[發明專利]基于單移動信標的水下傳感器網絡節點定位方法

在審

• 申請號: 202210470037.5
• 申請日: 2022-04-28
• 公開（公告）號: CN114827937A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 郭瑛;牛龍生;王景景;張瑞;劉鵬;徐敬祥;曹洪堂
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: H04W4/38
• 分類號: H04W4/38;H04W4/02;H04B13/02
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 韓麗萍

本發明涉及一種基于單移動信標的水下傳感器網絡節點定位方法，步驟包括：將信標節點固定于船舶，并向水下節點發送信息，根據傳播損失通過迭代法計算水下節點與信標節點距離M1A；設定水下節點所在位置A距離海平面的垂直距離h_AB，計算信標節點從位置M(i)移動到M的距離，計算得到MB(i)的值，通過加權平均計算可得MB；設置信標節點和水下節點的三維坐標，設置信標節點運動的主要軌跡和輔助軌跡；并根據輔助軌跡的長度H判定正確的主要軌跡用于定位，計算水下節點的坐標。該定位方法通過船載信標與未知水下節點間的多次通信，消除了信標節點部署難題，減小了測距誤差對定位結果的影響，定位精度相比傳統定位方法進一步提高。

技術領域

本發明屬于水下節點定位領域，具體涉及一種基于單移動信標的水下傳感器網絡節點定位方法。

背景技術

水下傳感器網絡(UWSNs)是指一組用來記錄和探測水下環境數據的傳感器節點組成的網絡，可與浮標或基站交換信息，實現設備間通信、數據采集等功能。節點的位置信息使得監測數據有意義，同時也是包括路由和網絡覆蓋等無線網絡應用的先決條件。這些節點可分為兩類，一類是信標節點，可以通過GPS等獲取自身位置信息；另一類是普通節點，通常是低成本、低功耗、內存有限的。在UWSNs中，信號發送的能耗大大高于被動接收信號的能耗，因此，普通節點被動的接收信號是一種節約能量的方案，而信標節點作為信號的發起者，應該能夠覆蓋整個區域。

水下環境復雜，信標節點的位置也會隨水流而變化，難以精確部署。在水下無線傳感器網絡中，水聲信道具有帶寬窄、高傳播延遲、嚴重的多徑散射等特殊性，會導致較大的測距誤差，從而極大影響基于測距的定位算法的精度。另外，海洋中存在洋流、潮汐等現象，使得傳感器節點在部署后往往是移動的，相比于節點靜止的情況，定位過程更為復雜。由于水下節點是移動的，在移動傳感器網絡領域，研究集中在節點位置的迭代求解，會產生累積誤差。

定位算法中最常用的是三邊定位，然而這種方法對信標的分布有額外的限制，即信標必須分布在不共線的三個點上，這個要求雖然在理論上較容易滿足，但實際移動信標的場景卻有可能產生三個共線或近似共線的信標，使用這樣的信標進行節點坐標的計算會有較大的誤差。一些定位算法采用進化算法等對三邊定位的結果進行優化，以得到更好的穩定性和精度，但計算復雜度較高。

與本研究內容較相似的是由Sun yanlong等人于2019年提出的一種定位算法，其提出的一種基于單移動信標的定位方法，通過節點收到的一系列RSSI測量值采用支持向量回歸擬合出一條曲線，并與參考曲線庫中的參考曲線進行比對確定節點到信標移動軌跡的垂直距離，參考曲線庫是提前建立的，分辨率為1米。該算法有別于傳統的三邊定位，但未解決定位中的鏡像誤差，在路徑的設計上依然需要改進。

發明內容

為了解決現有技術中存在的水下傳感器網絡節點定位問題，減少海洋中信標節點部署困難以及節點隨水流移動對定位造成的影響，本發明提出了一種基于單移動信標的水下傳感器網絡節點定位方法，該定位方法通過船載信標與未知節點間的多次通信，消除了信標節點部署難題，減小了測距誤差對定位結果的影響，定位精度相比傳統定位方法進一步提高。

本發明的技術方案是：

一種基于單移動信標的水下傳感器網絡節點定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步驟：

(1)將信標節點固定安裝于船舶，在M(i)位置分別向待定位的水下節點發送信息，水下節點接收到信息，并計算傳播過程中的傳播損失TL＝ps-pr (1)，其中，ps為信息發送初始能量，pr為接收到信息的能量；

根據水聲通信中的傳播損失TL＝n*10lgd+10lg a(f)*d*10^-3 (2)以及系數a(f)的經驗公式通過迭代法求解公式(1)至(3)，計算得到水下節點與信標節點之間的距離d；其中，n為常數，f為信息發送的頻率；