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中北大学学位论文 水声信号编码与传输特性研究 捅婴 随着我国社会主义现代化建设的不断发展，对海洋资源的开发越来越引起人们的重 视。对海洋工程而言，人们关心在什么位置发生什么样的事情，但是如果不能确定传感 器所在基站的位置，采集到的信息并没有实际意义。因此必须研究对无线传感器网络所 组成的基站进行定位。另外，由于海洋环境复杂多变，受到海风、海浪、潮汐和气候等 因素的影响，浮标基站的位置会随时发生变化，其位置的改变与时空场信息的重建密切 相关，如何精确地定位浮标基站的位置就成为一个亟待解决的问题。 本文首先介绍了漂浮式基站自主定位系统的基本原理和总体结构，然后通过介绍水 声信号传播规律和特性，研究了定位信号的编码与传输方式。在此基础上重点设计了自 主定位系统的核心部分水声定位信号收发系统，并且对定位信号的处理进行了研 究。水声定位信号收发系统采用波形存储的原理，能够完成在频分复用模式下基站的自 主定位；同时在理论上该系统支持基于码分复用模式的定位信号的发射，具有一定的扩 展能力。在对定位信号进行分析时，文章提出了一种基于采样点数差的数据处理方法， 实验证明该处理方法能够得到较高的定位精确度。 最后在河流中进行了系统的测试，通过实验证明：在一定的距离范围内，采用本论 文设计的定位系统能够实现漂浮式基站的自主定位，且定位距离在2 0 0 米x2 0 0 米以内； 采用本论文提出的数据处理方案可以把定位精度控制在0 2 毫秒以内。定位系统低功耗、 高精度的特点使得系统在海洋环境观测、资源勘探和水下通信中都将占有一席之位。 关键词：基站的自主定位，波形存储，频分复用，m a t l a b 数据处理，无线传感器网络 中北大学学位论文 t h er e s e a r c ho f a c o u s t i cs i g n a lc o d i n ga n dt r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s d uk u n k u n t u t o r ：z h a n gp i z h u a n g a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs o c i a l i s tm o d e r n i z a t i o nc o n s t r u c t i o ni nc h i n a , t h ed e v e l o p m e n to f m a r i n er e s o u r c e sh a si n c r e a s i n g l ya t t r a c t e da t t e n t i o n o nm a r i n ep r o j e c t s ，p e o p l ec a r ea b o u t w h a th a p p e n si ns o m el o c a t i o n b u ti fy o uc a l ln o td e t e r m i n et h el o c a t i o no ft h es e n s o ri nt h e b a s es t a t i o n ，t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e di sn o tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e p o s i t i o no ft h eb a s es t a t i o n , w h i c ha r ec o n s t r u c t e db yt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i na d d i t i o n ， b e c a u s et h ec o m p l e xa n dc h a n g e a b l em a r i n ee n v i r o n m e n ta l ea f f e c t e db yt h es e a , w a v e s ，t i d e s a n dw e a t h e ra n do t h e rf a c t o r s ，t h el o c a t i o no ft h eb u o yb a s es t a t i o nh a v et oc h a n g ea ta n yt i m e w h i l e , t h e r ea l et h ec l o s er e l a t i o nt ot h ec h a n g eo f 1 e i rp o s i t i o na n dt h er e c o n s t r u c t i o no f i n f o r m a t i o ni ns p a c e - t i m e s ot h ei s s u eh o w a c c u r a t e l yt h el o c a t i o no f b a s es t a