水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)研究.pdf

1、進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著陸地資源的日益枯竭，世界各國紛紛把目光投向海洋這一蘊(yùn)藏豐富資源的寶庫。海洋是人類生存活動十分重要的領(lǐng)域，隨著人類社會的不斷發(fā)展，人們需要借助海洋中部署水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行海洋研究。由于水聲信道是一個十分復(fù)雜的時-空-頻變參隨機(jī)多徑傳輸?shù)男诺?，加上它的環(huán)境噪聲高、帶寬窄、可適用的載波頻率低和傳輸?shù)臅r延大等特點(diǎn)，使得水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨著—些特殊的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)要求新的架構(gòu)和協(xié)議來保證水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。
　　

2、 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)作為水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在數(shù)據(jù)標(biāo)識和收集、水下節(jié)點(diǎn)跟蹤和探測目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息等方面都有廣泛的應(yīng)用，并且水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位還可以用來提高水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中介質(zhì)訪問控制層和路由協(xié)議層的性能，因此水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中具有重要的意義。近些年來，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)已逐漸成為一個科學(xué)研究的熱點(diǎn)。
　　 本論文主要研究水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，針對現(xiàn)有水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的框

3、架，設(shè)計(jì)了一種基于跨層的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)，并將整個系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)進(jìn)行研究:即基于短基線的主節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)和基于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)，在研究分析不同的定位模型及測距算法上，構(gòu)建不同的定位平臺，通過仿真、水池實(shí)驗(yàn)和廈門五緣灣海域?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證了定位平臺的可行性和定位算法的性能。
　　 本論文主要研究工作和成果如下:
　　 (1)針對水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的框架，設(shè)計(jì)了一種基于跨層的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)。該定位

4、系統(tǒng)主要由若干海面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)、大量的主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在主鏈路和副鏈路的通信機(jī)制下，我們又將整個系統(tǒng)分為基于短基線的主節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)和基于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)進(jìn)行研究。針對水聲傳感器大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的特性，提出一種新的跨層研究架構(gòu)，即在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中主要研究三個層，分別為物理層，數(shù)據(jù)鏈路層以及應(yīng)用層，進(jìn)一步完善整個定位系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)。
　　 (2)針對傳統(tǒng)的短基線定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套改進(jìn)的基于短基線的主節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)。

5、對于該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要應(yīng)用分析不同的定位模型，重點(diǎn)對比不同的測距算法，并進(jìn)行了定位信號的選擇和有效聲速的測量。從定位精度考慮上在系統(tǒng)平臺中利用了雙曲定位數(shù)學(xué)模型和廣義互相關(guān)時延估計(jì)算法，并采用線性調(diào)頻信號為定位信號和時延差聲速測量的方法。在LabVIEW軟件和相應(yīng)的硬件設(shè)備上進(jìn)行了整個平臺的設(shè)計(jì)搭建，并在水池實(shí)驗(yàn)和五緣灣海域?qū)嶒?yàn)環(huán)境中進(jìn)行了定位實(shí)驗(yàn)，證明了該定位系統(tǒng)的可靠性。
　　 (3)針對大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特

6、性，設(shè)計(jì)了一套基于大規(guī)模水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)。在定位算法中，詳細(xì)分析Range-Free定位算法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的Range-Free定位算法:W-Centroid。W-Centroid算法是針對Centroid和APIT這兩種Range-Free定位算法的改進(jìn)，通過利用權(quán)值信息，提高目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位精度。在迭代算法中，利用三角魯棒性作為迭代參考，進(jìn)行大規(guī)模節(jié)點(diǎn)迭代定位策略。在OPNET軟件上對大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)定位