海洋测绘读书报告.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流海洋测绘读书报告.精品文档. 目录：前言：1论文概要：1研究背景和意义：1研究现状：2主要内容：2一2二3三7四9五11六12 前言： 读书报告主要的阅读书目是西安电子科技大学的硕士学位论文水下GPS定位技术作者李睿，指导老师刘乃安。 论文概要： 在研究水下定位技术、GPS定位技术以及无线传感器网络的基础上，将GPS定位技术引入水下定位系统，提出了基于无线传感器网络(WSN)的水下GPS定位技术研究，并对节点自定位算法进行研究提出了自己的算法，最后作者对WSN目标跟踪机制进行了阐述。 研究背景和意义： 充分地利用和开发海洋资源需要获取大范围、

2、高精度的海洋环境数据，需要进行海底勘探、取样、水下施工等；海洋观测、海洋水声研究、海底资源勘探开发、海洋生物资源开发、海洋能源利用、海洋交通、海洋结构研究、海水利用、海洋空间利用，以及深港技术等现代海洋高技术，构成了海洋技术应用的主要领域。 海洋定位是海洋测绘和海洋工程的基础。海洋定位主要包括光学定位、天文定位、陆基无线电定位（即卫星定位）和水声定位等手段。在现代海洋高技术的不断引入和支持下，海洋定位技术在海底环境探测、海洋工程建设、海洋资源开发、海洋科学发展以及国家海洋权益的维护等多方面都将发挥极其重要的作用。论文就是在这样的研究背景和意义下，将GPS定位技术引入水下定位系统，引入WSN技术

3、对浮标网络水下GPS长基线定位模型进行了改进，并对节点自定位算法进行了研究，提出了自己的算法。 研究现状：水声定位技术是目前水下定位的主流。现有的水声定位系统，跟据测量基线的长度分类，包括超短基线（USBL）、短基线（SBL）和长基线（LBL）方式；根据目标性质分类，包括针对合作目标的主动方式和针对非合作目标的被动方式。 其中，主动方式比被动方式定位精度要高，处理算法简单，需传输和处理的信息量小。实际应用表明，目前的水声定位设备普遍的存在着诸如布设、校准和维护困难，费时耗资，灵活性差，不能机动，定位精度不理想，作用范围有限，系统标定困难，无法满足特殊工程应用等问题。随着GPS技术、无线传感器网

4、络技术的广泛应用 ，突破传统水下定位技术的局限成为了可能。GPS定位技术是实施快速精确定位的最佳方法。 主要内容：一 作者首先仔细分析了水下定位技术的发展现状，研究GPS全球定位系统的构成和特点。对GPS定位系统的定位原理与定位误差进行探讨与分析。 水下声学手段，具体实现原理是测量沿不同路径传播的声脉冲时延或相差，通过相应定位算法进行定位。传统的水下声学定位系统根据其声信标或应答器几何配置的不同以及定位解算模型的不同，可分为长基线（Long Baseline-LBL）定位、短基线（ShortBaseline-SLB）定位、超短基线（Ultra Short Baseline-USLB）定位等。传

5、统的声学定位存在许多问题，诸如维护困难，精度差，范围有限等，难以充分满足现代海洋高技术发展的要求。水下GPS定位系统应运而生，它是高效经济、布网灵活、作用范围广、无需水下标定、能同时执行多个水下目标的跟踪定位任务的水下定位系统。二 水下GPS定位系统的功能实现依赖于GPS系统的应用，由此作者对GPS系统作出了介绍。GPS系统即“授时与测距导航/全球定位系统”是美国第二代卫星导航定位系统，该系统具有全球地面连续覆盖、功能多、精度高、实时定位速度快、抗干扰性能好、保密性强等以往系统不可比拟的优点。GPS整个系统分为卫星星座、地面控制与监控站、用户设备3个部分1)卫星星座：整个GPS系统包括，其中有

