基于水下传感网络的节点静默定位技术研究

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随着中国国民经济不断发展,海洋作为重要的战略领域越来越受到国家重视。进入二十一世纪以来,中国进入了大规模开发利用海洋的时期,海洋在维护国家主权、安全、发展利益中的地位更加突出,在国际政治、经济、军事、科技竞争中的战略地位也明显上升。  由于电磁波在海水中不能长距离传播,因此采用电磁波的陆地定位系统不能在水下定位中使用。声波是目前已知的唯一能实现水下远距离传输信息的载体,水声通信和水声定位早已应用于水下各个领域。常用的水下定位机制都是采用应答器方式,发送询问信号,计算水下节点应答信号回传时间来获得传播延迟,进而乘以声速得到距离信息,但是这种方式会暴露水下节点的存在和位置,无法适用于需要隐蔽作业,不能被对方察觉的水下节点。由于技术发展,水下设备由原有的单独作业模式向多设备协同区域化作业发展,水下多节点联合作业模式就对水下设备的网络化通信和定位提出了更高的要求。水下定位技术在组网应用、网络化定位上应用较少,针对多节点定位导航研究还处于起步阶段。  水声信道具有低带宽、大延迟、高噪声、信号起伏、多途和多普勒双扩展特征,这些特点对水下网络节点定位技术应用提出了很高的挑战。解决水下多用户通信和准确的时延测量是实现水下节点静默水声定位的关键技术,由于水声信道低带宽特点决定了通信信道容量较低,进行多节点定位时无法采用频分复用通信模式,多节点定位的询问应答也会增加定位时间,因此如何制定节点间应答机制获得节点信息是一个重要的研究内容。本文主要研究一种基于水下网络节点的被动定位技术,该技术不需要被定位节点发送应答信号,只需要水下网络定位基线节点周期发送定位信息,就可以实现水下节点的定位,该方法不仅能够满足水下装备在水下隐蔽作业的需求,还可以实现覆盖区域范围内的多节点定位。  论文首先分析了水下定位技术和水声通信技术的发展状况;其次,介绍了水声信道特性;再次,介绍了水声通信和基于长基线的水下定位的基本理论;随后提出了实现水下多节点被动定位方法的几个方法,分析了这些方法的优点和确点。针对水下网络节点定位信息传递问题,重点研究了多节点通信过程中多用户同步和多用户通信技术,分析了多种信号波形的优缺点,讨论了采用直接扩频调制技术进行多用户同步和通信算法,并给出了仿真和实验对比结果。最后阐述了水声通信节点设计及性能,简要介绍了水声通信节点在各个项目中的实际应用。
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