基于部分锚节点位置和声速未知的动态节点高精度定位技术研究

In an effort to resolve the technical bottleneck of time-varying and sapce-varying ocean environment, high network delay and the difficulty to get accurate geographical coordinates, we investigate an accuracy localization method with partial unknown anchor node locations and unknow sound speed for a mobile node in underwater wireless networks(UWSNs ) via theoretical research, simulation, and experimental evaluation. Our expected contributions can be summarized as follows:.1) We first formulate a mathematical localization model based on unknown anchor node locations and sound speed to solve the optimization problem. This technique allows us to simultaneously locate the target with high precision and to calibrate the unknown anchor nodes. .2)We reveal the relationship between node’s motion, marine environment parameters and the ranging error theoretically, and the compensation it. At the same time, the anchor node location error is also considered in the localization algorithm to improve the precision. .3) We formulate a mathematic positioning error model which combines the sound speed error, anchor node location error, and ToA err for UWSNs localization in a general case. We then explore the optimal topology design based on the positioning error distribution..This project allows us to resolve several technical limitations of existing techniques and represent a workable theoretical basis for large-scale dynamic underwater sensor networks localization and application.

针对水下传感器网络动态节点高精度定位所面临的时变空变的海洋环境、高网络时延及精确地理坐标传递不易等技术瓶颈，采用理论研究、仿真分析结合实验数据验证的方式，开展基于部分锚节点位置和声速未知的动态节点高精度定位技术理论及技术研究。首先建立基于未知参考节点位置和声速定位的数学模型并建立最优化问题,突破基于未知参考节点位置和声速定位技术，在为目标节点定位的同时完成未知声信标阵列的高精度标定；然后理论研究节点运动及海洋环境参数对测距误差影响的规律及补偿方法，并同时联合锚节点误差先验信息进行动态节点位置估计；最后建立存在声速误差、参考信标位置误差和时延估计误差的普适性精确的水下传感器网络节点定位误差理论模型，在该模型的基础上开展基于定位误差分布的最优拓扑结构设计研究。希望通过本项目的实施，解决现有技术难题，为大规模动态水下传感器网络定位及应用提供理论及技术。

近年来，随着各沿海国家对领海主权的日益重视和海洋资源争夺的日益白化，以及水下传感器网络在海洋环境监测、海洋资源开发与利用、地质灾害预报及海洋国防安全等领域的重要应用价值，水下传感器网络技术的理论研究及应用得到越来越多的关注。在水下传感器网络中，传感器均需关联相应精度的位置信息来匹配水下传感器网络的任务，并且在网络协议、协同探测等方面传感器位置信息亦具有重要价值。因此，水下传感器网络定位技术是水下传感器网络应用的基础，具有重大的研究意义。本课题的主要研究内容主要包括三部分：（1）基于部分锚节点位置和声速未知的节点定位；（2）基于部分锚节点位置和声速未知的动态节点高精度定位；（3）水下传感器网络节点定位误差模型分析以及基于多代理模型的水下传感器网络站址优化。本项目推动我国水下传感网络技术与应用研究取得进步，在海洋科学、海洋工程及海洋国防安全等领域呈现出重要应用前景。