水声自组织探测网络定位系统关键技术研究

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1、西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目：水声自组织探测网络定位系统关键技术研究作者：高婧洁指导教师：王海燕学科(专业)：信息与通信工程二零一七年五月AStudyontheKeyTechniquesofLocalizationSysteminUnderwaterAcousticNetworksByGaoJingjieUndertheSupervisionofProfessorWangHaiyanADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartia

2、lfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyXi'anP.R.ChinaMay2017摘要摘要多节点自组织形成的水声探测网络具有多节点信息融合、大范围感知和协同探测能力，对推动水下安全监测具有重要的意义和广泛的应用前景。水声定位系统是水声自组织探测网络应用的基础与核心，是水声自组织探测网络的重要研究内容。但与陆上网络相比，水声网络具有锚节点少、节点能量有限及节点会随洋流产生一定漂移等特点，水声信道具有通信带宽窄、传输速率低等特殊性，这些均为水声自组织探测

3、网络定位系统的性能带来了极大的挑战。为此，本论文针对水声自组织探测网络特点及水下网络的实际应用，研究适用于水声自组织探测网络的关键定位技术，使其达到定位精度高、锚节点使用量少、通信开销低、鲁棒性强等性能，为实现水声自组织探测网络的设计与应用，构建稳健的水下安全监测网络系统提供重要的理论与方法支撑。论文的主要研究成果及创新点包括：（1）针对多跳水声自组织探测网络自定位精度低的问题，提出了一种基于信道容量的双速率节点自定位算法。该算法能够有效提高多跳水声自组织探测网络的节点自定位精度，减少自定位中的锚节点使用量和通信开销；在此基础上

4、，通过分析参考节点布放拓扑与节点测距误差对自定位精度的影响机理，提出了一种优化参考节点拓扑结构的选择准则，可以进一步提高水声自组织探测网络的自定位精度。（2）针对节点漂移的水声自组织探测网络自定位难的问题，建立了节点漂移的水声自组织探测网络系统模型；设计了水声网络节点分层策略；提出了一种水声自组织探测网络节点动态自定位算法。该算法在无先验信息情况下，根据距离观测，采用预测的思想，动态估计漂移节点的位置坐标和运动轨迹。该算法有效实现了节点漂移的水声自组织探测网络的自定位，且提高了节点自定位精度。（3）针对水声自组织探测网络初始化效

5、率低的问题，提出了一种基于水声自组织探测网络的快速初始化方法。该方法通过考虑减小初始化过程中网络节点消息碰撞概率和因消息重传带来的节点能量消耗，设计了基于TDMA协议的网络时隙分配原则；该方法在初始化进程中将时间统一与空间统一协同实现，在保证自定位和时间同步精度的同时减小了网络初始化时延及通信量，提高了网络的布放效率。（4）针对基于水声自组织探测网络的目标定位应用，提出了一种基于TDOA的噪声向量模值最小的目标定位算法。该算法以TDOA定位矩阵中存在的节点自定位误差和TDOA量测误差为条件约束，建立了一个误差干扰最小化I西北工业

6、大学博士学位论文的目标优化定位模型，有效提高节点自定位误差和TDOA量测误差背景下的水声自组织探测网络目标定位精度，增强目标定位的鲁棒性。（5）构建了由1个锚节点和4个普通节点组成的水下自组织探测网络实验系统。设计并开展了网络测距、自定位、初始化及目标定位水池实验。实验结果与仿真结果是一致的，验证了本文所提出的水声自组织探测网络定位系统关键技术方法的有效性与可行性，为水声自组织探测网络的设计与应用提供重要技术支撑。关键词：水声自组织探测网络，自定位，多跳网络，初始化，节点漂移，目标定位IIABSTRACTABSTRACTLoca

7、lizationisthebasicissueoftheunderwaterapplicationsandsecuritymonitoring.However,thetraditionalone-nodelocalizationsystemhasalargepositioningerrorandcannotsatisfythereqirmentinthisera.Hence,Itisimprotanttohavearesearchonthelocalizationalgorithmsbasedonunderwateracoust

8、icnetworks(UANs)toimprovetheperformance.UANshavesomecharacteristicssuchaslargescale,lowbandwidth,lowtransmissionrate,lessanchor,lim