6、21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星2) 地面控制部分包括监测站、主控站（1个）和注入站（3个）3) 用户设备通常称为GPS接受机，主要由接收机硬件、数据处理软件以及微处理机及其终端组成. GPS定位原理对于GPS接收机而言，根据其运动状态可将GPS定位分为静态定位与动态定位。1) 绝对定位原理GPS绝对定位又称为单点定位，是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS84坐标系中的绝对位置。其基本原理是：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机天线所对应的位置。GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息，用户用GPS接收机在某一

7、时刻同时接受三颗以上的GPS卫星信号，测量出接收机天线中心P至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交汇法算出测站点P的位置。2)相对定位原理用两台或多台接收机分别放置在不同点上，其位置静止不动，通过一段时间的观测确定点间的相对位置关系，称为相对定位。GPS相对定位，是目前GPS测量中定位精度最高的定位方法。GPS静态相对定位是指用两台接收机分别安置在基线的两端点，其位置静止不动，同步观测相同的四颗以上GPS卫星，确定基线两端点的相对位置。在实际工作中，常常将接收机数目扩展到三台以上，同时测定若干条基线。这样做不仅提高了工作效率，而且增加了观测量，提高了观测成

8、果的可靠性。GPS动态相对定位，也称为差分定位，是指将一台接收机放置在基准站上固定不动，另一台接收机放置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。而运动点定位是通过确定该点相对基准站的位置实现的。其定位精度在小区域范围内（30km）可达12cm，是一种快速且精度高的定位方法。论文对GPS定位系统的误差来源也进行了阐述，总结起来包括：卫星星历误差，时钟误差，电离层传播误差，对流层折射误差，多径效应误差，天线相位中心偏移误差。 三 接着论文研究GPS定位技术的水下应用，将GPS技术引入水下定位系统，探讨两种水下GPS定位模型，从几何角

9、度研究基于声学的水下目标定位算法。 利用GPS技术对水下目标进行定位实际上是GPS定位的水下拓展，目前国内外正在研究的实用系统主要是基于GPS浮标网络的水下目标定位系统。利用浮标网络确定水下目标的位置，需要首先获得浮标基元自己的准确位置，传统上对浮标基元进行定位需要载具相应测向和测距设备的配合，装置体积较大，实际操作复杂，使用不灵活，并且定位精度不高，由此推算的水下目标位置在精度上也受到影响。而将GPS应用于水下目标定位，仅仅将GPS接收机作为一个位置传感器装载在浮标基元上，就可获得浮标基元的精确位置信息，进而通过某种定位算法便可获得水下目标的实时、精确位置。 从工作原理上分主要有两种：基于单

10、个GPS浮标的水下相对定位系统和基于GPS浮标网络的长基线水下定位系统，与此对应也有两种不同的定位模型。单浮标水下GPS相对定位模型 该系统是GPS定位和水声相对定位组合在一起的水下定位系统，它借助水声技术将GPS水面定位向水下延伸。定位精度与GPS水面定位在同一数量级。系统由装载GPS接收机和水声发射机的浮标、系缆和装载短基线单向测距基阵的水下目标三部分组成。浮标是GPS定位和水声相对定位组合的中间体，GPS定位数据只能在浮标上获得；将浮标的GPS定位信息高精度地延伸到水下目标上，一方面需要把浮标的GPS位置、时间等数据实时传送给水下目标，另一方面目标需要利用短基线阵列实时测定浮标与它的相对

11、位置数据；系缆是浮标和目标间传送数据和控制参数等信息的媒介。通过GPS接收机实时测量浮标的绝对位置，水下目标的短基线阵列实时测量目标与浮标的相对位置。同步控制模块使GPS定位与短基线水声定位协调同步工作，以保证浮标为两种定位的浮动中继站；水下目标利用系缆系连浮标，使其始终在目标上方有限水域浮动，并且提供电力和传输相关信息；安装在目标上的工控计算机利用两种定位数据以及浮标和目标的姿态数据，实时解算目标在水下的绝对位置。该系统目前主要用于对定位精度不是很高的情况（如水下潜艇）的自身定位。浮标网络水下GPS长基线定位模型该系统是通过GPS接收机获得基线阵元（即水面各浮标基元）的精确位置信息，再通过水

