基于海浪遮蔽效应模型的海洋传感网三维动态协同定位机制

Marine Wireless Sensor Networks have broad application prospects in the areas of marine environmental monitoring, information platform construction, and maritime safety guarantee, among which network nodes’ localization is a key technical problem. Signal propagation, between the nodes of Marine Sensor Networks featuring as three-dimensional and highly dynamic, is susceptible to the shadowing of waves. With a good consideration of the above features, this project mainly focuses on the study of: Firstly, utilizing Fractal Fusion based Brownian Motion Surface Model to simulate the wave motion, to analyze the shadowing effect for the signal propagation caused by the wave combined with the measured data of the microelectronic mechanical system inertial measurement unit, and to establish a cooperative localization oriented Wave Shadowing Effect Model; Secondly, based on the Cramér-Rao Bound（CRB）theory, proposing a censoring scheme of the wave shadowing model; and then builds a cooperative localization mechanism based on the Wave Shadowing Effect Model; Lastly, creating a Gaussian Markov Mobile Model on the basis of the trajectory prediction under different sea conditions, to compensate and correct the position information of the nodes dynamically on demand，so as to optimize the performance of marine environment self-adaptability in cooperative localization mechanism, and to improve the localization accuracy and stability. This research will play an active role in promoting the application of wireless sensor networks in the marine field. Moreover, it has scientific significance and academic value on enriching the basic knowledge of how to apply wireless sensor network in marine environment and other harsh environment likewise.

海洋无线传感器网络在海洋环境监测、信息平台建设及海事安全保障等方面具有广泛的应用前景，基于网络的节点定位是其应用中的一个关键技术问题。本项目针对海洋环境中信号传播易受海浪遮蔽影响、以及网络节点呈现三维动态等特性：首先，基于分形融合的布朗运动曲面模型对海浪运动进行模拟，结合微电子机械系统惯性测量单元的实测数据，分析海浪对信号传播产生的遮蔽影响，以建立面向协同定位的海浪遮蔽效应模型；然后，应用克拉美罗界方法提出海浪遮蔽模型的审查方案，并建立起基于海浪遮蔽效应模型的协同定位机制；最后，建立结合不同海况的基于轨迹预测的高斯马尔科夫移动模型，以按需动态地对节点位置进行补偿修正，实现协同定位机制的海洋环境自适应性能优化，以提升其定位的准确性与稳定性。项目研究将对推动无线传感器网络在海洋领域的应用起到积极的作用，同时对于丰富其在海洋环境及其它类似恶劣环境下的应用基础理论也具有重要的科学意义与学术价值。

国家“建设海洋强国”战略的提出，加之发展海洋经济的需求的增长及网络等监测高技术的发展与信息技术的快速进展，使得建立一个全球性的海洋传感与监测系统十分迫切并成为可能。而在海洋传感网（MSN）中，其网络节点（监测目标）的高效、实时与精确定位既是海洋监测应用的需求，同时也是研究MSN的路由与拓扑等其它问题的基础。本项目针对海洋环境中信号传播易受海浪遮蔽影响、以及网络节点呈现三维动态等特性，着重从以下四个方面对MSN定位关键技术进行深入研究：. 首先基于分形融合的布朗运动曲面模型对海上环境进行模拟，并根据节点在海上环境中距平均海面高度对信号传播的特点，建立海浪遮蔽因子参数模型，搭建的无线传感网（WSN）平台对遮蔽模型进行系统验证，从而提出一种适于海上多变环境的海浪遮蔽模型；以此模型为基础，进一步设计了MSN海洋监测系统，研究MSN节点定位算法，考虑遮蔽因子对测量模型的影响，运用协同理论与信息散度（KLD）函数推导得到最优化参数θ，进一步提出增强型粒子滤波定位算法，以减少非高斯噪声对于定位精度的影响；此外，为提高定位效率，还研究了测距异常情况下的鲁棒性定位机制，将原有定位问题转化为优化问题中的广义信赖域子问题，通过改进二分法进行求解，并推导得到克拉美罗下界（CRLB）对原有定位算法进行审查，增强了系统的定位鲁棒性；为进一步优化网络节点运动的自适应性，研究一种基于节点轨迹预测的MSN自适应性能优化，根据海域信标节点运动情况，求得运动相关性系数α，并建立节点参数自适应运动模型，预测未知节点运动轨迹，随后进一步提出改进蒙特卡罗定位方法，以优化系统定位的自适应能力。. 本项目研究旨在解决MSN应用中所将面临的一些关键基础理论问题，对于提高发展海洋传感网有着积极的作用，在海上目标定位中将有着广阔的应用前景。同时，研究成果对于推动WSN 定位在其它类似恶劣环境中的应用具有积极的指导意义，而对于丰富WSN 的定位相关理论也具有重要的科学意义和学术价值。