海洋測繪讀書報(bào)告

21/21目錄：TOC\o"1-2"\h\u26313前言： 117964論文概要： 11761研究背景和意義： 110905研究現(xiàn)狀： 218077主要內(nèi)容： 229433一 227352二 320948三 78390四 96442五 1128035六 12前言：讀書報(bào)告主要的閱讀書目是西安電子科技大學(xué)的碩士學(xué)位論文《水下GPS定位技術(shù)》作者李睿，指導(dǎo)老師劉乃安。論文概要：在研究水下定位技術(shù)、GPS定位技術(shù)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將GPS定位技術(shù)引入水下定位系統(tǒng)，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的水下GPS定位技術(shù)研究，并對節(jié)點(diǎn)自定位算法進(jìn)行研究提出了自己的算法，最后作者對WSN目標(biāo)跟蹤機(jī)制進(jìn)行了闡述。研究背景和意義：充分地利用和開發(fā)海洋資源需要獲取大范圍、高精度的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行海底勘探、取樣、水下施工等；海洋觀測、海洋水聲研究、海底資源勘探開發(fā)、海洋生物資源開發(fā)、海洋能源利用、海洋交通、海洋結(jié)構(gòu)研究、海水利用、海洋空間利用，以及深港技術(shù)等現(xiàn)代海洋高技術(shù)，構(gòu)成了海洋技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域。海洋定位是海洋測繪和海洋工程的基礎(chǔ)。海洋定位主要包括光學(xué)定位、天文定位、陸基無線電定位（即衛(wèi)星定位）和水聲定位等手段。在現(xiàn)代海洋高技術(shù)的不斷引入和支持下，海洋定位技術(shù)在海底環(huán)境探測、海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)、海洋科學(xué)發(fā)展以及國家海洋權(quán)益的維護(hù)等多方面都將發(fā)揮極其重要的作用。論文就是在這樣的研究背景和意義下，將GPS定位技術(shù)引入水下定位系統(tǒng)，引入WSN技術(shù)對浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)水下GPS長基線定位模型進(jìn)行了改進(jìn)，并對節(jié)點(diǎn)自定位算法進(jìn)行了研究，提出了自己的算法。研究現(xiàn)狀：水聲定位技術(shù)是目前水下定位的主流?，F(xiàn)有的水聲定位系統(tǒng)，跟據(jù)測量基線的長度分類，包括超短基線（USBL）、短基線（SBL）和長基線（LBL）方式；根據(jù)目標(biāo)性質(zhì)分類，包括針對合作目標(biāo)的主動方式和針對非合作目標(biāo)的被動方式。其中，主動方式比被動方式定位精度要高，處理算法簡單，需傳輸和處理的信息量小。實(shí)際應(yīng)用表明，目前的水聲定位設(shè)備普遍的存在著諸如布設(shè)、校準(zhǔn)和維護(hù)困難，費(fèi)時(shí)耗資，靈活性差，不能機(jī)動，定位精度不理想，作用范圍有限，系統(tǒng)標(biāo)定困難，無法滿足特殊工程應(yīng)用等問題。隨著GPS技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，突破傳統(tǒng)水下定位技術(shù)的局限成為了可能。GPS定位技術(shù)是實(shí)施快速精確定位的最佳方法。主要內(nèi)容：一作者首先仔細(xì)分析了水下定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，研究GPS全球定位系統(tǒng)的構(gòu)成和特點(diǎn)。對GPS定位系統(tǒng)的定位原理與定位誤差進(jìn)行探討與分析。水下聲學(xué)手段，具體實(shí)現(xiàn)原理是測量沿不同路徑傳播的聲脈沖時(shí)延或相差，通過相應(yīng)定位算法進(jìn)行定位。傳統(tǒng)的水下聲學(xué)定位系統(tǒng)根據(jù)其聲信標(biāo)或應(yīng)答器幾何配置的不同以及定位解算模型的不同，可分為長基線（LongBaseline-LBL）定位、短基線（ShortBaseline-SLB）定位、超短基線（UltraShortBaseline-USLB）定位等。傳統(tǒng)的聲學(xué)定位存在許多問題，諸如維護(hù)困難，精度差，范圍有限等，難以充分滿足現(xiàn)代海洋高技術(shù)發(fā)展的要求。水下GPS定位系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它是高效經(jīng)濟(jì)、布網(wǎng)靈活、作用范圍廣、無需水下標(biāo)定、能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)水下目標(biāo)的跟蹤定位任務(wù)的水下定位系統(tǒng)。