基於擴頻融合信號的異步水聲定位研究

《基於擴頻融合信號的異步水聲定位研究》是依託上海交通大學，由王紅雨擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於擴頻融合信號的異步水聲定位研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王紅雨
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

水聲定位技術是海洋開發的關鍵技術之一，其中定位信號的設計是關鍵，與之匹配的定位算法是核心。複雜的水聲信道和難以精準的時鐘同步是水聲定位的兩大難點。本項目以提高定位精度、提升頻寬利用率為目標，分別從信號層面和算法層面出發，基於擴頻融合信號開展異步水聲定位研究。主要開展以下三方面研究：1、通過正交變擴頻因子碼的合理分配，設計融合定位和通信雙重功能的擴頻信號，均衡定位和通信的需求，提高頻寬利用率；2、通過幾何觀測度和錨節點間距的聯合設計，最佳化錨節點部署,在保證一定覆蓋率的前提下，降低同步要求並提高定位精度；3、在時鐘異步的前提假設下，研究基於擴頻融合信號的並發廣播模式下的測距定位算法，縮短定位時延，增強定位隱蔽性。本項目研究成果將為水聲定位提供理論方法和關鍵技術支撐。

結題摘要

對水聲通信及定位信號進行了研究。設計前導碼以改善基於通信信號的定位性能，提出了都卜勒因子的估計算法。基於Zadoff-Chu序列的同步頭，提出相應的都卜勒因子估計和時延估計的方法，設計了新型前導碼（即Dual-ZC序列）；提出了一種利用正交頻分多路復用(OFDM)信號周期平穩性的都卜勒尺度估計方法。針對水聲網路時分多址(TDMA)調度問題，提出了一種基於特殊設計傳輸功率模型的多目標整數線性規劃方法，改善網路的空間多樣性。 對水聲異步定位進行研究。提出了一種提出了一個針對異步水下聲感測器網路的聯合時鐘同步和定位方案，提高了同步和定位的機率；提出了一種基於廣播模式的水下定位算法，水下節點可以在2個廣播周期內實現位置與時鐘參數估計。針對節點稀疏、網路不同步、能量限制和聲傳播速度不確定情況，提出了一個因子圖框架和一種基於高斯信息的置信傳播算法來解決聯合定位和同步問題。研究了水下AUV跟蹤方法，提出一種了AUV和感測器節能模式的跟蹤協定對航位推測(DR)和到達時間(TOA)進行數據融合，實現靜默模式下的航跡跟蹤。針對由聲納和水下感測網組成的分散式單輸入多輸出(SIMO)系統，提出了水下聲線彎曲時兩點間的傳播時延公式，並針對兩種場景分別提出了SAGE-UTL和NWLS-UTL算法，以實現水下目標定位。在此基礎上，進一步考慮水下接收機位置不確定性，提出一種水聲目標定位與同步算法（UTLS），對聲線彎曲，水下節點位置不確定性的校正效果更好，時鐘同步精度更高。針對沒有布放錨節點的海域中多水下自主航行器的協同定位問題，基於置信度傳播算法，設計了分散式間歇性合作定位方法。針對只有一個錨節點移動出場景，提出了使用期望最大算法進行定位求解的方案。 提出了基於廣播模式的水下目標定位及時間同步方法，可實現水下目標被動定位及時間同步。 搭建了水聲通訊定位硬體在環（Hardware in the Loop）仿真實驗平台，可實現算法的快速驗證實驗。 設計了水空兩棲無人機，用於水聲定位導航算法實驗驗證的搭載平台。 本項目研究的算法、方法及設計方案具有重要的理論意義和實用價值。