[發明專利]基于TOA測距和多普勒效應的水下傳感器節點定位方法

有效

• 申請號: 201710657205.0
• 申請日: 2017-08-03
• 公開（公告）號: CN107390171B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 孫海信;謝宇芳;齊潔;苗永春;許靜萱
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02;G01S5/14;G01S5/16;G01S5/18;G01S5/30
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森;曾權

1.基于TOA測距和多普勒效應的水下傳感器節點定位方法，其特征在于包括以下步驟：

1)信息預處理步驟，所述信息預處理是指待定位節點通過利用自身的速度將不同測量時刻上的實際信息與其在定位周期初始時刻上的位置關聯起來；所述待定位節點的速度由IMU傳感器測得，并且速度測量的時間間隔需要足夠小；不同錨節點的定位信標不能同步到達待定位節點，即測量信息的時刻是異步的；同一個錨節點的測量信息為節點間距離和多普勒頻移兩種；

所述信息預處理的步驟為：

步驟1：假設水下傳感器網絡中有Ns個錨節點和一個待定位節點，在一個定位周期內，所述待定位節點接收到N個錨節點發射的定位信標，并由定位信標測量到所述待定位節點和錨節點間距離和多普勒頻移信息，2≤N≤Ns，在(t₀,t₀+T)的定位周期內，假設第n個錨節點的位置為S_n(s_n,x,s_n,y,s_n,z)，n＝1,2,…,N，其定位信標到達所述待定位節點的時間是t_n，t₀≤t_n≤t₀+T，在t_n時刻，所測量到的所述節點間距離和所述多普勒頻移分別為和所述待定位節點的位置為此外，在所述(t₀,t₀+T)定位周期內，所述待定位節點通過所述IMU傳感器獲得M組速度測量，測量的時間間隔為Δt，則第m組速度測量發生的時刻為t₀+m·Δt，表示為v_m，因為Δt很小，所以認為t_n時刻待定位節點的速度為L_n為(t_n-t₀)/Δt的整數部分；

由于上述測量值都包含測量誤差，一般認為測量誤差服從參數已知的高斯分布，因此有：

式中，分別是實際的節點間距離、多普勒頻移，n_d,n、n_f,n分別是服從均值為0，方差為的高斯分布的測量誤差；

為了書寫簡便，將式(1)寫成矢量表達式：

其中，

步驟2：已知所述(t₀,t₀+T)定位周期內所述待定位節點的所有速度測量，則和之間具有以下關系：

在t_n時刻待定位節點與錨節點S_n(s_n,x,s_n,y,s_n,z)之間的相對位置為：

上式中除了是未知的之外，其他參數都是已知的，因此有：

因此，以上過程把估計所述待定位節點在所述(t₀,t₀+T)定位周期內的運動軌跡問題轉換為估計所述待定位節點在t₀時刻上的位置,然后，在已知所述(t₀,t₀+T)定位周期內所述待定位節點的所有速度測量的基礎上，把所述待定位節點在t₀時刻上的位置換算成任一時刻上的位置；

2)最大似然定位步驟，所述最大似然定位是指運用信息預處理所得到的關系式和測量信息構造最大似然函數，然后根據所述最大似然函數計算出待定位節點在定位周期初始時刻上的位置，最后結合待定位節點的速度估計出待定位節點在定位周期內的運動軌跡；

所述最大似然函數的構造方式為：

假設同一個錨節點的不同信息測量是相互獨立的，而且不同錨節點間的相同信息測量也是相互獨立的，由于和信息的測量誤差分別是服從均值為0，方差為的高斯分布，則所述待定位節點的未知位置P(p_x,p_y,p_z)與所述定位周期內獲得的所有測量值的聯合似然函數表示為：

式中，是的測量誤差協方差矩陣。