t i o np o s i t i o n i n g i sn e c e s s a r yt ob er e s o l v e d f i r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n do v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e s e l f - p o s i t i o n i n gs y s t e mi nt h ef l o a t i n gb a s es t a t i o n a n dt h e nt h ee n c o d i n ga n dt r a n s m i s s i o no f p o s i t i o n i n gs i g n a lh a v e b e e nd e s i g n e d o nt h i sb a s i st h ec o r eo ft h es e l f - p o s i t i o n i n gs y s t e m , a c o u s t i cp o s i t i o n i n gs i g n a l st os e n da n dr e c e i v es y s t e m ，h a sb e e nd e s i g n e d i nt h i ss y s t e m ，i t c a l lc o m p l e t es e l f - p o s i t i o n i n go fb a s es t a t i o n si nf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gm o d e ，b y t h ep r i n c i p l eo fw a v e f o r mm e m o r y a n dt h es y s t e mc a ns e n dt h es i g n a li nc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n gm o d ei nt h e o r y , s oi th a sac e r t a i ne x p a n s i o no fc a p a c i t y w h e nt h ea n a l y s i so f p o s i t i o n i n gs i g n a lh a v eb e e nd o n e ，ad a t ap r o c e s s i n gm e t h o dh a sb e e np r e s e n t e d , w h i c hi s b a s e do ns a m p l i n gp o 硫d i f f e r e n c e , a n dt h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea p p r o a c hc a nb e h i g h e r p o s i t i o n i n ga c c u r a c y f i n a l l mt h eo v e r a l ls y s t e mi st e s t e di nt h er i v e r t h ee x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a tt h e 中北大学学位论文 f l o a t i n gb a s es t a t i o nc a nb el o c a t e db yi t s d fc o m p l e t e l ya n d , b yu s i n gt h ep o s i t i o n i n gs y s t e m d e s i g n e di nt h ep a p e r i tc a na c h i e v et h ed i s t a n c ew h i c hi s2 0 0m e t e r st i m e s2 0 0m e t e r s ，a n d t h ed a t ap r o c e s s i n gp r o g r a mp r e s e n t e di nt h ep a p e rc a nc o n t r o lt h ep o s i t i o n i n g o f l e s st h a n0 2m i l l i s e c o n d s t h ep o s i t i o ns y s t e mh a v el o wp o w e ra n dh i g hp r e c i s i o nf e a t u r e s ， a n di tm a k et h es y s t e mw o u l do c c u p yas i g n i f i c a n tp o s i t i o ni nt h em a r i n ee n v i r o n m e n t o b s e r v a t i o n , r e s o u