基于凸优化的水下传感器网络定位技术研究

摘要

近年来，水下传感器网络在环境监测、目标探测以及水下潜器定位导航等领域发挥着越来越重要的作用，吸引了众多学者投入到水下传感器网络应用的研究中。在水下传感器网络中，获取水下节点的高精度方位是水下传感器网络应用的基础。水下节点的高精度位置信息是水下数据采集有效性以及目标定位可靠性的有力保证。但水下环境复杂且动态变化，这使得水下网络节点的定位存在很大的挑战。本文对水下传感器网络中的锚节点位置误差以及未知的传播声速进行分析，研究一种鲁棒性好的高精度定位算法。 目前在水下传感器网络定位中通常主要考虑节点间的测时误差，而忽略了锚节点的位置误差，而实际上受节点的布放方式和水流等因素的影响，锚节点的位置误差已经成为制约高精度定位的主要问题之一。本文在标定的锚节点位置误差以及节点之间的测时误差均服从高斯分布的假设下，构建了基于最大似然估计准则网络节点的定位模型，分别引入二阶锥规划(SOCP)、半定规划(SDP)以及DC规划算法来求解该定位模型的最优解。通过仿真验证了三种定位算法的有效性，并对比分析了三种凸优化算法的优缺点。 此外，由于海水中声速分布呈现显著的垂直分层特性，声线弯曲现象明显，需要经过修正才能获取视在距离。为了抑制声速误差对节点定位精度的影响，本文在进行求解优化模型时结合水下声速剖面信息采用Snell定律进行声线跟踪来消除未知声速带来的定位误差，仿真对比验证了声线跟踪算法可以有效地消除未知声速带来的定位误差。之后，考虑到在用于长时间海洋监测的水下传感器网络中很难所有节点都能实时获取且声线跟踪算法的计算复杂度较高，本文在一次定位过程中节点间的等效平均声速值相等的假设下，将其作为未知数代入到基础定位模型中进行求解，分别在考虑和不考虑锚节点位置误差的条件下，基于半定规划(SDP)给出了不同的求解声速的定位模型。在考虑锚节点误差的条件下，求解声速的半定规划(SDP)定位模型无法收敛到最优解，此时利用DC规划对半定规划的定位结果和声速估计值进行改进，可以收敛到最优解。通过仿真对比验证了求解声速的定位模型的有效性。 最终，通过分别对湖试和海试试验数据进行处理分析，验证了本文给出的凸优化定位算法与常规的最小二乘算法相比有更高的定位精度和鲁棒性。在湖试数据处理中，由于锚节点标定误差在厘米量级且湖试环境变化较小，本文给出的凸优化定位算法的平均定位精度与常规最小二乘算法相比基本一致;而在海试环境中，由于锚节点标定精度在米量级且海试环境变化较大，本文给出的凸优化定位算法的平均定位精度最大提高了近1m。在未知水下传播声速的条件下，求解声速的凸优化定位算法的定位性能与已知参考等效平均声速条件下的常规最小二乘算法相比，可以获得相同甚至更优的定位性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景和意义

1．2水下传感器网络概述

1．3水下传感器网络定位技术研究现状

1．4凸优化定位算法研究现状

1．5论文主要研究内容及章节安排

第2章考虑锚节点误差的凸优化定位算法研究

2．1引言

2．2水下传感器网络定位基本模型

2．2．1等效平均声速定义

2．2．2基本定位模型

2．3二阶锥规划定位算法

2．3．1二阶锥规划定位模型推导

2．3．2算法仿真性能分析

2．3．3二阶锥规划定位算法总结

2．4半定规划定位算法

2．4．1半定规划定位模型推导

2．4．2算法性能仿真分析和对比

2．4．3半定规划定位算法总结

2．5 DC规划定位算法

2．5．1 DC规划基本性质

2．5．2 DC规划定位模型推导

2．5．3算法性能仿真分析和对比

2．5．4 DC规划定位算法总结

2．6本章小结

第3章考虑声速未知的凸优化定位算法研究

3．1声线跟踪算法

3．1．1射线声学理论

3．1．2声线跟踪理论推导和算法流程

3．1．3声线跟踪算法性能仿真分析

3．1．4声线跟踪算法总结

3．2不考虑锚节点误差的解声速凸优化算法

3．2．1基于半定规划的定位模型推导

3．2．2算法性能仿真分析

3．2．3解声速凸优化算法总结

3．3考虑锚节点误差的解声速凸优化算法

3．3．1基于半定规划的定位模型推导

3．3．2算法仿真性能分析

3．3．3解声速凸优化算法总结

3．4本章小结

第4章水下传感器网络凸优化定位算法试验数据处理

4．1湖试试验数据处理

4．1．1已知声速条件下的试验数据处理

4．1．2声速未知条件下的试验数据处理

4．2海试试验数据处理

4．2．1已知声速条件下的试验数据处理

4．2．2声速未知条件下的试验数据处理

4．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