水聲傳感器網絡節(jié)點定位技術研究.pdf

1、進入新世紀以來，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藏豐富資源的寶庫。海洋是人類生存活動十分重要的領域，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絡進行海洋研究。由于水聲信道是一個十分復雜的時-空-頻變參隨機多徑傳輸的信道，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的時延大等特點，使得水聲傳感器網絡面臨著—些特殊的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)要求新的架構和協(xié)議來保證水聲傳感器網絡的傳輸性能。
　　

2、 水聲傳感器網絡節(jié)點定位技術作為水聲傳感器網絡的關鍵技術之一，在數據標識和收集、水下節(jié)點跟蹤和探測目標節(jié)點位置信息等方面都有廣泛的應用，并且水聲傳感器網絡節(jié)點定位還可以用來提高水聲傳感器網絡中介質訪問控制層和路由協(xié)議層的性能，因此水聲傳感器網絡節(jié)點定位技術在傳感器網絡研究中具有重要的意義。近些年來，水聲傳感器網絡節(jié)點定位技術已逐漸成為一個科學研究的熱點。
　　 本論文主要研究水聲傳感器網絡節(jié)點定位技術，針對現有水聲傳感器網絡的框

3、架，設計了一種基于跨層的水聲傳感器網絡節(jié)點定位系統(tǒng)，并將整個系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)進行研究:即基于短基線的主節(jié)點定位系統(tǒng)和基于大規(guī)模傳感器網絡的子節(jié)點定位系統(tǒng)，在研究分析不同的定位模型及測距算法上，構建不同的定位平臺，通過仿真、水池實驗和廈門五緣灣海域實驗驗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)針對水聲傳感器網絡的框架，設計了一種基于跨層的水聲傳感器網絡節(jié)點定位系統(tǒng)。該定位

4、系統(tǒng)主要由若干海面浮標節(jié)點、大量的主節(jié)點和子節(jié)點構成。在主鏈路和副鏈路的通信機制下，我們又將整個系統(tǒng)分為基于短基線的主節(jié)點定位系統(tǒng)和基于大規(guī)模傳感器網絡的子節(jié)點定位系統(tǒng)進行研究。針對水聲傳感器大規(guī)模網絡節(jié)點定位的特性，提出一種新的跨層研究架構，即在網絡節(jié)點定位中主要研究三個層，分別為物理層，數據鏈路層以及應用層，進一步完善整個定位系統(tǒng)的研究基礎。
　　 (2)針對傳統(tǒng)的短基線定位系統(tǒng)，設計了一套改進的基于短基線的主節(jié)點定位系統(tǒng)。

5、對于該系統(tǒng)的關鍵技術進行研究，主要應用分析不同的定位模型，重點對比不同的測距算法，并進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學模型和廣義互相關時延估計算法，并采用線性調頻信號為定位信號和時延差聲速測量的方法。在LabVIEW軟件和相應的硬件設備上進行了整個平臺的設計搭建，并在水池實驗和五緣灣海域實驗環(huán)境中進行了定位實驗，證明了該定位系統(tǒng)的可靠性。
　　 (3)針對大規(guī)模傳感器網絡節(jié)點的特

6、性，設計了一套基于大規(guī)模水聲傳感器網絡的子節(jié)點定位系統(tǒng)。在定位算法中，詳細分析Range-Free定位算法的基礎上，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，通過利用權值信息，提高目標節(jié)點的定位精度。在迭代算法中，利用三角魯棒性作為迭代參考，進行大規(guī)模節(jié)點迭代定位策略。在OPNET軟件上對大規(guī)模傳感器網絡的子節(jié)點定位