基于水声传感器网络的移动节点定位的关键技术研究

With the growing importance of the maritime strategy, basic and applied research around underwater acoustic sensor networks is becoming more urgent. In recent years, the underwater mobile node is widely used in activities like marine scientific research and production. New requirements for existing sensor network based positioning method is proposed aimed at demand for locating and tracking for mobile node. In the above application background, the project intends to carry out research of key technologies of mobile node positioning based on underwater acoustic sensor network, the main contents are: 1 The algorithm research of method of time of arrival based joint time synchronization and tracking (TOA-TS) used in ranging underwater positioning ; 2 Underwater sensor network positioning method with mobile node based on factor graphy; 3 Collision avoidance research of ranging signal in underwater sensor network localization; 4 Research of redundant preferred method of underwater sensor network nodes; 5 The research for collaboration positioning of underwater sensor networks. Through these studies, the project would like to construct a set of underwater acoustic sensor network localization demonstration platform.

随着国家对海洋战略的日益重视，围绕水声传感器网络的基础和应用研究日趋紧迫。近年来，移动水下节点越来越广泛地运用于海洋科研、生产等各类活动中。针对移动节点的定位与跟踪需求对现有的基于传感器网络定位方法提出了新要求。在上述应用背景下，本项目拟开展基于水声传感器网络的移动节点定位关键技术研究，主要的研究内容有： 1、联合时间同步与跟踪的到达时间（TOA-TS）方法在水下定位测距中的算法研究； 2、基于因式图的节点可移动水下传感器网络定位方法； 3、水声传感器网络定位中测距信号的冲突避免机制研究； 4、水声传感器网络的节点冗余择优方法研究； 5、水声传感器网络的协同定位方法研究。 通过上述研究，构建一套水声传感器网络定位的演示平台。

项目针对水下移动节点的定位与跟踪问题，开展了基于水声传感器网络的移动节点定位关键技术研究，构建了一套水下目标实时定位系统。完成的主要研究工作和取得的重要成果如下：.(1)设计并实现一种基于水声传感器网络的移动目标定位跟踪算法FG-MLE。算法基于因子图的最大似然定位框架，以锚点发射信标、目标静默接收单向信标传输为主要形态，能够有效地降低网络的能耗；目标节点和参考锚节点在定位的过程不需要作静止假设，均可处于移动状态。海试实验表明，FG-MLE算法具有良好的定位跟踪性能。.(2)在因子图的最大似然估计框架下，提出一种高定位精度的联合时间同步与目标定位跟踪算法—ToA-TS。算法将长时间的定位跟踪分解成基于短时长定位周期的联合估计，具有较好的实时性；结合运动补偿和时钟补偿，克服了传统联合估计方法的不足，也扩展了定位系统的应用场合；此外，通过最小二乘法解析求解算法初值从而提高算法的运算性能。海试实验表明，提出的ToA-TS算法不仅能够实现高精度地定位跟踪，而且具有较好的实时性能。.(3)针对定位信号冲突碰撞问题，突出了利用组合斜率Chirp信号（MLC）的定位信标多址方案，利用混频变斜率分数阶傅里叶变换（MCR-FRFT）实现高效率的性能结算，从而克服传统时分、频分方式的局限性，达到充分利用chirp信号同步正交性实现测距与冲突避免的衔接结合。.(4)针对水声传感器网络定位中节点冗余的场景，提出了基于粒子群的水声传感器网络节点择优算法，在保证一定定位精度的前提下，综合考虑通信开销与节点剩余能量情况，位置可疑度，声线传播弯曲特性等因素，设计锚节点择优机制，使用粒子群算法迭代出最优的传感器组合，对锚节点的定位信号发射进行规划。仿真结果表明，该算法具有计算量小，收敛快，定位精度高等特点，能有效提高节点能量利用率，较好地适用于水声定位场景。.这些算法较好地提高了水下目标的定位跟踪性能，其成果对水下定位和导航的研究有重要的参考和借鉴价值，.发表标注本项目资金资助号的期刊论文36篇，其中水声领域顶级期刊JASA，JOE各一篇，SCI检索18篇；获授权国家发明专利3个；参加国际学术会议30人次；培养博士生8名，硕士研究生10人。