二水下GPS定位系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)依賴于GPS系統(tǒng)的應(yīng)用，由此作者對GPS系統(tǒng)作出了介紹。GPS系統(tǒng)即“授時(shí)與測距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有全球地面連續(xù)覆蓋、功能多、精度高、實(shí)時(shí)定位速度快、抗干擾性能好、保密性強(qiáng)等以往系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。GPS整個(gè)系統(tǒng)分為衛(wèi)星星座、地面控制與監(jiān)控站、用戶設(shè)備3個(gè)部分1)衛(wèi)星星座：整個(gè)GPS系統(tǒng)包括，其中有21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星地面控制部分包括監(jiān)測站、主控站（1個(gè)）和注入站（3個(gè)）用戶設(shè)備通常稱為GPS接受機(jī)，主要由接收機(jī)硬件、數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機(jī)及其終端組成.GPS定位原理對于GPS接收機(jī)而言，根據(jù)其運(yùn)動狀態(tài)可將GPS定位分為靜態(tài)定位與動態(tài)定位。絕對定位原理GPS絕對定位又稱為單點(diǎn)定位，是以地球質(zhì)心為參考點(diǎn)，確定接收機(jī)天線在WGS－84坐標(biāo)系中的絕對位置。其基本原理是：以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離觀測量為基準(zhǔn)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)來確定用戶接收機(jī)天線所對應(yīng)的位置。GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息，用戶用GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接受三顆以上的GPS衛(wèi)星信號，測量出接收機(jī)天線中心P至三顆以上GPS衛(wèi)星的距離并解算出該時(shí)刻GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，據(jù)此利用距離交匯法算出測站點(diǎn)P的位置。2)相對定位原理用兩臺或多臺接收機(jī)分別放置在不同點(diǎn)上，其位置靜止不動，通過一段時(shí)間的觀測確定點(diǎn)間的相對位置關(guān)系，稱為相對定位。GPS相對定位，是目前GPS測量中定位精度最高的定位方法。GPS靜態(tài)相對定位是指用兩臺接收機(jī)分別安置在基線的兩端點(diǎn)，其位置靜止不動，同步觀測相同的四顆以上GPS衛(wèi)星，確定基線兩端點(diǎn)的相對位置。在實(shí)際工作中，常常將接收機(jī)數(shù)目擴(kuò)展到三臺以上，同時(shí)測定若干條基線。這樣做不僅提高了工作效率，而且增加了觀測量，提高了觀測成果的可靠性。GPS動態(tài)相對定位，也稱為差分定位，是指將一臺接收機(jī)放置在基準(zhǔn)站上固定不動，另一臺接收機(jī)放置在運(yùn)動的載體上，兩臺接收機(jī)同步觀測相同的衛(wèi)星，通過在觀測值之間求差，以消除具有相關(guān)性的誤差，提高定位精度。而運(yùn)動點(diǎn)定位是通過確定該點(diǎn)相對基準(zhǔn)站的位置實(shí)現(xiàn)的。其定位精度在小區(qū)域范圍內(nèi)（<30km）可達(dá)1~2cm，是一種快速且精度高的定位方法。論文對GPS定位系統(tǒng)的誤差來源也進(jìn)行了闡述，總結(jié)起來包括：衛(wèi)星星歷誤差，時(shí)鐘誤差，電離層傳播誤差，對流層折射誤差，多徑效應(yīng)誤差，天線相位中心偏移誤差。三接著論文研究GPS定位技術(shù)的水下應(yīng)用，將GPS技術(shù)引入水下定位系統(tǒng)，探討兩種水下GPS定位模型，從幾何角度研究基于聲學(xué)的水下目標(biāo)定位算法。利用GPS技術(shù)對水下目標(biāo)進(jìn)行定位實(shí)際上是GPS定位的水下拓展，目前國內(nèi)外正在研究的實(shí)用系統(tǒng)主要是基于GPS浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的水下目標(biāo)定位系統(tǒng)。利用浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)確定水下目標(biāo)的位置，需要首先獲得浮標(biāo)基元自己的準(zhǔn)確位置，傳統(tǒng)上對浮標(biāo)基元進(jìn)行定位需要載具相應(yīng)測向和測距設(shè)備的配合，裝置體積較大，實(shí)際操作復(fù)雜，使用不靈活，并且定位精度不高，由此推算的水下目標(biāo)位置在精度上也受到影響。