水下分布式网络纯方位目标跟踪与定位关键技术研究

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文密级：指导教师：2013年5月ByFuGuangyiADissertationSubmittedtoGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofSignalandinformationprocessingInstituteofAcousticsMay,2013中国

2、科学院声学研究所学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文使用授权说明论文作者签名：讨’又日期：纠3年<月沙日本人完全了解中国科学院大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：·按照中国科学院大学要求提交学位论文的印刷本和电子版本；·中国科学院大学与中

3、国科学院声学研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；·中国科学院大学与中国科学院声学研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文：(保密论文在解密后遵守此规定)⋯者留魏黪萨彳日期：知B年≮／目们／自I摘要水下目标被动跟踪与定位是水声工程领域一项重要课题，在实际中有着广泛的应用背景。随着信息技术的发展及其在水声领域的应用，水下分布式网络目前受到各国学者的关注，它集成了声通信技术、网络技术、传感器探测技术、分布式信息处理技术和信息融合技术，是当前的研究热点之一。相对传统的水下目标定位方

4、法，采用水下分布式网络进行目标跟踪与定位具有很大的优势。一方面，多个观测节点的测量信息提高了系统的宽容度，降低了测量误差和环境起伏带来的不利影响。另一方面，利用处于不同位置的多个传感器分别测量目标的方位，不需要本舰进行机动，就可以估计目标的位置。论文结合国内外水下分布式网络的历史、现状以及发展趋势，分析了分布式网络进行纯方位目标跟踪与定位所的各种问题，对关键技术进行了概括性总结与分析。在此基础上，针对目标跟踪与定位过程中面临的多目标方位跟踪问题，深入研究了分布式协同方位跟踪方法。然后从分布式网络拓扑结构的特点出发，研

5、究了固定拓扑结构和变化拓扑结构下的分布式网络化目标跟踪与定位算法，深入分析了节点数目、节点初始位置、网络拓扑结构以及节点运动方式等因素对各种分布式网络化目标跟踪定位算性能的影响，为实际应用提供了重要参考。通过构造新的跟踪模型，解决了节点坐标位置缺失的情况下的分布式网络化目标跟踪与定位问题。最后，针对水声探测环境中的测量值不同步问题，提出了修『F时延的算法，改善了跟踪精度。本论文的主要研究成果和创新点为：(1)建立了水下分布式网络纯方位目标跟踪与定位应用的系统概念，对其所涉及的关键技术进行了概要总结和分析。(2)研究了

6、水下分布式网络的多目标方位跟踪问题，从测量值．测量值数据关联、测量值一航迹数据关联两个方面研究了多个观测节点进行目标方位融合时面临的多目标数据关联问题。通过采用拉格朗日松弛算法进行降维处理，有效地解决了方位数据关联中的NP问题；对于测量值一航迹数据关联，比较了NN和JPDA在各种场景中的性能，对于实际应用具有很好的指导意义。水下分布式网络纯方位目标跟踪与定位关键技术研究(3)针对分布式网络节点位置固定不变情况下的纯方位目标跟踪与定位，深入研究了传统的几何定位算法：LLS、MPLLS和ML，以及目标跟踪算法：EKF、U

7、KF和PF。通过理论和仿真分析，详细对比了这些算法的性能优劣，分析了节点数目、节点位置分布、网络拓扑结构等因素对算法性能的影响，为水下分布式的实际应用提供了重要理论参考。(4)针对节点移动导致分布式网络拓扑结构发生变化的问题，研究了节点和目标运动方式对纯方位目标跟踪与定位的影响，通过构造全新的跟踪模型，解决了节点坐标位置缺失情况下的分布式网络化纯方位目标跟踪与定位难题。(5)针对水声探测环境中的测量值不同步问题，提出了一种修正时延的算法，有效改善了目标跟踪与定位的精度。关键词：水下分布式网络多Et标方位跟踪纯方位目标

8、跟踪与定位网络拓扑结构卡尔曼滤波粒子滤波AbstractPassivetrackingandlocationofunderwatertargetisanimportantresearchtopicinthefieldofunderwateracousticengineering，whichhasbeenwidelyusedinpractical