基于颜色滤波和距离测量的水声传感器网络移动节点定位

摘要

移动节点定位是当前水声传感器网络(UASNs)的关键技术之一，该论文对水声传感器网络的背景、国内外研究现状、体系结构、特点和应用领域进行了总结，并分析和介绍了一些已有的经典测距方法和移动节点定位算法。本文针对水声传感器网络的特点，提出了以下几种移动节点定位算法。
　　(1)在现有的经典颜色定位算法的基础上提出了一种基于分层结构的新颜色滤波移动节点定位算法(ACFL)应用于水声传感器网络中。为了进一步提高定位精度，在此基础上又提出了一种基于投影距离的新颜色滤波移动节点定位算法(PCFL)应用于水声传感器网络中。
　　针对两种算法的不同之处，ACFL在定位过程中利用到达角度法(AOA)进行测距，移动节点与锚节点之间的直接距离在定位过程中被采用。PCFL在定位过程中同样也是利用到达角度法(AOA)进行测距，而利用了移动节点与锚节点之间的投影距离，改变了从三维到二维的距离测量。针对两种算法的相同之处，以上两种定位算法为定位移动节点将原有的二维颜色定位算法进行了改进并应用到水声传感器网络中。该论文提出了三维分层投影的网络模型，通过颜色序列滤波，利用局部采样滤波的思想，在移动节点与锚节点在移动节点所在平面投影点的通信范围的交叠区域内进行采样，通过比较样本点与移动节点之间的颜色(RGB)差值序列，筛选样本点。利用移动节点与锚节点之间的距离比例因子计算移动节点的RGB序列值，利用锚节点与筛选出来的样本点之间的距离比例因子计算样本点的RGB序列值，进一步计算移动节点和样本点的RGB序列值，利用权重的方法计算移动节点的坐标。
　　仿真结果表明，PCFL和ACFL具有良好的定位性能，并能及时定位移动节点，PCFL的平均定位误差与一种适用于UASNs的基于测距的移动节点定位算法(简称为AFLA)，的平均定位误差相比可以减少30.4％。
　　(2)为了更进一步提高定位精度，本文又提出了一种TOF测距、能量筛选的移动节点定位算法(ESDM-TOF)应用于水声传感器网络中。该算法在传统飞行时间(TOF)技术的基础上，引入比例因子做归一化处理，计算声信号的传播距离。此外，为了减少能量消耗，提高能量利用率，通过比较声信号传播过程中能量损失值大小，在移动节点的通信范围内选取至少四个任务锚节点用于定位移动节点。利用选出来的任务锚节点与移动节点构成四面体，采用海伦空间二乘法，利用移动节点与任务锚节点之间的几何关系，结合平面方程和最小二乘法计算移动节点的坐标。通过仿真实验最终验证了新算法的定位性能以及定位精度的好坏。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的研究内容以及创新点

1．4 论文的组织结构

2 水声传感器网络概述

2．1 UASNs的结构

2．1．1 UASNs的体系结构

2．1．2 UASNs的分层结构

2．1．3 UASNs的节点结构

2．2 UASNs的特点

2．3 UASNs的应用领域

2．4 本章小结

3 水声传感器网络节点定位

3．1 节点定位

3．1．1 节点定位的基本概念

3．1．2 节点定位存在的问题

3．2 常用的测距方法

3．2．1 到达时间法(TOA)

3．2．2 到达时间差法(TDOA)

3．2．3 接收信号强度指示法(RSSI)

3．2．4 到达角度法(AOA)

3．3 经典的移动节点定位算法

3．3．1 Euclidean定位算法

3．3．2 质心定位算法

3．3．3 极大似然估计法

3．3．4 DV-Hop定位算法

3．4 UASNs的移动节点定位算法

3．4．1 MobiL定位算法

3．4．2 LDB定位算法

3．4．3 GNA-ESSP定位算法

3．4．4 AFLA定位算法

3．4．5 ARTL定位算法

3．5 本章小结

4 新颜色滤波移动节点定位算法

4．1 PCFL和ACFL算法概述和系统框架

4．2 CDL定位算法

4．3 PCFL和ACFL定位算法

4．3．1 三维的分层网络模型

4．3．2 选取采样区域

4．3．3 计算移动节点的RGB序列值

4．3．4 权重计算

4．3．5 可行性分析

4．3．6 算法步骤

4．4 仿真结果

4．4．1 PCFL和ACFL的定位性能的比较

4．4．2 总能量消耗与锚节点密度的比较

4．4．3 运行时间与样本点个数的关系

4．4．4 五种算法定位误差的比较

4．4．5 五种算法的误差分布图

4．4．6 移动节点的速度的影响

4．4．7 移动节点个数的影响

4．5 本章小结

5 TOF测距、能量筛选的移动节点定位法

5．1 ESDM-TOF算法概述和系统框架

5．2 ESDM-TOF定位算法

5．2．1 TOF测量方法

5．2．2 传播距离的测量

5．2．3 能量筛选任务锚节点

5．2．4 海伦空间二乘法

5．2．5 算法复杂度的比较

5．2．6 算法步骤

5．3 仿真实验

5．3．1 总的能量传播损失与最大传播距离的关系

5．3．2 均方根误差与任务锚节点个数的关系

5．3．3 均方根误差与锚节点个数的关系

5．3．4 移动节点速度的影响

5．3．5 平均能量消耗的对比

5．3．6 运行次数与死亡节点占比

5．4 本章小结

6 总结

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单