r c ee x p l o r a t i o na n du n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：s e l f - p o s i t i o n i n go f b a s es t a t i o n , w a v e f o r mm e m o r y , f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g , m a t l a bd a t ap r o c e s s i n g , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 藿塑阻f i , 垮t ：上旦颦l 互一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文：学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：立型牡隼一 导师签名： 迸型丝： 日期：幽：亟：圭 日期：兰竺坚鱼：墨 中北大学学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着现代社会的信息化程度越来越高，人们已不满足对陆上事物的认知，渐渐地将 目光转移到了水下，水下通信越来越受到人们的重视。在水下通信中，无线传感器网络 组成的基站得到了广泛的应用，尤其是在海洋信息收集、海洋资源探测、商业开发以及 沿海地区防御等方面占有重要的位置n 1 。 在浮标基站的众多应用中，用户关心的一个重要问题是：在什么位置或区域发生了 什么事件。例如：目标跟踪、入侵检测、环境监控等。因此通过对浮标基站的定位可以 建立一个空间坐标，以此为基准完成对其它测试基站的定位，进而根据测试基站的测试 参数实现对目标的定位。只有精确地对浮标基站定位，才能精确地建立空间坐标基准， 在这个基础上才能准确地对目标进行定位。另外，由于海洋环境复杂多变，受到海风、 海浪、潮汐和气候等因素的影响，浮标基站的位置会随时发生变化，其位置的改变与时 空场信息的重建密切相关，因此如何精确地定位浮标基站的位置就成为一个亟待解决的 问题。 在一定的距离范围内对浮标基站的定位方法通常可以分为：基于到达时间( t i m eo f a r r i v e , t o a ) 的定位、基于到达时间差( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v e ，t d o a ) 的定位、基 于到达角度( a n g l eo f a r r i v e , a o a ) 的定位，以及基于接收信号强度指示( r e c e i v e ds i n g l e s t r e n g t hi n d i c a t i o n , r s s i ) 的定位。虽然基于距离的定位机制通常定位精度相对较高，但 是对各浮标基站的硬件也提出了较高的要求，定位过程中消耗的能量相对多，且定位系 统易受到温度、湿度及障碍物等环境因素的影响乜1 。针对水声信号的复杂特性以及定位 方法的高消耗、易受环境影响的特点，本论文设计了一种基于t d o a 定位算法的漂浮式 基站自主定位系统；并根据定位原理和系统要求，对定位信号的编码方式进行了研究， 重点设计了定位系统的核心水声定位信号收发系统。 本论文所设计的漂浮式基站自主定位系统能够有效地克服水中风浪、潮汐等因素的 影响，具有低成本、低功耗、稳定性的特点，因此不论在国防建设中还是在国民经济建 设中，都有着非常广泛的用途。在国防建设中，可以通过水下无线传感器网络的节点定 1 中北大学学位论文 位，实现对其他测试基站的跟踪和定位；也可以实现对水中武器的定位，达到检测水下 武器性能的目的；系统对于舰船、潜艇的作战和防护也又一定的意义。此外，在国民经 济建设方面也有着非常广泛的用途。随着人类在各种水域中的活动不断的增加，水声通 信越来越频繁，使用定位的方法能够快速精确地对各个基站或者船只进行定位，从而有 效地进行通信，还可以避免事故的发生。同时，通过对各浮标基站的精确定位，可以对 其他目标( 尤其是石油等海洋资源) 进行准确定位，为我们进一步开发海洋资源提供有 力支持。另外，该系统全天候、无人职守的工作特点，避免了人力资源的浪费以及免收 环境干扰的影响。 漂浮式基站自主定位系统具有广泛的应用，因此开展对自主定位系统的研究是一个 具有挑战性的课题，它不仅可以促进我国浮标基站的定位技术的发展，为更好的进行各 种海洋试验提供条件；同时，还有利于海洋资源的开发，能够带来良好的经济效益。 1 2 国内外研究现状 1 9 9 9 年8 月1 5 日，在美国西雅图召开第五届a c m i e e e 移动计算与网络国际学术会议 年会( m o b i c o m 9 9 ) 上，加利福尼亚大学洛衫矶分校计算机科学系的d e b o r a he s t r i n 教授等发表了具有里程碑意义的研究论文：n e x tc e n t u r yc h a l l e n g e s ：s c a l a b l e c o o r d i n a t i o ni ns e n s o rn e t w o r k s ，从此拉开了传感器网络研究的序幕口1 。