水下宽范围沉默定位及信道跟踪

摘要

海洋是人类维持生存繁衍的重要基地,开发海洋经济是社会实现可持续发展的必由之路。近几年，海洋信息技术应用十分广泛，为我们探索海洋提供了新的机遇。它能够采集海洋数据，勘测矿产资源，监测海洋环境与海生物，及时对钻进爆炸、海啸、地震等突发事件报警。水下定位技术能跟踪检测水下节点或目标的位置，协调目标的运动，优化协议等。然而在对海洋信息技术的探索过程中面临着许多因素的挑战。其中最主要的因素就是水声信道中严重的多普勒效应、时变和延迟等。
　　本文根据沉默定位理论，提出了水下宽范围沉默定位方法。所谓宽范围沉默指的是该定位方法的覆盖面积大，且目标保持沉默，不需要发送信息。首先对该定位机制进行了设计。在该机制中，利用可升潜式节点周期性更新水下节点的坐标信息，从一定程度上减小了定位误差；并且可实现迭代式定位，增加了定位范围和灵活性；宽范围沉默定位不需要目标发送信息，提高了目标的安全性。然后根据该定位机制，推导出了三种定位算法：基于时间等价关系的定位算法，最小二乘（Least Squares，LS）定位算法和递归最小二乘（Recursive Least Squares，RLS）定位算法。并从计算的复杂度，所需节点数，定位精度方面对三种算法做了分析。最后根据定位出来的结果，利用卡尔曼滤波器（Kalman Filter，KF）和概率数据关联（Probability Data Association, PDA）滤波器进行目标跟踪。为了解决跟踪过程中的杂波干扰、漏检和虚警问题，在卡尔曼滤波的基础上使用了概率数据关联滤波器。
　　水声信道的多普勒效应明显，时变和延迟大，衰落和多径严重，是制约水下定位、水声通信等一系列研究的重点和难点。水声信道跟踪能在不降低数据传输速率及发送信号能耗的基础上，对时变信道进行观测。水声信道主要取决于三个参数：各路径的增益、延迟和多普勒频移。当目标运动时，这三个参数会随之产生变化。本文首先建立了浅海信道时变模型，据此推导出了该三个参数的状态模型，并分析了定位误差对三个参数变化轨迹的影响。最后利用卡尔曼滤波器分别对该模型下各路径的增益、延迟和多普勒频移进行跟踪。并在卡尔曼滤波的基础上，使用联合概率数据关联（Joint Probability Data Association, JPDA）滤波器进行多测量与多信道路径的关联，实现了对浅海稀疏多径信道的跟踪。

目录

第1章 绪 论

1.1课题研究的背景与意义

1.2水下定位方法的研究现状与分析

1.3水下跟踪技术的研究现状与分析

1.4本文的主要研究内容

第2章 水下定位与跟踪技术

2.1水下定位技术

2.2基本的目标跟踪算法

2.3本章小结

第3章 水下宽范围沉默定位与跟踪研究

3.1水下宽范围沉默定位机制的设计

3.2沉默定位原理

3.3水下宽范围沉默定位算法研究

3.4水下宽范围沉默定位性能分析与仿真

3.5宽范围沉默定位机制下的目标跟踪与仿真分析

3.6本章小结

第4章 基于浅海稀疏信道模型的水声信道跟踪

4.1浅海水声信号传播特性

4.2浅海稀疏信道的几何模型

4.3浅海稀疏信道的延迟跟踪

4.4浅海稀疏信道的多普勒频移跟踪

4.5浅海稀疏信道的增益跟踪

4.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