[發明專利]基于多普勒頻移估計的水下節點被動運動速度估計方法

有效

• 申請號: 201910677308.2
• 申請日: 2019-07-25
• 公開（公告）號: CN110501694B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 李德識;黃威;陳健;劉鳴柳;孟凱濤;陳浩樂
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01S11/14
• 分類號: G01S11/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

本發明公開了一種基于多普勒頻移估計的水下節點被動運動速度估計方法，包括設當前進行第k次定位，建立基于到達時間差TDOA的定位模型，獲得第k?1次定位過程中水下的傳感節點與參考浮標節點的通信時刻信息，計算第k?1次定位過程傳感節點定位位置；根據第k?1次定位到第k次定位過程中獲得的多普勒頻移測量值和參考浮標節點實際運動速度矢量，計算傳感節點實際運動速度矢量在第k?1次定位過程中傳感節點位置與參考浮標節點位置連線上的投影分量；估計傳感節點從第k?1次定位過程到第k次定位過程的實際運動速度矢量；得到第k次定位過程到第k+1次定位過程期間傳感節點實際運動速度矢量預測值，并預測節點實時位置。

技術領域

本發明屬于水下傳感網絡定位領域，尤其涉及基于多普勒頻移估計的水下節點被動運動速度矢量估計方法。

背景技術

海洋是地球上巨大的資源寶庫，而人類對于海洋的認識與調查還不到10％，巨大的海洋等待人類的認知、開發與利用。海洋環境監測、海洋資源開發和海洋權益保護成為各個國家的重大戰略需求。水下巨大的壓強和龐大區域范圍，不適宜人類直接長期作業，而隨著嵌入式系統的發展，水聲通信和信號處理技術的進步，水聲通信傳感網絡成為實現深海油井勘探、地震觀測、水文環境監測、水下導航、水下救援等應用的重要手段。

在水聲通信傳感網絡中，定位功能是不可或缺的，一方面，控制中心需要知道網絡節點的位置信息以便進行回收與維護，另一方面，傳感數據配有位置信息才更具有實用意義。然而由于水體具有流動性，水下節點會被動地隨水體移動，需要周期性執行定位過程來保持定位位置的準確性。

為了預測節點在相鄰兩次定位過程之間任意時刻所在位置，需要對節點被動運動速度矢量進行估計。傳統的節點運動速度矢量預測方法主要有兩種，第一種方法根據本節點過去的定位位置信息，獲得過去節點運動速度信息，采用維納濾波器對節點未來運動速度矢量進行預測。這一方法的節點運動速度矢量估計精確度取決于定位準確度，若定位系統測距定位誤差增大，則會對節點運動速度矢量估計造成很大影響。第二種方法根據目標節點鄰居節點的運動速度信息，采用加權平均的方式來估計目標節點的運動速度。這一方法需要每個節點在定位階段至少額外廣播一次含有自身速度信息的數據包，增加了網絡通信負擔和節點能量開銷。

實際海洋或河流水體中，不同深度水體流速不同，因此各深度節點之間存在相對運動，在相鄰兩次定位中，可利用信號多普勒頻移對發送和接收節點相對運動情況進行估計，當節點獲得多個參考節點的相對運動信息時，可進一步對其真實運動速度矢量進行估計。專利CN201710657205公開了一種基于TOA測距和多普勒效應的水下傳感器節點定位方法，其中節點運動速度由傳感器測量獲得，多普勒頻移測量值被用作定位模型參數來提高定位精度。本發明專利與上述專利不同之處在于，本發明專利公開了一種基于多普勒頻移估計的水下節點被動運動速度矢量估計方法，是一種新的節點運動估計方法，被用于節點的位置預測。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供一種基于多普勒頻移估計的水下節點被動運動速度矢量估計方法，目的在于解決水下節點因水流影響產生被動運動導致定位信息失效的問題。

本發明的技術方案提供一種基于多普勒頻移估計的水下節點被動運動速度估計方法，包括以下步驟：

步驟1，設當前進行第k次定位，建立基于到達時間差TDOA的定位模型，獲得第k-1次定位過程中水下的傳感節點與參考浮標節點的通信時刻信息，計算第k-1次定位過程傳感節點定位位置；

步驟2，根據步驟1所得傳感節點與參考浮標節點的通信時刻信息，以及第k次定位過程傳感節點與參考浮標節點的通信時刻信息，測量多普勒頻移；

步驟3，根據步驟2所得多普勒頻移測量值，以及第k-1次定位過程和第k次定位過程中參考浮標節點實際運動速度矢量，計算傳感節點實際運動速度矢量在第k-1次定位過程中傳感節點位置與參考浮標節點位置連線上的投影分量；