从1 9 9 2 年a t & a l a b o r a t o r i e sc a m b r i d g e 开发出陆地室内定位系统至今，许多研究者开始倾向于对无线传 感器网络定位问题的研究，并且已经形成了许多相对成熟的系统和算法h 1 。此后，不论 是在空中、陆地上还是水下，有关无线传感器网络的定位技术的研究与应用都占据着重 要的一席之位。 在无线传感器网络中的定位技术中，根据定位对象的不同可以分为两类，一类是对 出现在网络内除节点之外的外部目标的定位即目标定位，一类是对网络内节点自身的定 位即节点定位。研究漂浮式基站的自主定位，实质是研究水下各无线传感器网络的节点 定位。在水下无线传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身位置，把传感器 节点分为信标节点( b e a c o nn o d e ) 和未知节点( u n k n o w nn o d e ) ，信标节点是未知节点 的参考点。信标节点在网络节点中所占的比例很小，可以通过g p s 、人工配置等手段获 2 中北大学学位论文 得自身的精确位置璐1 。目前，水下无线传感器网络( w s n ) 节点定位技术可分为两类： 基于g p s 的定位技术和无需g p s 的定位技术嘲。下面分别对两种节点定位技术的国内 外发展现状进行研究。 1 2 1 水下6 p s 定位技术 定位最简单、最直接的方式是使用g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 技术。目前， 国外已先后建成了三套全球定位系统，它们分别是：1 9 9 3 年由美国建立的g p s 系统、 1 9 9 5 年由俄罗斯建设完成的格洛纳斯( g l o n a s s ) 系统以及欧洲“伽利略 ( g a l i l e o ) 系统口删。国内的北斗卫星导航定位系统是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位 与通信系统，覆盖了中国本土的区域导航系统，是一个既有定位又有通信的系统，而 g p s 只是一个接收型的定位系统，只转播信号，用户接收就可以定位n 叭。如今，水下 g p s 定位系统是g p s 定位技术新发展动向，水下g p s 系统可用于潜艇定位，进行爆炸 性军火处理( e o d ) ，即处理在战争中投放在海中没有爆破的哑弹，还可以用于水雷对抗 等许多领域中n 卜川。 一、国外研究现状 法国a s c a 公司已为美海军开发了利用水下全球定位系统( g p s ) 技术进行搜索与救 援以及对抗水雷的系统，它可以利用水下的g p s 信号确定目标的经、纬度和深度坐标。 该系统可用于跟踪沉在水下的飞机或潜艇中释放的移动黑匣子声波发送器，只需要不到 半天的时间就能寻找到目标。系统包括g p s 智能浮标( g i b ) 、便携式控制站以及3 2 千赫的 声波发送器。浮标下悬挂有水听器，浮标通过水面上的三个天线与指挥、控制、通信和 情报系统联系。当浮标在黑匣子声波发生器约5 0 0 米之内时，能精确地探测到目标的声 信号。利用目标发射信号与浮标接收信号的时延差得到浮标和目标的相对位置，同时， 利用差分g p s 接收机能精确测量出浮标的精确位置。定位数据可以通过本地的无线传输 网在膝上电脑和浮标之间进行交换，无线电的传输范围可以达到1 0 千米( 利用直升机) 或 5 千米( 利用舰船) 。另外，德国a r s t e c h 雷达和声纳应用技术公司2 0 0 2 年也利用该项技 术开发了功能类似的g p s 浮标阵水下定位系统n “。1 引。 二、国内研究现状 3 中北大学学位论文 同时，我国也在积极开展自己的水下g p s 定位系统。我国首套水下g p s 高精度定位 导航系统已研制成功，水下g p s 高精度定位系统打破了个别发达国家对水下高精度定位 技术的垄断，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。国外水下 g p s 系统采用的是高精度时间基础，又称原子钟。但是原子钟不仅体积大、造价高，而 且难以消除误差积累。在我国水下g p s 定位系统中，采用“差分方法 巧妙地解决了这 个难题。该系统不但可用于从水上( 海面、沿岸陆地或飞机上) 对水下目标跟踪监视和动 态定位，还率先利用g p s 技术实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、 水下工程测量控制和工程结构放样等功能。经在浙江省千岛湖进行的试验表明：对于水 深4 5 米左右的水域，系统的水下定位精度为5 厘米，测深精度为3 0 厘米，水下授时精度 为0 2 毫秒，且测量误差不随时间累积u 。 该系统主要由g p s 卫星星座、差分g p s 基准站( 可选) 、四个以上g p s 浮标、安装在 水下目标或载体上的水下导航收发机、陆基或船基数据处理与监控中心( 简称数据控制 中心) 、水上无线电通信链路、水下水声通信链路组成。其中，差分g p s 基准站提供g p s 差分信号，实现g p s 浮标精密定位。g p s 工作模式根据不同应用需求可以适当调整。