水聲傳感網絡(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)點完成各項任務的重要保障,對水下節(jié)點規(guī)劃路徑、避開障礙和安全返航有著關鍵作用。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)展出了基于單信標的定位方法,僅通過一個信標節(jié)點的斜距信息和水下移動節(jié)點的運動信息來實現定位功能。目前大多數的水下定位模型都基于同步的UWASN設計,然而由于復雜的水下環(huán)境,節(jié)點間的時鐘同步難以實現。此外,現有的定位機制大多需要水下移動節(jié)點發(fā)送詢問或應答信號,這會增大節(jié)點的能量開銷,也不利于節(jié)點保持隱蔽。因此,基于上述系統(tǒng)需求,設計基于單信標的水下移動節(jié)點定位方法具有重要的研究意義與應用價值。針對聲波在水下傳播過程中,聲速變化導致聲線彎曲,從而影響斜距測量的問題,論文將聲速剖面進行等梯度分層處理。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,并以此為基礎推廣到多層聲速剖面,利用聲線軌跡推導了斜距和傳播時延,給出了平均聲速的計算方法�？紤]到水下移動節(jié)點不對外發(fā)送信息的要求和節(jié)點時鐘難以同步的特性,論文提出了水下移動節(jié)點在異步條件下的被動定位模型。通過水下移動節(jié)點的航位推算信息,構建相鄰狀態(tài)的位置關系,在此基礎上結合斜距方程進行位置估計。此外,論文建立了水下移動節(jié)點的緩存狀態(tài)模型,運用總體最小二乘(Total Least Squares,TLS)的位置估計方法,將基于方程求解的數學問題轉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果的影響。仿真結果表明,在3000m×2000m的海域中,水下移動節(jié)點的位置估計誤差基本在100m以內,在靠近信標節(jié)點的區(qū)域,位置估計誤差在20m以內。根據水下移動節(jié)點的位置跟蹤需求,論文提出了一種序貫跟蹤方法。針對水下移動節(jié)點時鐘漂移和航位信息測量不準確的問題,擴展了系統(tǒng)的狀態(tài)量,并在此基礎上構建了系統(tǒng)的狀態(tài)方程與測量方程。通過泰勒級數展開的辦法對測量方程進行線性近似,并利用擴展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF)實現水下移動節(jié)點的位置跟蹤。仿真結果表明,在3000m×2000m的海域中,位置跟蹤誤差基本在90m以內。論文對所提出的水下移動節(jié)點位置估計與跟蹤方法在千島湖進行了湖泊試驗。試驗結果表明,水下移動節(jié)點的位置估計誤差基本在40m以內,跟蹤誤差基本在30m以內,論文提出的定位方法可以實現水下移動節(jié)點的定位功能。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.3;TP212.9
【部分圖文】：

圖１．１聲學定位系統(tǒng)分類［６］逡逑

重構了系統(tǒng)的狀態(tài)方程與測量方程。針對測量方程非線性的問題，通過泰勒級數展開逡逑的辦法對測量方程進行線性近似，并利用ＥＫＦ實現水下移動節(jié)點的位置跟蹤。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論文篇章結構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)間對聲速剖面進行分層，則每一層的聲可以將聲速近似看作關于深度的一次函數。逡逑一般情況，假設某一海域的聲速剖面可按上述規(guī)律進行等梯度剖面中，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逡逑學是研究聲波傳播最常用的方法，其假設聲波能量沿一定的方方向線即為聲線。與波動理論相比，射線聲學模型更筒單，也更［５２］一

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本文編號：2820355