而將GPS應(yīng)用于水下目標(biāo)定位，僅僅將GPS接收機(jī)作為一個(gè)位置傳感器裝載在浮標(biāo)基元上，就可獲得浮標(biāo)基元的精確位置信息，進(jìn)而通過某種定位算法便可獲得水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)、精確位置。從工作原理上分主要有兩種：基于單個(gè)GPS浮標(biāo)的水下相對定位系統(tǒng)和基于GPS浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的長基線水下定位系統(tǒng)，與此對應(yīng)也有兩種不同的定位模型。單浮標(biāo)水下GPS相對定位模型該系統(tǒng)是GPS定位和水聲相對定位組合在一起的水下定位系統(tǒng)，它借助水聲技術(shù)將GPS水面定位向水下延伸。定位精度與GPS水面定位在同一數(shù)量級。系統(tǒng)由裝載GPS接收機(jī)和水聲發(fā)射機(jī)的浮標(biāo)、系纜和裝載短基線單向測距基陣的水下目標(biāo)三部分組成。浮標(biāo)是GPS定位和水聲相對定位組合的中間體，GPS定位數(shù)據(jù)只能在浮標(biāo)上獲得；將浮標(biāo)的GPS定位信息高精度地延伸到水下目標(biāo)上，一方面需要把浮標(biāo)的GPS位置、時(shí)間等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給水下目標(biāo)，另一方面目標(biāo)需要利用短基線陣列實(shí)時(shí)測定浮標(biāo)與它的相對位置數(shù)據(jù)；系纜是浮標(biāo)和目標(biāo)間傳送數(shù)據(jù)和控制參數(shù)等信息的媒介。通過GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)測量浮標(biāo)的絕對位置，水下目標(biāo)的短基線陣列實(shí)時(shí)測量目標(biāo)與浮標(biāo)的相對位置。同步控制模塊使GPS定位與短基線水聲定位協(xié)調(diào)同步工作，以保證浮標(biāo)為兩種定位的浮動中繼站；水下目標(biāo)利用系纜系連浮標(biāo)，使其始終在目標(biāo)上方有限水域浮動，并且提供電力和傳輸相關(guān)信息；安裝在目標(biāo)上的工控計(jì)算機(jī)利用兩種定位數(shù)據(jù)以及浮標(biāo)和目標(biāo)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算目標(biāo)在水下的絕對位置。該系統(tǒng)目前主要用于對定位精度不是很高的情況（如水下潛艇）的自身定位。浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)水下GPS長基線定位模型該系統(tǒng)是通過GPS接收機(jī)獲得基線陣元（即水面各浮標(biāo)基元）的精確位置信息，再通過水聲技術(shù)測量得到水下目標(biāo)到達(dá)浮標(biāo)基元的距離（或到達(dá)浮標(biāo)基元間的距離差），然后通過無線數(shù)據(jù)鏈路將有關(guān)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測基站，進(jìn)而在監(jiān)測基站通過相應(yīng)的定位算法解算出水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息。該系統(tǒng)是GPS水下定位第三章水下GPS定位技術(shù)應(yīng)用的主要方式，它的主要特點(diǎn)是將傳統(tǒng)的水下長基線定位系統(tǒng)“搬遷”到水面，而且浮標(biāo)基元位置由其裝載的GPS接收機(jī)獲取，無需校正。系統(tǒng)是基于若干按一定形狀布陣的電子浮標(biāo)基元，通過高速無線數(shù)據(jù)鏈路連接而成的水下目標(biāo)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。它主要有干端和濕端兩大部分組成，濕端是由基于GPS技術(shù)的智能電子浮標(biāo)基元（GIB-GPSIntelligentBuoy）構(gòu)成的長基線浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，它主要完成對目標(biāo)聲信號的檢測和預(yù)處理；干端即監(jiān)測基站（MMS-MonitorMeasureStation），一般安裝在飛行器或浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)附近的移動/固定平臺上，兩部分之間的信息傳遞通過高速無線數(shù)據(jù)鏈路完成。當(dāng)需要對水下目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)監(jiān)測基站搭載平臺就進(jìn)入指定海域，并將電子浮標(biāo)按一定陣形結(jié)構(gòu)布放到海里。