对 于精密水下工程测量需要设立g p s 差分基准站，通过g p s r 1 舡作模式提供实时高精度 的空间坐标基准。对于水下跟踪、导航应用，可以不需要g p s 差分基准站，通过浮标g p s 的单点定位提供的空间坐标即可实现水下米级定位。g p s 浮标是水下定位系统的核心部 分，主要功能包括浮标空间坐标测量、姿态测量、超短基线改正、水声信号检测、水声 延时测量、无线电数据传输系统。g p s 浮标检测到水声定位信号后，对水声定位信号进 行延时测量，得到水声信号到达浮标的时间。同时通过超短基线测量装置测量当前水听 器的偏移校正参数。另外通过数字罗盘实时测量浮标在水面的姿态数据。水下收发机主 要功能实现水声定位信号的产生、接收船基控制中心计算结果、接口控制等。船基中心 通过通讯换能器发送启动命令，水下收发机接收命令后启动定位信号发生器产生周期性 定位信号。启动系统进行定位工作。同时水下收发机还可以采集水下压力数据、水下温 度数据，并通过宽带水声通讯将数据发送到船基控制中心。船基控制中心主要功能接收 各枚浮标的数据、记录数据、处理数据、求解水下收发机的空间位置、监视浮标的工作 状态、建设水下收发机的工作状态、与水下收发机进行数据传输和通讯等。主要设备包 括多通道浮标接收机、水下通讯接收机、通讯换能器、处理工作站等n 纠町。 4 中北大学学位论文 但是由于浮标基站定位系统中，基站个数少，且要求低成本，在中小型水下浮标定 位系统中不可能直接采用水下g p s 高精度导航系统。因此一般都采用无需g p s 的水下浮 标基站定位系统。 1 2 2 无需g p s 的定位技术 一、国外研究现状 目前在国外，这类比较典型的定位系统和算法包括n7 1 ：美国麻省理工学院( m 1 1 r ) 的松散耦合定位系统c r i c k e t 、瑞士洛桑联邦工业大学( e p f l ) 的s p a ( s e l f - p o s i t i o n i n g a l g o r i t h m ) 相对定位算法、美国仁斯利尔立功学院的r a j a g o p a u y e n g a r 等提出的一种关 于聚类的定位算法、美国加州大学伯克利分校的凸规定定位算法、美国路特葛斯大学提 出的a p s ( a d h o cp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ( 包括6 种定位算法：d v - h o p ，d v - d i s t a n c e ， e u c l i d e a n ，d v - c o o r d i n a t e ，d v - b e a r i n g 和d v - r a d i a l ) 、加州大学伯克利分校的两种循环 求精的功能为算法叫o o p e r a t i v er a n g i n g 和t w o - p h a s ep o s i t i o n i n g 等n 引。下面对其中 几个典型的定位算法和系统做简单的介绍。 c r i c k e t 由m i t 开发，由预先散布在建筑物内位置固定的锚节点和需要定位的人或 物体携带的未知节点( 称为l i s t e n e r ) 组成n 引。锚节点随机地同时发射r f 和超声波信号， r f 信号中包含该锚节点的位置和d 。待定位节点使用t d o a 技术测量其与锚节点的距 离，当它能够获得到3 个以上锚节点距离时，便使用三边测量法提供物理定位，否则就 以房间为单位提供符号定位n 引。 e p f l 的c a p k u n 等人针对无基础设备的移动无线网络，提出了一种称为s p a 的相 对定位算法。它选择网络中密度最大处的一组节点作为建立网络全局坐标系统的参考 点( 称为l o c a t i o nr e f e r e n c eg r o u p ) ，并在其中选择联通度最大的一个节点作为坐标系统 的原点。因为所有节点都需要参与坐标的建立和变换计算，所以s p a 的通信开销与节点 数量几乎呈指数比。 加州大学伯克利分校的d o h e r t y 等人将节点间点到点的通信连接视为节点位置的几 何约束，把整个网络模型化为一个凸集，从而将节点定位问题转化为凸约束优化问题， 然后使用半定规划和线性规划方法得到一个全局优化的解决方案，确定节点的位置口。 5 中北大学学位论文 为了高效工作，锚节点部署在网络边缘，否则节点的位置估算会向网络中心偏移。 加州大学洛衫矶分校的a n d r e a ss a w i d e s 等人设计了一种称为“m e d u s a 的无线传 感器节点试验平台，并在之上开发了a h l o s 定位算法陇1 。a h l o s 算法中定位了3 种定 位方式原子式、协作式和重复式最大似然估计定位。 上述每种系统和算法都有各自的特点和使用范围，没有哪_ 种是绝对最优的，并且 有的定位算法不适合在海洋环境中应用。事实上，经过这些年的努力，许多技术都能够 在一定程度上解决无线传感器网络的自身定位问题。但是每一种系统和算法都是用来解 决不同的问题或支持不同的应用，它们在用于定位的物理现象、传感器设备的组成、能 量需求、基础设施和时空的复杂性等许多方面都不尽相同。