水聲傳感網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Network,UWASN)在海洋的勘探與開發(fā)中具有重要作用。在UWASN中,精確定位是水下節(jié)點(diǎn)完成各項任務(wù)的重要保障,對水下節(jié)點(diǎn)規(guī)劃路徑、避開障礙和安全返航有著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)長基線(Long Baseline,LBL)定位系統(tǒng)的部署和回收成本較高,而短基線(Short Baseline,SBL)和超短基線(Ultrashort Baseline,USBL)定位系統(tǒng)在深海的精度有限。因此,在保證定位精度的前提下,降低系統(tǒng)的部署成本成為水聲定位的一個研究方向。在此背景下,業(yè)界發(fā)展出了基于單信標(biāo)的定位方法,僅通過一個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的斜距信息和水下移動節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動信息來實(shí)現(xiàn)定位功能。目前大多數(shù)的水下定位模型都基于同步的UWASN設(shè)計,然而由于復(fù)雜的水下環(huán)境,節(jié)點(diǎn)間的時鐘同步難以實(shí)現(xiàn)。此外,現(xiàn)有的定位機(jī)制大多需要水下移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送詢問或應(yīng)答信號,這會增大節(jié)點(diǎn)的能量開銷,也不利于節(jié)點(diǎn)保持隱蔽。因此,基于上述系統(tǒng)需求,設(shè)計基于單信標(biāo)的水下移動節(jié)點(diǎn)定位方法具有重要的研究意義與應(yīng)用價值。針對聲波在水下傳播過程中,聲速變化導(dǎo)致聲線彎曲,從而影響斜距測量的問題,論文將聲速剖面進(jìn)行等梯度分層處理。首先研究了單層等梯度聲速剖面中聲線傳播的軌跡方程與路徑參數(shù),并以此為基礎(chǔ)推廣到多層聲速剖面,利用聲線軌跡推導(dǎo)了斜距和傳播時延,給出了平均聲速的計算方法�？紤]到水下移動節(jié)點(diǎn)不對外發(fā)送信息的要求和節(jié)點(diǎn)時鐘難以同步的特性,論文提出了水下移動節(jié)點(diǎn)在異步條件下的被動定位模型。通過水下移動節(jié)點(diǎn)的航位推算信息,構(gòu)建相鄰狀態(tài)的位置關(guān)系,在此基礎(chǔ)上結(jié)合斜距方程進(jìn)行位置估計。此外,論文建立了水下移動節(jié)點(diǎn)的緩存狀態(tài)模型,運(yùn)用總體最小二乘(Total Least Squares,TLS)的位置估計方法,將基于方程求解的數(shù)學(xué)問題轉(zhuǎn)化為基于信息處理的估計問題,從而減小了測量噪聲對定位結(jié)果的影響。仿真結(jié)果表明,在3000m×2000m的海域中,水下移動節(jié)點(diǎn)的位置估計誤差基本在100m以內(nèi),在靠近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域,位置估計誤差在20m以內(nèi)。根據(jù)水下移動節(jié)點(diǎn)的位置跟蹤需求,論文提出了一種序貫跟蹤方法。針對水下移動節(jié)點(diǎn)時鐘漂移和航位信息測量不準(zhǔn)確的問題,擴(kuò)展了系統(tǒng)的狀態(tài)量,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了系統(tǒng)的狀態(tài)方程與測量方程。通過泰勒級數(shù)展開的辦法對測量方程進(jìn)行線性近似,并利用擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF)實(shí)現(xiàn)水下移動節(jié)點(diǎn)的位置跟蹤。仿真結(jié)果表明,在3000m×2000m的海域中,位置跟蹤誤差基本在90m以內(nèi)。論文對所提出的水下移動節(jié)點(diǎn)位置估計與跟蹤方法在千島湖進(jìn)行了湖泊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,水下移動節(jié)點(diǎn)的位置估計誤差基本在40m以內(nèi),跟蹤誤差基本在30m以內(nèi),論文提出的定位方法可以實(shí)現(xiàn)水下移動節(jié)點(diǎn)的定位功能。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.3;TP212.9
【部分圖文】：

圖１．１聲學(xué)定位系統(tǒng)分類［６］逡逑

重構(gòu)了系統(tǒng)的狀態(tài)方程與測量方程。針對測量方程非線性的問題，通過泰勒級數(shù)展開逡逑的辦法對測量方程進(jìn)行線性近似，并利用ＥＫＦ實(shí)現(xiàn)水下移動節(jié)點(diǎn)的位置跟蹤。逡逑論文的整體框架如圖１．２所示。逡逑水聲定位方法概述逡逑基于單信標(biāo)的定位方法逡逑定位解算｜邐｜序貫濾波逡逑Ｔｉｓｔ計｜邐｜邋ＥＫＦ跟蹤逡逑仿真驗(yàn)證逡逑湖試Ｍ逡逑圖１．２論文整體框架逡逑１．５論文篇章結(jié)構(gòu)逡逑論文的具體章節(jié)安排如下：逡逑１０逡逑

．１可以看出，聲速剖面具有明顯的分層特征，即以０？２００ｍ，２０００ｍ和大于１３００ｍ的區(qū)間對聲速剖面進(jìn)行分層，則每一層的聲可以將聲速近似看作關(guān)于深度的一次函數(shù)。逡逑一般情況，假設(shè)某一海域的聲速剖面可按上述規(guī)律進(jìn)行等梯度剖面中，聲速可以表示為逡逑ｃｉ（ｚ）邋＝邋ｃｉ＋ｇｉｚ示第／層聲速模型在Ｃ軸的截距，ｇ，．表示聲速梯度。逡逑等梯度聲速剖面的聲線軌跡推導(dǎo)逡逑學(xué)是研究聲波傳播最常用的方法，其假設(shè)聲波能量沿一定的方方向線即為聲線。與波動理論相比，射線聲學(xué)模型更筒單，也更［５２］一

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本文編號：2820355