)值進(jìn)行改進(jìn),可以收斂到最優(yōu)解。通過仿真對比驗(yàn)證了求解聲速的定位模型的有效性。最終,通過分別對湖試和海試試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,驗(yàn)證了本文給出的凸優(yōu)化定位算法與常規(guī)的最小二乘算法相比有更高的定位精度和魯棒性。在湖試數(shù)據(jù)處理中,由于錨節(jié)點(diǎn)標(biāo)定誤差在厘米量級且湖試環(huán)境變化較小,本文給出的凸優(yōu)化定位算法的平均定位精度與常規(guī)最小二乘算法相比基本一致;而在海試環(huán)境中,由于錨節(jié)點(diǎn)標(biāo)定精度在米量級且海試環(huán)境變化較大,本文給出的凸優(yōu)化定位算法的平均定位精度最大提高了近1m。在未知水下傳播聲速的條件下,求解聲速的凸優(yōu)化定位算法的定位性能與已知參考等效平均聲速條件下的常規(guī)最小二乘算法相比,可以獲得相同甚至更優(yōu)的定位性能。
【圖文】：

圖 1.1 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖年水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究深入，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)，在河海湖泊中布設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以對水域的 3D 環(huán)境水域環(huán)境的水質(zhì)監(jiān)測，同時(shí)通過監(jiān)測洋流和風(fēng)向，可以服方面，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在海岸區(qū)域進(jìn)行水下地位導(dǎo)航方面，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)地提供 AUV標(biāo)的方位，同時(shí)還可以進(jìn)行控制信息的交互。傳感器網(wǎng)絡(luò)在不斷應(yīng)用到如此多的實(shí)際場景中的時(shí)候，，同包括水下網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[14]、水下通信中的 MAC 協(xié)議[15]感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)、傳感器節(jié)點(diǎn)能耗問題[17]以及水下給研究者們帶來了很多挑戰(zhàn)和機(jī)遇。感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究現(xiàn)狀器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)主要是解決水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間定問題。一般按照節(jié)點(diǎn)定位解算方式可以分為分布式網(wǎng)絡(luò)

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文距，避免了時(shí)間同步問題，有很小的通信開、B、C、D，其中主錨節(jié)點(diǎn) A 最先發(fā)出信號信號后再依次發(fā)出信號。這樣未知節(jié)點(diǎn) S 在依得四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置信息以及它與錨節(jié)點(diǎn) A之間的距離差，利用距離差信息來估計(jì)自身的該機(jī)制中，未知節(jié)點(diǎn) S 僅依賴于四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)不適合大范圍的網(wǎng)絡(luò)定位。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P715

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本文編號：2708329