研究者们针对不同的环境要 求等提出各种各样的解决方案，在相对的条件下很多都能达到较好的效果，但是真正的 应用还很少，而且一般条件限制都是很严格的心副。经过查阅大量的文献资料，发现关于 无需g p s 技术的水下无线传感器网络节点定位的研究还有很大的发展空间。 二、国内研究现状 目前国内关于无线传感器网络节点定位的研究虽然是起步不久，但是也有一些具有 创造性的成果，研究重点主要集中在穿戴式计算、上下文感知环境、智能教室等领域， 在基于水下无线传感器网络的自定位问题方面的研究还不多3 。一些高等院校和研究机 构，诸如有清华大学、中科院软件所、浙江大学、哈尔滨工业大学、中科院自动化所以 及中北大学等，先后开展了相应的理论和应用的研究工作，主要有以下成就： 文献 7 研究了漂浮式基站自主定位系统收发单元的设计，并在室内进行了水中收 发实验，实验的结果证明该水声收发单元能够完成定位信号在水中的发射和接收，但是 没有进行河流中的测试，且对系统的定位功能、定位算法等没有进行进一步的研究。本 论文在此基础上，通过对水声收发单元的改进，完成了在河流中对系统的自主定位，并 且对定位信号的产生及传输进行了研究。 在文献 2 4 中，提出了一种以牛顿迭代算法为基础，利用最小二乘法得到信源的估 计位置的算法。此算法充分利用最d - 乘算法的估计特性，能够有效地解决迭代法的初 始值问题，保证算法收敛并且提高迭代算法的收敛速度。但是文献 2 4 仅仅是在计算机 中进行了模拟仿真，在实际应用中，海洋环境复杂多变，必须结合水中实验测试的环境 参数才能使得该文献中提出的算法在工程上应用。本论文通过参考大量文献，采用了基 6 中北大学学位论文 于时延差t d o a 的定位算法。 文献 2 5 通过对频分复用和码分复用的基站信号编码方式的具体研究，对频分复用 下的定位信号进行了设计，对码分复用下的信号编码以及其效果问题进行了讨论，经过 计算机仿真，接收传感器布阵在2 0 0 m 的范围内能达到厘米级的定位精度。但是由于水 声信道本身是一个及其复杂的系统，仅仅通过计算机仿真还不能确定水声定位信号采取 的编码方式与调制方式，并且定位精度也会有所改变。在本论文中，基于文献 2 5 的理 论研究基础，已经通过实验证明定位信号在频分复用模式下可以实现系统的自主定位， 并对码分复用模式下的系统自主定位进行了简单介绍。 文献e 2 6 则是利用l a b v i e w 软件对水声信号的处理进行了研究，论文设计并搭建 了基于l a b v i e w 的系统参数测试的软件平台，并且对定位信号进行相关性分析和时频 分析。但是这些都是基于理论的研究，由于水声信道复杂多变，对声信号的处理还需要 进一步的研究。在本文献的基础上，本论文提出了一种基于采样点数差的数据处理方案， 通过实验证明，采用该方案对定位信号进行处理在很大程度上提高系统的定位精度。 总之，由于水下无线传感器网络节点自定位是一个新兴技术，国内与国际水平的差 距并不是很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家 及社会都将有着重大的战略意义。本文即是在文献 7 、 2 4 、 2 5 和 2 6 的研究基础 上，针对它们的不足之处进行了改进和完善，采用t d o a 定位算法，通过发射频分复用 模式下的定位信号，实现水中漂浮式基站的自主定位，同时对水声定位信号的处理进行 了研究。 1 3 论文内容与结构 本论文的主要任务是在海洋环境中，能够精确定位水中多个漂浮式基站的相对位 置，并对水声定位信号的编码和传输特性进行研究。由于定位系统的实时性要求很高， 采用时分复用模式的信号编码方式满足不了在较短的时间内对所布阵列中的基站进行 有效的自主定位。所以在水声自主定位系统中，本文主要研究基于频分复用模式下基站 的定位方法，重点完成了水下漂浮式基站自主定位系统中的核心部分一水声定位信号 收发系统的设计与试验，并且对数据的采集和处理进行了研究。 7 中北大学学位论文 论文一共分为六章。 第一章是绪论部分，首先介绍了本论文的研究背景和意义，然后介绍了有关声学定 位技术的国内外发展现状，着重介绍了有关水下无线传感器网络节点自定位系统与算法 的国内外发展现状。 第二章通过介绍几种不同原理的定位算法，并且对它们的优缺点进行了总结，确定 了漂浮式基站自主定位系统的定位算法，在此基础上提出了自主定位系统的总体设计方 案与技术指标。 第三章通过介绍水声信号的特征以及影响定位信号传输的主要因素，对水中漂浮式 基站自主定位系统中的定位信号进行了研究，尤其是信号的调制方式和编码方式。根据 系统的要求，主要对频分复用方式的定位信号进行了研究。 第四章主要是对自主定位系统的核心部分水声定位信号收发系统进行了研究， 重点设计了水声信号发射系统，该系统支持多种复用方式，具有扩展性。 第五章的内容是对采集到的定位信号进行数据处理，提出了一种基于采样点数差的 数据处理方法，并且通过实验证明该方法优于传统的相关检测方法。 第六章是对本论文所设计的漂浮式基站自主定位系统进行了室外试验，通过对数据 进行分析，该系统能够完成在一定距离范围内的自主定位。 8 中北大学学位论文 第二章漂浮式基站自主定位原理 由于浮标是水下目标定位的“参照物 ，需要对其进行精确的定位。但是与陆地标 志不同，水面浮标随时漂移，如何实现高精度的动态定位是水下定位系统中所面临的难 题。