شبکه موقعیت یاب هدف زیرآب با استفاده از الگوریتم array-tdoa

تعیین موقعیت هدف در زیرآب دارای چالش‌های متفاوتی در مقایسه با فضای آزاد می‌باشد. متغیر بودن سرعت صوت در آب و نیز پایین بودن سرعت انتشار امواج صوتی در آب از جمله چالش‌های ارتباطات زیرآب می‌باشد. هدف از این مقاله، ارائه یک شبکه موقعیت‌یاب هدف زیرآب با استفاده از ساختار آرایه‌ حسگری و پیشنهاد الگوریتم تخمین موقعیت هدف بنام array-tdoa در شبکه موقعیت‌یاب ارائه شده می‌باشد. در این راستا، چالش متغیر بودن سرعت صوت در محیط زیرآب و نیز مسئله ناهمگامی هدف با حسگرهای شبکه بررسی می‌گردد. با در نظر گرفتن این دو چالش ساختاری برای شبکه حسگر زیرآب با استفاده از آرایه‌های حسگری پیشنهاد می‌گردد که قابلیت تعیین موقعیت اهداف ناهمگام با حسگرهای شبکه را دارا می‌باشد. در شبکه پیشنهادی، از روش شکل‌دهی پرتو در محیط ناهمگن زیرآب همراه با الگوریتم array-tdoa جهت تخمین موقعیت هدف استفاده می‌شود. همچنین، برای روش پیشنهادی حد کرامر-راو محاسبه می‌گردد. سپس، با انجام شبیه‌سازی در نرم‌افزار matlab، خطای تعیین موقعیت روش پیشنهادی با استفاده از معیار rmse محاسبه و با دقت روش‌ tdoa برای محیط‌های همگن و همچنین روش toa در محیط‌های ناهمگن مقایسه می‌گردد. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که شبکه پیشنهادی، با در نظر گرفتن ناهمگنی محیط زیرآب در تخمین موقعیت و شکل‌دهی پرتو، از دقت بسیار بالاتری، تقریباً نه برابر دقت روش‌ tdoa برای محیط‌های همگن برخوردار است. همچنین، نتایج بیانگر این است که در روش پیشنهادی می‌توان با افزایش تعداد حسگرهای درون آرایه‌ها از 4 به 25، با صرف 33% snr کم‌تر به مقدار خطای تخمین موقعیت مشخصی دست یافت.

underwater target location estimator network using array-tdoa algorithm

underwater target localization encounters different challenges compared to free-space networks. variable sound speed in an underwater medium and low propagation speed of acoustic waves are fundamental challenges of underwater communications. this paper aims to present a location estimator network for an underwater target using sensor arrays and propose the array-tdoa location estimation algorithm. for this purpose, the challenges of the variable sound speed in underwater medium and the sensors’ asynchrony with the target are examined. by considering these challenges, a network structure using sensor arrays is presented which has the capability of location estimation of an asynchronous underwater target. in the presented network, beamforming in an inhomogeneous underwater medium and the array-tdoa algorithm is applied to estimate the target location. moreover, the cramer-rao lower bound (crlb) is computed. then, the location estimation error of the proposed method based on the rmse criterion is computed and compared with that of the tdoa methods for homogeneous and also toa method for inhomogeneous environments through computer simulations in matlab. simulation results indicate that the proposed approach, which considers the inhomogeneity challenge in beamforming and location estimation is more accurate, approximately nine times the accuracy of tdoa based method for homogeneous environments. moreover, the results reveal that the increase in the number of sensors arrays from 4 to 25 leads to the same estimation error by consuming 33% less snr.