随着人类对海洋战略地位、海洋资源开发、海洋科学研究价值认识的深化,世界各国都将对海洋的关注度提高到前所未有的战略高度。我国也提出建设“海洋强国”的战略目标。其中,海域安全保障、海洋搜救支援和海洋生物监测保护等重要任务的完成都依赖于大范围水域监测。水声定位技术作为水域监测的关键技术之一受到了人们的广泛关注。然而,严峻的水下环境使得水声定位存在诸多挑战:由于水下GPS系统的缺失与水下设备时钟差异的存在,和水声定位密切相关的时钟同步仍然有待解决;水下声速随海水温度、盐度、静压力等因素变化,其中,温度影响最大,且具有季变化和日变化等特性,三种因素的综合作用导致水下声速具有时、空变化特性,即水下声速是不确定的;海水温度、盐度以及静压力都随海水深度变化,因此,水下声速可刻画为随深度变化的量,这使得水下声线传播的轨迹不是直线,而是曲线;水下设备(锚节点)因洋流作用而具有位置不确定性,其位置误差引起定位性能的下降。本文考虑由水面浮标和水下传感网组成的新型分布式多基地声呐系统。水面浮标分为两类:第一类扮演“水下GPS”与网关的角色,为水下节点提供时钟同步、定位、以及数据收集的服务;第二类称为声呐浮标,扮演主动声呐的角色,作为水下目标定位的声源。水下传感网以分簇的形式作为接收基站。每一个簇都可作为声呐系统的接收基站,与相应的声呐浮标组成分布式单输入多输出(SIMO)声呐系统。基于该新型分布式多基地声呐系统分两步实现水下目标定位。第一步,基于第一类水面浮标组成的水声定位系统,实现水下传感器节点定位、时钟同步与相应声速估计,以支持水下目标定位。第二步,基于已定位的水下传感器簇与水面声呐浮标组成的SIMO声呐系统,实现水下目标定位。水下传感网的各簇作为分布式多基地声呐系统的接收基站,其位置的准确性关系着其感知数据的意义和水下目标定位的性能。因此,水下传感网各节点的自定位极其重要。此外,时钟同步与水下节点自定位紧密耦合,综合考虑时钟同步与自定位有利于提升定位性能。因此,在第一步中,针对水下声速不确定性和水下声线弯曲两个挑战,基于水面浮标组成的水声定位系统,提出了如下两种水声定位与时钟同步算法:1.浅海环境中,水下声速可近似为具有不确定性的常数。基于水面浮标组成的水声定位系统,综合考虑具有不确定性的水下常声速与时钟异步,水下节点被动接收水面浮标的广播信号,实现水下声速估计、时钟同步与节点自定位。2.深海环境中,假设随深度线性变化(等梯度声速剖面)的水下声速模型可有效近似真实水下声速。基于水面浮标组成的水声定位系统,综合考虑未知的水下线性声速、水下声线弯曲以及时钟异步,水下节点被动接收水面浮标的广播信号实现声速估计、时钟同步以及节点自定位。上述所提两种算法的创新性在于实现水下节点定位的过程中,综合考虑了声速不确定性与时钟异步的影响,估计出了时钟参数与水下声速参数,提升了水下节点定位性能。在第二步“水下目标定位”的过程中,假设水下声速为深度的线性函数,其参数变化缓慢,与第一步中估计的水下声速参数保持一致。因此,在第二步中,假设水下线性声速已知,重点考虑声线弯曲、水下节点位置不确定性以及时钟异步对水下目标定位的影响,考虑三种情况,提出三种水下目标定位算法:1.假设水下中心节点(如:水下潜器)为了自身的安全需保持安静,综合考虑水下声线弯曲、时钟异步等因素对水下目标定位的影响,利用水下节点时钟梯度的统计特性,提出空间交替广义期望最大水下目标定位(SAGE-UTL)算法,实现水下目标定位与水下中心节点的时钟梯度估计。2.在无需考虑水下中心节点自身安全的情况下,综合考虑水下声线弯曲、时钟异步等因素对水下目标定位的影响,水下中心节点广播以增加测量量,提出基于非线性加权最小二乘的水下目标定位(NWLS-UTL)算法,实现水下目标定位与水下节点时钟梯度估计。3.在无需考虑水下中心节点自身安全的情况下,综合考虑洋流导致的水下节点位置不确定性、水下声线弯曲以及时钟异步等因素,提出一种水下目标定位与时钟同步(UTLS)算法,实现水下目标定位与水下节点时钟同步。上述所提三种算法的创新性在于有效的降低了时钟异步、声线弯曲以及水下节点位置不确定性对水下目标定位的影响。