12、声技术测量得到水下目标到达浮标基元的距离（或到达浮标基元间的距离差），然后通过无线数据链路将有关数据传送到监测基站，进而在监测基站通过相应的定位算法解算出水下目标的实时位置信息。该系统是GPS水下定位第三章水下GPS定位技术应用的主要方式，它的主要特点是将传统的水下长基线定位系统“搬迁”到水面，而且浮标基元位置由其装载的GPS接收机获取，无需校正。系统是基于若干按一定形状布阵的电子浮标基元，通过高速无线数据链路连接而成的水下目标监测网络。它主要有干端和湿端两大部分组成，湿端是由基于GPS技术的智能电子浮标基元（GIB-GPS Intelligent Buoy）构成的长基线浮标网络，它主要完成对

13、目标声信号的检测和预处理；干端即监测基站（MMS-Monitor Measure Station），一般安装在飞行器或浮标网络附近的移动/固定平台上，两部分之间的信息传递通过高速无线数据链路完成。当需要对水下目标进行定位时监测基站搭载平台就进入指定海域，并将电子浮标按一定阵形结构布放到海里。系统启动后，根据该海域的水深及当时的海洋状况，监测基站通过指令控制电子浮标的传动机构将水听器放入合适的深度。各20水下GPS定位技术研究浮标基元通过GPS给自身定位，该位置信息连同测量得到的目标距离信息经过编码后通过无线链路发往干端监测基站。监测基站实时接收各浮标基元传送的数据，根据实时的阵形结构选择多个浮

14、标的数据来进行目标位置解算。水下目标定位算法：对合作目标而言，目标发射声波和浮标接收声波可以同步工作，通过测量目标到浮标的直线距离（需要说明的是由于声波传播速度和传播路径的变化，所测得的距离并不是真实距离，一般可称之为伪距），进而通过球面定位法即可解算出目标的位置；而对非合作目标而言，目标发射声波和浮标接收声波不能同步工作，需要测量目标到达两个浮标的距离差（该距离差也不是真实的距离差，一般称为伪距差），进而通过双曲面定位法来解算目标的位置。四 这样引出了论文的另一重要内容：利用无线传感器网络（WSN）对浮标网络水下GPS长基线进行改进。 对的定位模型进行改进，提出一种结合WSN技术的水下GPS

15、定位模型。 论文首先介绍了无线传感器网络，接着介绍了WSN体系结构，WSN节点，WSN系统结构和WSN协议体系，另外，论文还对WSN的特点，WSN的应用及其研究现状，WSN关键技术进行了介绍。基于WSN的水下GPS定位模型将浮标网络与水声定位技术、GPS卫星定位技术和无线传感器网络技术等先进技术进行科学综合，提出可有效地为大海域水下目标进行定位和跟踪的水下GPS定位系统的设想。该系统能够完成对水下移动点状单目标定位的功能。该系统由感应浮标、信标浮标、汇聚浮标、监控/管理中心组成，浮标结构分为水上部分与水下部分，两部分之间由系缆连接，一般由声学传感器、处理器模块、存储模块、无线模块以及能量模块组

16、成，信标浮标还增加了GPS模块。其典型工作方式如下：使用飞行器或舰船将大量浮标节点布放到目标区域，浮标节点在水面上通过无线通信模块自组织的快速形成一个无线传感器网络。信标浮标节点通过自身携带的GPS定位模块获取自身位置信息，感应浮标节点则根据自身与信标浮标节点的相对位置通过无线传感器网络节点自定位算法确定自身位置，随机分布的浮标节点借助水下部分的声学传感器对水下目标进行定位跟踪。在浮标网络中，每一个浮标节点既是定位信息的采集者和发出者，也充当定位信息的中转站，采集的定位数据在本地经过简单处理后通过多跳路由到达汇聚节点，我们称之为汇聚浮标节点。汇聚浮标节点是一个特殊的节点，可以通过互联网、移动通

