基於水聲感測器網路的移動節點定位的關鍵技術研究

《基於水聲感測器網路的移動節點定位的關鍵技術研究》是依託廈門大學，由程恩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於水聲感測器網路的移動節點定位的關鍵技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：程恩
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

隨著國家對海洋戰略的日益重視，圍繞水聲感測器網路的基礎和套用研究日趨緊迫。近年來，移動水下節點越來越廣泛地運用於海洋科研、生產等各類活動中。針對移動節點的定位與跟蹤需求對現有的基於感測器網路定位方法提出了新要求。在上述套用背景下，本項目擬開展基於水聲感測器網路的移動節點定位關鍵技術研究，主要的研究內容有： 1、聯合時間同步與跟蹤的到達時間（TOA-TS）方法在水下定位測距中的算法研究； 2、基於因式圖的節點可移動水下感測器網路定位方法； 3、水聲感測器網路定位中測距信號的衝突避免機制研究； 4、水聲感測器網路的節點冗餘擇優方法研究； 5、水聲感測器網路的協同定位方法研究。 通過上述研究，構建一套水聲感測器網路定位的演示平台。

結題摘要

項目針對水下移動節點的定位與跟蹤問題，開展了基於水聲感測器網路的移動節點定位關鍵技術研究，構建了一套水下目標實時定位系統。完成的主要研究工作和取得的重要成果如下： (1)設計並實現一種基於水聲感測器網路的移動目標定位跟蹤算法FG-MLE。算法基於因子圖的最大似然定位框架，以錨點發射信標、目標靜默接收單向信標傳輸為主要形態，能夠有效地降低網路的能耗；目標節點和參考錨節點在定位的過程不需要作靜止假設，均可處於移動狀態。海試實驗表明，FG-MLE算法具有良好的定位跟蹤性能。 (2)在因子圖的最大似然估計框架下，提出一種高定位精度的聯合時間同步與目標定位跟蹤算法—ToA-TS。算法將長時間的定位跟蹤分解成基於短時長定位周期的聯合估計，具有較好的實時性；結合運動補償和時鐘補償，克服了傳統聯合估計方法的不足，也擴展了定位系統的套用場合；此外，通過最小二乘法解析求解算法初值從而提高算法的運算性能。海試實驗表明，提出的ToA-TS算法不僅能夠實現高精度地定位跟蹤，而且具有較好的實時性能。 (3)針對定位信號衝突碰撞問題，突出了利用組合斜率Chirp信號（MLC）的定位信標多址方案，利用混頻變斜率分數階傅立葉變換（MCR-FRFT）實現高效率的性能結算，從而克服傳統時分、頻分方式的局限性，達到充分利用chirp信號同步正交性實現測距與衝突避免的銜接結合。 (4)針對水聲感測器網路定位中節點冗餘的場景，提出了基於粒子群的水聲感測器網路節點擇優算法，在保證一定定位精度的前提下，綜合考慮通信開銷與節點剩餘能量情況，位置可疑度，聲線傳播彎曲特性等因素，設計錨節點擇優機制，使用粒子群算法疊代出最優的感測器組合，對錨節點的定位信號發射進行規劃。仿真結果表明，該算法具有計算量小，收斂快，定位精度高等特點，能有效提高節點能量利用率，較好地適用於水聲定位場景。 這些算法較好地提高了水下目標的定位跟蹤性能，其成果對水下定位和導航的研究有重要的參考和借鑑價值， 發表標註本項目資金資助號的期刊論文36篇，其中水聲領域頂級期刊JASA，JOE各一篇，SCI檢索18篇；獲授權國家發明專利3個；參加國際學術會議30人次；培養博士生8名，碩士研究生10人。