从节点是否获取自身位置信息的角度出发，目前的水下无线传感器网络节点自定位 技术可分为两类：基于g p s 的定位技术和无需g p s 的自定位技术1 。前者通过基站设施 或部分节点自身具备g p s 定位系统等手段，使得网内部分信标节点获取自身的精确地理 位置信息，并以此为参考点，通过定位算法产生整体绝对坐标系统。但在某些特殊的应 用环境下，g p s 信号受到干扰或为了追求低成本的情况下，该技术会受到一定的使用限 制。而后者的自定位技术，将网内节点纳入自己定义的坐标系中，产生整体相对坐标系 统田删，解决了成本的问题，适合在中小型水下通信定位系统中的应用。因此针对本系 统的特殊海洋环境，本论文采用了无需g p s 的自定位技术。实现了漂浮式基站的自主定 位。由于在无需g p s 的自定位系统中，定位算法有很多种，本章通过对不同算法的比较， 选择一种适合自主定位系统的定位算法，并且介绍了漂浮式基站自主定位系统的总体结 构。 2 1 自主定位系统的算法分类 在漂浮式基站自主定位系统中，采用无需g p s 技术的自定位技术，其定位算法通 常有以下分类口：根据定位过程中是否测量实际节点间的距离，把定位技术分为基于距 离的( r a n g e - b a s e d ) 定位算法和距离无关的( r a n g e - f r e e ) 定位算法口蝴1 ；根据各基站定 位的先后次序不同，把定位技术分为递增式的( i n c r e m e n t a l ) 定位算法和并发式的 ( c o n c u r r e n t ) 定位算法引；根据定位过程中是否使用信标节点，把定位技术分为基于信 标节点的( b e a c o n - b a s e d ) 定位算法和无信标节点的( b e a c o n - f i e e ) 定位算法m 1 。 由于本系统最终目的是通过计算漂浮式基站之间的相对距离来实现定位，因此系统 采用基于距离的定位算法，这类算法又分为：基于到达时间( t i m eo fa r r i v e ，t o a ) 的 定位汹】、基于到达时间差( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v e ，t d o a ) 的定位睁4 1 1 、基于到达角度 ( a n g l eo fa r r i v e ，a o a ) 的定位h 羽以及基于接收信号强度指示( r e c e i v e ds i n g l es t r e n g t h 9 中北大学学位论文 i n d i c a t i o n ，r s s i ) 的定位h 引。 ( 1 ) 在基于到达时间t o a 的定位机制中，已知定位信号的传播速度，根据定位信 号的传播时间来计算各浮标基站的距离，然后利用算法计算出各基站的位置瞳引。与无线 射频信号相比，声波的频率低，速度慢，在对漂浮式基站进行定位时，要求各个基站都 要保持精确的时间同步，因此对漂浮式基站的硬件和功耗提出了较高的要求。 ( 2 ) 在基于到达时间差t d o a 的定位机制中，基站发射定位信号，接收机根据发 射信号和接收信号到达的时间差以及定位信号在水中的传播速度，计算两个基站之间的 距离，再通过已有基本的定位算法计算出各漂浮式基站的位置瞳。t d o a 技术对硬件的 要求高，但是t d o a 技术的测量误差小，有较高的精确度，其典型的应用系统是c r i c k e t 系统和a h l o s 系统h 0 1 。 ( 3 ) 在基于到达角度a o a 的定位机制中，接收基站通过天线阵列或多个超声波接 收机感知发射基站信号的到达方向，计算接收基站和发射基站之间的相对方位或角度， 再通过三角测量法计算出节点的位置h 2 1 。a o a 定位不仅能够确定基站的坐标，还能提 供基站的方位信息。但是a o a 定位技术易受到外界环境的影响，且a o a 需要额外硬 件，在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络。 ( 4 ) 在基于接收信号强度指示r s s i 的定位中，已知发射基站的发射信号强度，接 收基站根据接收到信号的强度，计算出信号的传播损失，利用理论和经验模型将传输损 耗转化为距离，再利用已有的算法计算出基站的位置。虽然在实验环境中，r s s i 表现 出良好的特性，但是在现实环境中，温度、障碍物和传播模式等条件往往都是变化的， 使得该技术在实际应用中仍然存在困难，r a d a r 是一个基于r s s i 技术的典型室内定 位系统h 引。 选择哪种定位方法要根据实验环境、定位精度、硬件条件、定位距离等因素来确定， 但是最终目的是要得到满意的定位精度。综上所述，由于t d o a 定位机制的定位精度高， 测量误差小，因此本论文设计的漂浮式基站自主定位系统是基于t d o a 定位机制的定位 系统。 2 2 基于t d o a 的漂浮式基站自主定位的算法 1 0 中北大学学位论文 在基于t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 的定位机制中，发射节点同时发射2 种不 同传播速度无线信号，接收节点根据2 种信号到达的时间差以及已知这2 种信号的传播 速度，计算2 个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。