系統(tǒng)啟動后，根據(jù)該海域的水深及當(dāng)時(shí)的海洋狀況，監(jiān)測基站通過指令控制電子浮標(biāo)的傳動機(jī)構(gòu)將水聽器放入合適的深度。各20水下GPS定位技術(shù)研究浮標(biāo)基元通過GPS給自身定位，該位置信息連同測量得到的目標(biāo)距離信息經(jīng)過編碼后通過無線鏈路發(fā)往干端監(jiān)測基站。監(jiān)測基站實(shí)時(shí)接收各浮標(biāo)基元傳送的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)的陣形結(jié)構(gòu)選擇多個(gè)浮標(biāo)的數(shù)據(jù)來進(jìn)行目標(biāo)位置解算。水下目標(biāo)定位算法：對合作目標(biāo)而言，目標(biāo)發(fā)射聲波和浮標(biāo)接收聲波可以同步工作，通過測量目標(biāo)到浮標(biāo)的直線距離（需要說明的是由于聲波傳播速度和傳播路徑的變化，所測得的距離并不是真實(shí)距離，一般可稱之為偽距），進(jìn)而通過球面定位法即可解算出目標(biāo)的位置；而對非合作目標(biāo)而言，目標(biāo)發(fā)射聲波和浮標(biāo)接收聲波不能同步工作，需要測量目標(biāo)到達(dá)兩個(gè)浮標(biāo)的距離差（該距離差也不是真實(shí)的距離差，一般稱為偽距差），進(jìn)而通過雙曲面定位法來解算目標(biāo)的位置。四這樣引出了論文的另一重要內(nèi)容：利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）對浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)水下GPS長基線進(jìn)行改進(jìn)。對的定位模型進(jìn)行改進(jìn)，提出一種結(jié)合WSN技術(shù)的水下GPS定位模型。論文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，接著介紹了WSN體系結(jié)構(gòu)，WSN節(jié)點(diǎn)，WSN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和WSN協(xié)議體系，另外，論文還對WSN的特點(diǎn)，WSN的應(yīng)用及其研究現(xiàn)狀，WSN關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹?；赪SN的水下GPS定位模型將浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)與水聲定位技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)綜合，提出可有效地為大海域水下目標(biāo)進(jìn)行定位和跟蹤的水下GPS定位系統(tǒng)的設(shè)想。該系統(tǒng)能夠完成對水下移動點(diǎn)狀單目標(biāo)定位的功能。該系統(tǒng)由感應(yīng)浮標(biāo)、信標(biāo)浮標(biāo)、匯聚浮標(biāo)、監(jiān)控/管理中心組成，浮標(biāo)結(jié)構(gòu)分為水上部分與水下部分，兩部分之間由系纜連接，一般由聲學(xué)傳感器、處理器模塊、存儲模塊、無線模塊以及能量模塊組成，信標(biāo)浮標(biāo)還增加了GPS模塊。其典型工作方式如下：使用飛行器或艦船將大量浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)布放到目標(biāo)區(qū)域，浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)在水面上通過無線通信模塊自組織的快速形成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。信標(biāo)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過自身攜帶的GPS定位模塊獲取自身位置信息，感應(yīng)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)則根據(jù)自身與信標(biāo)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相對位置通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位算法確定自身位置，隨機(jī)分布的浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)借助水下部分的聲學(xué)傳感器對水下目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤。在浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)既是定位信息的采集者和發(fā)出者，也充當(dāng)定位信息的中轉(zhuǎn)站，采集的定位數(shù)據(jù)在本地經(jīng)過簡單處理后通過多跳路由到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，我們稱之為匯聚浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)。