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原文传递基于海面多信标网络的水下移动节点定位技术

论文题名：	基于海面多信标网络的水下移动节点定位技术
关键词：	水下无人平台;水下移动节点定位;海面多信标网络;虚拟信标;到达时刻差;卡尔曼滤波
摘要：	随着人类对海洋的深入探索，各式各样的水下装备得到了研制和应用。自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)、水下滑翔机(Underwater Glider,UG)等水下无人平台成为研究热点。当执行长时间水下任务时，搭载各类传感设备的水下无人平台需要持续地获知位置信息。同时，水下感知数据只有与位置信息关联，才具有实用价值。因此，精确的水下移动节点定位技术对水下导航避障，水下数据收集，海洋环境监测等应用具有十分重要的意义。但是，恶劣的水下环境对水下通信与定位带来严峻的挑战。论文研究水下移动节点定位技术，着重研究基于海面多信标网络的水下移动节点定位方法。　　在基于到达时刻差(Time Difference of Arrival,TDOA)的定位算法中，水下移动节点在接收到信标节点发送的定位报文时记录其到达时刻，通过多个同步发送的定位报文的到达时刻差解算自身位置。由于水下环境的恶劣性，海面信标同步发送的定位报文不能保证被水下移动节点可靠接收到。为了解决定位报文丢包问题，论文提出了一种虚拟信标增强型的水下移动节点TDOA定位算法，并对其进行了误差分析和性能仿真验证。此外，为了解决该算法在定位拓扑边缘处性能恶化的问题，论文提出了一种边缘补偿的虚拟信标搜索策略以提高定位性能。仿真结果表明，虚拟信标增强型的水下移动节点TDOA定位算法与传统TDOA定位算法相比可以提供更多的位置解算机会，且在定位精度上没有太大的损失。　　在基于海面多信标网络的水下移动节点定位中，海面信标的定位报文存在发送时序，水下移动节点会面临长定位间隔带来的误差累积问题。为了减小累积误差，提高水下移动节点的定位性能，论文研究基于滤波的水下移动节点定位算法。水下移动节点根据运动模型和定位报文到达时刻差构建状态方程和测量方程，采用扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波算法进行位置估计与跟踪。考虑到固定权重对滤波性能的影响，论文提出了一种权重优化的自适应滤波算法用于水下移动节点的定位。仿真结果表明，基于滤波的水下移动节点定位算法可以取得较好的定位效果。　　为了验证上述水下移动节点定位方法的可行性和性能，于南海开展了海洋试验。论文分别给出了船基移动节点在最小系统、固定拓扑和跨定位拓扑运动场景下的定位性能，不同场景下的定位误差为10~25米。此外，还给出了水下滑翔机作为水下移动节点在工作剖面过程中的定位情况，出水点处定位误差为30米左右，取得了较为准确的定位结果。　　论文研究基于海面多信标网络的水下移动节点定位方法，可实现水下移动节点准确且稳定的被动定位，为构建“水下北斗”奠定基础。
作者：	章卢译心
专业：	信息与通信工程
导师：	陈惠芳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2021