【摘要】：水下目標(biāo)跟蹤是現(xiàn)代海洋防衛(wèi)系統(tǒng)必不可少的部分,也是海洋權(quán)益維護(hù)與海洋安全保障的關(guān)鍵技術(shù)之一。依托于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)的水下目標(biāo)跟蹤技術(shù)憑借其覆蓋范圍廣、觀測(cè)時(shí)間長和實(shí)時(shí)信息融合的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。但是,水下傳感器節(jié)點(diǎn)通常是由電池供電,由于水下環(huán)境的復(fù)雜性,在儲(chǔ)能耗盡后難以更換電池,節(jié)點(diǎn)的能量消耗速度往往決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。因此,如何提高目標(biāo)跟蹤的能效成為UWSNs目標(biāo)跟蹤的主要問題。為了克服這一問題,本文從節(jié)點(diǎn)組合選擇、自適應(yīng)采樣周期、虛擬量測(cè)、量化量測(cè)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測(cè)等多個(gè)方面逐步提高UWSNs目標(biāo)跟蹤的能效�？偟膩碚f,本文的研究工作和主要貢獻(xiàn)如下:首先,針對(duì)參與跟蹤的節(jié)點(diǎn)數(shù)過多和采樣頻率過高造成的能量浪費(fèi),本文提出了基于節(jié)點(diǎn)選擇與變采樣間隔的高能效目標(biāo)跟蹤方法。該方法分別從空間維度和時(shí)間維度減少網(wǎng)絡(luò)的通信能耗。在空間維度上,每一時(shí)刻,本文只選擇組合最優(yōu)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)(水下3維場(chǎng)景下4個(gè)純距離量測(cè)就能定位目標(biāo))參與跟蹤任務(wù)。在時(shí)間維度上,本文提出了自適應(yīng)采樣間隔算法。其次,針對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)蛢r(jià)值量測(cè)信息造成的能量浪費(fèi),本文提出了基于虛擬量測(cè)的高能效目標(biāo)跟蹤算法。對(duì)于一些價(jià)值較低的量測(cè)信息,可以選擇不將這些信息上傳到融合中心以減少目標(biāo)跟蹤的能耗。為了保證目標(biāo)跟蹤的效果,本文通過在融合中心產(chǎn)生虛擬量測(cè)的方式補(bǔ)償那些未上傳的本地節(jié)點(diǎn)的量測(cè)信息。然后,針對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)過多造成的能量浪費(fèi)和帶寬浪費(fèi),本文提出了基于最優(yōu)量化界的高能效目標(biāo)跟蹤算法。為了補(bǔ)償量測(cè)數(shù)據(jù)位數(shù)減少造成的跟蹤精度損失,本文在最小均方誤差估計(jì)的框架下,通過最小化由量化導(dǎo)致的額外誤差得到了不同量化位數(shù)的最優(yōu)量化界。最后,針對(duì)移動(dòng)UWSNs節(jié)點(diǎn)需要頻繁定位造成的能量浪費(fèi),本文提出了基于移動(dòng)預(yù)測(cè)的移動(dòng)UWSNs高能效目標(biāo)跟蹤算法。節(jié)點(diǎn)在通信定位的同時(shí)會(huì)接收到一組速度信息用于預(yù)測(cè)下一次通信定位之前節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的位置。并且,在目標(biāo)跟蹤的過程中,通過同時(shí)定位跟蹤算法利用節(jié)點(diǎn)的量測(cè)信息可以進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)的定位精度。總之,本文的研究針對(duì)基于UWSNs的高能效目標(biāo)跟蹤問題,從多個(gè)角度進(jìn)行了能效優(yōu)化,取得了完整的理論成果,彌補(bǔ)了UWSNs水下目標(biāo)跟蹤理論在能效優(yōu)化方面的不足,為UWSNs目標(biāo)跟蹤技術(shù)的發(fā)展提供了理論支撐。
【圖文】：