在无 线传感器网络节点定位中，它一般由无线电波和声波共同来完成，因为两者的传播速度 差异巨大，在短距离范围内可近似认为无线电波传播时间为0 ( 必要的时候可以加以修 正补偿) ，所以很容易测得节点间的声波到达时间差。在水中通信中，由于声波仍是水 下唯一可以进行远程信息传输的媒体，所以无线电波的传播时间可以认为是0 h 钔。在漂 浮式基站自主定位系统中，它通过处理基站中的定位信号，比较信号在发射和接收之间 的时延差，得到各个基站之间的相对位置，从而实现无线传感器网络节点的自主定位。 采用t d o a 的定位算法具有隐蔽性好、定位精度高等特点。 在文献 2 4 的理论基础上，本文设计的漂浮式基站自主定位系统的具体算法原理如 下：定位系统由四个浮标基站组成，假设浮标基站p 。，p 。，p ：，p ，呈四面体分布，每个基 阵由水声信号收发系统和水声传感器阵列组成，如图2 1 所示。图中，以p 。为参考原点， p 。和p 。的连线为x 轴建立直角坐标系，将定位信标信号在浮标基站间传输速度设为1 ， 传输所用时间设为t 甜( i = o ，1 ，2 ，3 ；j = 0 ，1 ，2 ，3 ) 。 风( 而，泊，) p l ( 丑，n ，z 0 图2 1 自主定位原理示意图 1 1 岛( 而，乃，乃) 中北大学学位论文 则根据球面交汇原理可得到浮标基站p 。、p ：、p ，相对于基站p 。的位置关系如下： ( 五- x o ) 2 + ( m - y o ) 2 + ( z 1 - z o ) 2 = 乇c - ( 恐一x o ) 2 + ( 此- y o ) 2 + ( 乞一z o ) 2 = 东c 2 冀薹二爱二磐二芝二筹二雾 汜， ( 吒一五) 2 + ( 儿一乃) 2 + ( 乞一毛) 2 = 毛c 2 ( x 3 一五) 2 + ( 乃一m ) 2 + ( z 3 一z 1 ) 2 = 毛c 2 ( x 3 一j c 2 ) 2 + ( 乃- y 2 ) 2 + ( 乞- z 2 ) 2 = 磊c 2 式中，x o = y o = z o = 0 ，y 1 = 0 ，z l = 0 ，z 2 、z 3 、c 已知，t 岔为测量值。利用牛顿迭代 法解非线性方程组即可得到各个浮标基站位置坐标啪：( 毛，y l ，z l ；x 2 ，y 2 ，z 2 ；x a ，y 3 ，z 3 ) 。 确定浮标基站的相对位置后，当需要对其他传感器阵列进行目标定位时，采用声信 号传播的时延差和声信号在水中的传播速度来确定目标的相对位置，若以浮标基站的坐 标为基准，就可以建立起一个完整的空间坐标系。 2 3 自主定位系统的总体设计 2 3 1 系统的总体结构 由于t d o a 定位算法与其他基于距离的定位算法相比较，具有定位精度高的优势， 因此在本论文设计的漂浮式基站自主定位系统的基本思想是：通过测量基站的定位信号 在发射和接收时产生的时延差，根据t d o a 算法计算出各个基站之间的相对位置，从而 完成漂浮式基站的自主定位。 该水中漂浮式基站自主定位系统主要是由船载控制中心和水中漂浮式基站组成。船 载控制中心主要是由无线控制系统对各个基站进行无线控制，对于本定位系统，它的主 要作用是用无线电信号发射“时统 命令、发射“开始定位命令以及发射“开始接收 命令。而水中漂浮式基站主要由水声信号收发系统和水声换能器基阵( 包括发射换能器 和接收换能器) 组成。由于每个基站中都有发射换能器和接收换能器，因此每个发射换 能器均能向各个基站发射定位信号；同理，每个接收换能器都能接收各个基站所发射的 定位信号。基站的水声信号发射系统包括水声信号发射电路和发射换能器；水声信号接 1 2 中北大学学位论文 收系统包括水声信号接收电路、接收换能器。自主定位系统的结构图如2 2 所示： 发射换能器接收换能器 图2 2 漂浮式基站自主定位的系统结构图 整个定位系统的工作过程如下： ( 1 ) 在水中布放漂浮式基站阵列。其中基站的个数为4 个，漂浮在水中的基站位 置不固定。 ( 2 ) 由船载测控中心向各个基站发射无线电授时信号，使各个基站在统一的时间 基准下工作。 ( 3 ) 船载控制中心向各基站发送“开始定位 命令，触发各基站上的水声信号发 射电路，使之发射出定位信号。定位信号的各种参数要根据水声信号的特点、水声信道 的特性以及实验中所采用的水声换能器的性能参数来选择，包括其波形的选择、频率、 带宽和持续时间等等。当水声定位信号发射电路接收到“开始定位命令后，发射定位 信号，由发射换能器将电信号转换为声信号，进而在水中进行传播。 1 3 中北大学学位论文 ( 4 ) 之后，由船载控制中心发送水声定位信标信号“开始采集 命令，通过无线 电译码控制模块触发水声采集模块，浮标基站中的水声信号接收系统开始接收定位信 号，并记录开始采集时刻的时间。此时，接收换能器将接收到的声信号通过声一电转换， 把声信号转换为电信号，然后由前置放大器完成对定位信号的放大，经换能器转换后的 电信号由数据采集卡进行采集和存储。 ( 5 ) 采集到的定位信号通过无线电通信传回到船载测控中心，由主控计算机利用 软件处理的方式对各基站的数据进行处理。首先通过软