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水声传感器网络定位技术的研究

李晓文  
【摘要】:作为海洋监测的理想媒介以及无线传感器网络的新兴应用——水下声学传感器网络具有广泛的发展前景,例如:对目标海域进行实时性监控,探索海洋资源、监测海洋环境和辅助导航等。 无线传感器网络中的传感器节点收集的有用信息需要结合其位置坐标,这样才有意义,所以多年来,定位作为一个经典问题被研究者们广泛研究。因为水声信道具有路径损耗严重、多路径传播、多普勒频移、传播时延长等特点,结合传感器节点随洋流漂移的特点,使得水声传感器网络相比于陆上无线传感器网络有许多不同的特征,如移动性高、可靠性低、定位精度低、空位维度为3等,这些特点决定了现有的陆上无线传感器网络定位技术不能直接应用到水声传感器网络中。 在现有的声速传播模型、节点移动模型、水声信道模型、水声传感器网络定位的研究基础上,本文进行了基于移动节点的距离相关定位技术的研究,其主要包括以下2个部分:(1)提出一种基于粒子滤波的水声传感器网络定位技术(简称PF_UWSN算法),它是在DNR算法的基础上提出的,采用比较理想的节点移动模型,该算法使用包围盒方法绘制预测区域,在预测阶段、过滤阶段融入了粒子滤波算法,并且通过理论分析推导出了基于粒子滤波的水声传感器网络定位算法的估计误差下限的期望。实验表明,与DNR定位算法相比,PF_UWSN定位算法在定位精度上有很大程度的提高。(2)在一种有效的大规模水声传感器网路定位算法(简称ELSL算法)基础上,借鉴高权重思想,提出基于加权的水声传感器网络定位技术(简称WUWSN算法)。与ELSL算法相比,WUWSN算法是先选择出所有可能的节点的潜在位置,然后对所有的潜在位置加权后再估计位置信息,而不是把测距方程组的唯一解作为节点的估计位置,这是因为高权重的潜在位置比其他潜在位置起到的作用大。仿真实验中节点运动模型采用的基于拉格朗日的洋流运动学模型,实验结果表明WUWSN算法无论在定位覆盖率、平均定位误差还是平均通信开销方面都表现出了较好的性能和可行性。


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