基于扩频融合信号的异步水声定位研究

Underwater acoustic localization (UAL) is fundamental for ocean development. Complicated multipath underwater acoustic channels and uncertainty of clock impose great challenges on UAL. In order to relax the synchronization requirement, this project aims to propose an asynchronous UAL (AUAL) system. To be more specific, three aspects of the AUAL will be investigated in this project: 1) the deployment of anchors. Taking the localization coverage and accuracy into account, the topology of the anchor deployment will be optimized. 2) the design of spread spectrum aggregate (SSA) signal. In order to balance localization and communication with limited channel resources, orthogonal variable spreading factor codes will be employed to design an aggregate signal, which can be used for both localization and communication. The SSA signal makes efficient use of underwater spectrum. 3) the development of asynchronous acoustic localization algorithm. Asynchronous acoustic localization algorithm will be developed based on the novel parallel broadcast ranging protocol. The localization method takes the benefit of the broadcast property of acoustic propagation, and significantly reduces the localization delay. The fruitful results of this project will enrich the theoretical UAL toolbox and benefit communication and signal processing society.

水声定位技术是海洋开发的关键技术之一，其中定位信号的设计是关键，与之匹配的定位算法是核心。复杂的水声信道和难以精准的时钟同步是水声定位的两大难点。本项目以提高定位精度、提升带宽利用率为目标，分别从信号层面和算法层面出发，基于扩频融合信号开展异步水声定位研究。主要开展以下三方面研究：1）通过正交变扩频因子码的合理分配，设计融合定位和通信双重功能的扩频信号，均衡定位和通信的需求，提高带宽利用率；2）通过几何观测度和锚节点间距的联合设计，优化锚节点部署,在保证一定覆盖率的前提下，降低同步要求并提高定位精度；3)在时钟异步的前提假设下，研究基于扩频融合信号的并发广播模式下的测距定位算法，缩短定位时延，增强定位隐蔽性。本项目研究成果将为水声定位提供理论方法和关键技术支撑。

对水声通信及定位信号进行了研究。设计前导码以改善基于通信信号的定位性能，提出了多普勒因子的估计算法。基于Zadoff-Chu序列的同步头，提出相应的多普勒因子估计和时延估计的方法，设计了新型前导码（即Dual-ZC序列）；提出了一种利用正交频分多路复用(OFDM)信号周期平稳性的多普勒尺度估计方法。针对水声网络时分多址(TDMA)调度问题，提出了一种基于特殊设计传输功率模型的多目标整数线性规划方法，改善网络的空间多样性。.对水声异步定位进行研究。提出了一种提出了一个针对异步水下声传感器网络的联合时钟同步和定位方案，提高了同步和定位的概率；提出了一种基于广播模式的水下定位算法，水下节点可以在2个广播周期内实现位置与时钟参数估计。针对节点稀疏、网络不同步、能量限制和声传播速度不确定情况，提出了一个因子图框架和一种基于高斯信息的置信传播算法来解决联合定位和同步问题。研究了水下AUV跟踪方法，提出一种了AUV和传感器节能模式的跟踪协议对航位推测(DR)和到达时间(TOA)进行数据融合，实现静默模式下的航迹跟踪。针对由声纳和水下传感网组成的分布式单输入多输出(SIMO)系统，提出了水下声线弯曲时两点间的传播时延公式，并针对两种场景分别提出了SAGE-UTL和NWLS-UTL算法，以实现水下目标定位。在此基础上，进一步考虑水下接收机位置不确定性，提出一种水声目标定位与同步算法（UTLS），对声线弯曲，水下节点位置不确定性的校正效果更好，时钟同步精度更高。针对没有布放锚节点的海域中多水下自主航行器的协同定位问题，基于置信度传播算法，设计了分布式间歇性合作定位方法。针对只有一个锚节点移动出场景，提出了使用期望最大算法进行定位求解的方案。.提出了基于广播模式的水下目标定位及时间同步方法，可实现水下目标被动定位及时间同步。.搭建了水声通讯定位硬件在环（Hardware in the Loop）仿真实验平台，可实现算法的快速验证实验。.设计了水空两栖无人机，用于水声定位导航算法实验验证的搭载平台。.本项目研究的算法、方法及设计方案具有重要的理论意义和实用价值。