水下传感器网络节点运动预测模型及定位机制研究

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1、水下传感器网络节点运动预测模型及定位机制研究ResearchonMobilityPatternPredictionandLocalizationforUnderwaterSensorNodes学科专业：控制科学与工程作者姓名：陈梦指导教师：刘丽萍副教授天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月独创性声明本人庄明所lj-1交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究L作和取得的叶穷成果，除厂文中牡别加以朸寸主和攷谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为从得天津大学或其他教育机构的学位或证书

2、而使用过的材料。与我同－［作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作［明确的说明片表不f谢总。学位论文作者签名：讳翌签字门期：为11年区月午l::I学位论文版权使用授权书本学位论文仵者亢全［解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。牡长权天津大学可以将学位论文的全部或郘分内容编入有关数据片进行检索，月采用影口、缩印或才1抽等复制f段保存、、汇编以供查阅和借阅。同总学校向国豖们入郘!'J或机构迖交论义的复目J1LI和磁盘。（保辛的了位论文孔解峦丿5适用本授权说明）'/伈论义什者签名：鸿歹｀签名：刘丽肝签"}-'.fI

3、甘月：为n1,.:12月于Fl签字H期：为）7什}2月年H摘要随着海洋经济在国民经济中所占比重的不断增加，人类日益重视海洋资源的开发和利用。而传感器网络因灵活性高、自组织能力强的特点，被广泛应用于海洋领域。水下传感器节点定位技术，实现了节点监测信息与位置信息的结合，使监测信息具有实际应用价值，因此，水下节点定位技术成为研究热点之一。海洋环境下，节点不断运动，位置变化频繁；并且部署环境难以实现节点的能量补充或电池更换，给水下传感器网络节点的定位带来巨大挑战。本文重点研究了节能的水下动态节点实时位置信息更新机制，建立了

4、节点的运动预测模型，通过模型系数的传递实现水下传感器节点的定位，减少网络的通信消耗；考虑位置精度要求较高的应用场景，在节点估计位置基础上，设计基于动态搜索空间的粒子群算法，快速高效地提高节点定位精度。主要工作内容如下：(1)在近海环境中，本文以高斯径向基函数作为空间基函数，建立了时间和空间分辨率较高的节点运动模型。为提高模型实时性并降低数据的更新频率，采用K-medoids方法和扩展卡尔曼算法预测模型系数，降低通信能量消耗，为节点定位奠定基础。(2)考虑锚节点与普通节点的差异性，设计了基于运动模型的分层定位算法，分

5、别对锚节点和普通节点实时定位，降低了通信能量能耗。锚节点采用K-medoids方法和扩展卡尔曼算法预测运动模型，并结合历史位置预测定位。通过定位误差及预测窗口的判定，锚节点实时更新模型系数，提高模型精度。以传递的模型信息为基础，普通节点计算运动模型，并结合历史位置实现定位。设计了普通节点的参考节点列表更新方法，及时调整参考信息，提高信息准确度。(3)对于节点位置精度要求较高的应用场景，建立了节点位置优化模型，并提出了基于动态搜索区域的粒子群优化位置算法。针对水下动态节点，以根据运动模型估计的位置为中心向空间延伸，形

6、成动态的二维搜索区域，提高了搜索效率和定位精度。(4)分别对基于运动模型的定位方法和基于动态搜索区域的粒子群优化位置算法仿真分析。结果表明基于运动模型的定位方法在定位覆盖度、平均定位误差及平均通信能耗方面均优于SLMP算法和MP-PSO算法。基于动态搜索区域的粒子群优化位置算法明显降低了节点的平均定位误差。关键字：水下传感器网络；节点定位；K-medoids；扩展卡尔曼；粒子群IABSTRACTWiththeincreasingproportionofmarineeconomyinthenationalone,mo

7、reandmoreattentionhasbeenpaidtotheexploitationandutilizationofmarineresources.Therefore,withthehighflexibilityandself-organizingability,thesensornetworksarewidelyusedinthefieldofocean.Thelocalizationtechnologyofunderwatersensornodeshelpstocombinethemonitoringi

8、nformationandlocationinformation,makingtheformeronevaluable.Asaresult,thelocalizationforunderwatersensornetworkshasbeenoneoftheresearchhotspots.Inthemarineenvironment,nodesmovefreq