17、信系统、卫星等与监控/管理中心通信，也可以利用无人机飞越网络上空或监测船驶入网络区域，通过汇聚浮标采集定位数据，监控/管理中心通过这些外部网络系统对定位数据进行收集记录与综合分析，选择多个节点浮标的定位数据进行目标位置解算；汇聚浮标节点也可以与外部网络进行交互，通过汇聚浮标节点可以对感应浮标节点进行查询请求和控制指令。这样就带来了浮标节点自身定位的问题，论文就此进行了研究。 无线传感器网络的定位分为两类：无线传感器网络节点自身定位；无线传感器网络对目标的定位。其中前者是后者的基础，后者是前者的具体应用。节点自身定位分为三边测量法，三角测量法，极大似然估计法三种。在传感器网络中，自身定位算法通常

18、有1)集中式与分布式。2)距离相关和距离无关。距离相关定位通过测量节点间点到点的距离或角度信息，使用三边测量定位法、三角测量定位法或最大似然估计定位法计算节点位置；距离无关定位则无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现。质心、DV-Hop、Amorphous、APIT是现有的4种重要的距离无关定位算法。距离无关的定位算法由于考虑到节点设计成本和能耗方面的需求并且定位性能受环境因素的影响小，更适合在大规模和复杂环境中的无线传感器网络中加以应用。相对于基于测距的定位算法，不基于测距的定位算法在定位精度上略逊一筹，但是试验证明，定位误差不超过节点射频范围的时，不影响无线传感器网络的整体工作性能

19、。 论文对四种Rang-Free算法性能进行了比较。五 至此作者提出一种距离无关的分布式定位算法BSR定位算法的设计。 作者设计了一种具有较高的精度并且不需要邻居节点间相互通信的分布式定位算法，称为BSR算法。BSR算法使用的锚节点以不同的能量等级广播信标信号。基于每个信标信号所包含的信息，各传感器节点可以确定自身是否处于相应的信标信号环的交叠区域内，通过有效交叉点的平均获得自身的估计位置。同时提出了两种扩展算法，称为DA-BSR算法与DW-BSR算法。通过改变ANR，DOI以及锚节点数量对两种扩展算法的性能进行了评估。通过改变路径损耗指数对两种算法的敏感度进行了分析。结果显示在大规模节点条件

20、下，BSR算法相比于APIT算法与质心算法具有更低的位置估计误差。六 最后作者阐述了WSN目标跟踪机制。 一个目标跟踪系统，在对目标进行跟踪时，首先必须使用传感器获取相关的原始数据，然后根据先验信息（数据库、数学模型等）对原始数据进行处理，从而确定目标的位置。 目标跟踪按照划分的标准不同可分为：单目标跟踪与多目标跟踪（跟踪对象），点目标跟踪与面目标跟踪（目标形状），静态目标侦测与移动目标跟踪（节点运动方式）。目标跟踪模型：双元检测传感器模型，目标位置估计模型，目标位置预测模型。目标跟踪过程：因为基于双元检测的传感器网络需要多个节点协作才能确定目标的位置信息。假设节点足够密集，则必有多个同时侦测

21、到目标的节点，目标就处于这些节点侦测范围的重叠区域。由于目标运动具有随机性，采用线形拟合的方法将目标运动近似为一条折线，通过大量节点的协作提高跟踪精度。读后感： 通过对这篇论文的研究，我获益匪浅。首先，我对水下声学定位有了一定的了解，加深了对GPS定位的理解，了解到传感器网络的一些基础知识，知道了基于无线传感器网络的水下GPS定位技术的工作方式，以及对目标跟踪机制的了解。 另外，作者提出了自己的算法，这启发我，在今后的研究学习中，要培养自己的创新能力，独立思维能力， 能研究出自己的成果，这样才真正达到了研究的目的！ 最后，通过对这篇论文的研读，加深了我对海洋测绘课上一些知识的理解，知道了一些知识具体是怎么应用的，这再次浓厚了我对海洋测绘的兴趣。 希望我能在今后的学习中，充实自己。P： 由于论文的论述需要一些图例进行说明，我选择了打字加复印，希望老师能谅解！ 谢谢！