位論文１的實(shí)時(shí)信息交互１２５１。２００１年，蒙特利灣水下研究所在美國羅得島州的沿觀測(cè)網(wǎng)（Ｆｒｏｎｔ－Ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ邋Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｌ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋ｗｉｔｈ邋Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ，邋ＦＲＯＮＴ）｜２６ｉ。并且，在之后兩年期間在多個(gè)區(qū)域進(jìn)行了十余次的實(shí)地海洋試驗(yàn)。部署的用于對(duì)安靜型潛艇的監(jiān)測(cè)與跟蹤的近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)（Ｐｅｄｅｒｓｅａ邋Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，邋ＰＬＵＳＮｅｔ）是目前最先進(jìn)的水下無線傳感器網(wǎng)ＵＳＮｅｔ的結(jié)構(gòu)示意圖Ｉ２８』，它是由海底靜止節(jié)點(diǎn)和無人水下航行器（Ｕｎ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ．邋ＵＵＶ）組成的混合網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)大范圍、長時(shí)間的探測(cè)、識(shí)另ｉｊ、

浙江大學(xué)【４９＿５２］等。逡逑１．２．２水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成與結(jié)構(gòu)逡逑ＵＷＳＮｓ是ＷＳＮｓ在水下環(huán)境的延伸１５３＿５５１。如圖１．２所示，ＵＷＳＮｓ由傳感器節(jié)點(diǎn)、融合逡逑中心、ＡＵＶ、水下滑翔機(jī)、海面基站以及海岸基站組成。節(jié)點(diǎn)的部署方式主要有以下五種逡逑一一直接錨定在海底、通過系鏈錨定在海洋的不同深度、依附于海面浮標(biāo)、搭載在ＡＵＶ或逡逑者水下滑翔機(jī)上以及通過氣囊控制浮力大小漂浮在海洋的不同深度。水下傳感器節(jié)點(diǎn)的基逡逑本架構(gòu)如圖１．３所示，其主要結(jié)構(gòu)包括傳感器、ＣＰＵ、水聲調(diào)制解調(diào)器、存儲(chǔ)器和電池。傳逡逑感器負(fù)責(zé)從海洋環(huán)境中收集各類信息，如溫度、鹽度、壓力、聲波等，并將信息通過接口逡逑電路傳遞給ＣＰＵ。ＣＰＵ將傳感器收集的信息進(jìn)行處理后可以選擇將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中或者逡逑通過水聲調(diào)制解調(diào)器發(fā)送給融合中心做進(jìn)一步的處理。電池則需要給水下傳感器節(jié)點(diǎn)的各逡逑個(gè)模塊提供能量。由于水下環(huán)境的特殊性，節(jié)點(diǎn)電池的更換或者二次充電是十分困難的，逡逑所以能效控制是延長ＵＷＳＮｓ使用壽命的關(guān)鍵。由于融合中心要承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度、數(shù)逡逑據(jù)的收集與處理以及與海面基站的直接通信等功能，它的硬件結(jié)構(gòu)比其它的水下傳感器節(jié)逡逑點(diǎn)要復(fù)雜的多。也正是因?yàn)槿诤现行挠懈鼜?fù)雜的硬件設(shè)備而且可以通過與海面基站直接通逡逑信的方式實(shí)現(xiàn)自定位，，它的儲(chǔ)能更大也更容易回收。漂浮節(jié)點(diǎn)可以依靠洋流的作用擴(kuò)散開逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212.9;TN929.3

【參考文獻(xiàn)】

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1 狄乾斌;周琳;董少_g;;“十三五”時(shí)期我國海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)及推進(jìn)策略[J];經(jīng)濟(jì)縱橫;2015年01期

2 單志超;劉賢忠;曲曉慧;周正;;潛艇航速對(duì)應(yīng)召磁異搜潛概率的影響[J];火力與指揮控制;2014年06期

3 劉磊;李宇;張春華;黃海寧;;水聲通信網(wǎng)競(jìng)爭式介質(zhì)訪問控制協(xié)議的研究[J];應(yīng)用聲學(xué);2014年03期

4 李雙建;徐叢春;;論海洋的戰(zhàn)略地位和現(xiàn)代海洋發(fā)展觀[J];經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊;2012年27期

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