匯聚浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，可以通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星等與監(jiān)控/管理中心通信，也可以利用無人機(jī)飛越網(wǎng)絡(luò)上空或監(jiān)測船駛?cè)刖W(wǎng)絡(luò)區(qū)域，通過匯聚浮標(biāo)采集定位數(shù)據(jù)，監(jiān)控/管理中心通過這些外部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行收集記錄與綜合分析，選擇多個(gè)節(jié)點(diǎn)浮標(biāo)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)位置解算；匯聚浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)也可以與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，通過匯聚浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以對感應(yīng)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢請求和控制指令。這樣就帶來了浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身定位的問題，論文就此進(jìn)行了研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位分為兩類：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)的定位。其中前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的具體應(yīng)用。節(jié)點(diǎn)自身定位分為三邊測量法，三角測量法，極大似然估計(jì)法三種。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，自身定位算法通常有1)集中式與分布式。2)距離相關(guān)和距離無關(guān)。距離相關(guān)定位通過測量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信息，使用三邊測量定位法、三角測量定位法或最大似然估計(jì)定位法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置；距離無關(guān)定位則無需距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實(shí)現(xiàn)。質(zhì)心、DV-Hop、Amorphous、APIT是現(xiàn)有的4種重要的距離無關(guān)定位算法。距離無關(guān)的定位算法由于考慮到節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成本和能耗方面的需求并且定位性能受環(huán)境因素的影響小，更適合在大規(guī)模和復(fù)雜環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中加以應(yīng)用。相對于基于測距的定位算法，不基于測距的定位算法在定位精度上略遜一籌，但是試驗(yàn)證明，定位誤差不超過節(jié)點(diǎn)射頻范圍的時(shí)，不影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體工作性能。論文對四種Rang-Free算法性能進(jìn)行了比較。五至此作者提出一種距離無關(guān)的分布式定位算法BSR定位算法的設(shè)計(jì)。作者設(shè)計(jì)了一種具有較高的精度并且不需要鄰居節(jié)點(diǎn)間相互通信的分布式定位算法，稱為BSR算法。BSR算法使用的錨節(jié)點(diǎn)以不同的能量等級廣播信標(biāo)信號?；诿總€(gè)信標(biāo)信號所包含的信息，各傳感器節(jié)點(diǎn)可以確定自身是否處于相應(yīng)的信標(biāo)信號環(huán)的交疊區(qū)域內(nèi)，通過有效交叉點(diǎn)的平均獲得自身的估計(jì)位置。同時(shí)提出了兩種擴(kuò)展算法，稱為DA-BSR算法與DW-BSR算法。通過改變ANR，DOI以及錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量對兩種擴(kuò)展算法的性能進(jìn)行了評估。通過改變路徑損耗指數(shù)對兩種算法的敏感度進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示在大規(guī)模節(jié)點(diǎn)條件下，BSR算法相比于APIT