一种无时间同步的环路辅助水下定位方法技术

本发明专利技术公开了一种无时间同步的环路辅助水下定位方法，首先每个节点通过发送一次HELLO消息与一次测距消息，完成链路对称性探测以及获取对称链路长度。然后，水面锚节点发送一次自身坐标信息，利用距离与坐标信息完成部分节点的定位，得到定位的节点亦发送一次自身坐标信息，进行迭代定位。最后，针对仍未得到定位节点采用环路辅助方法，得到非对称链路连接的邻居节点的坐标与距离，并借此完成定位。得到定位后的节点将发送一次自身坐标信息，引发新的迭代过程，进一步扩大定位覆盖面，并完成整个定位过程。本发明专利技术可以满足高精度、高覆盖面的定位需求。在无时间同步的条件下，有效消除水下非对称链路对节点定位的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种无时间同步的环路辅助水下定位方法
本专利技术属于水下声通信
，涉及一种水下声通信传感器网络的节点定位方法，具体涉及一种无时间同步的环路辅助水下定位方法。
技术介绍
随着人类科学技术的发展，陆地可开采的资源日渐匮乏，开发利用水下资源成为必然趋势。其中水下声通信传感器网络是一种探索水下世界的有效方式，具有覆盖范围广、数据准确实时以及操作灵活等优点，在各个领域有着广泛的应用前景。水下声通信传感器网络中，节点的位置信息十分重要，结合了位置信息的传感器数据更具有实际应用价值。如何精确有效的获取水下节点的位置信息成为水下声通信传感器网络应用的难题之一。现有的水下定位技术包括无需测距的定位技术与基于测距的技术，其中基于测距的定位技术绝大部分需要时间同步，而时间同步在水下环境中很难实现。无需测距的定位技术虽不需要时间同步，但是定位精度较低，难以满足高精度应用的需求。少量不需要时间同步的基于测距的定位技术分为基于达到时间差测距的定位技术以及基于双向到达时间测距的定位技术。基于达到时间差测距的定位技术难以应用在大规模的水下网络中，给实际应用带来限制。现有的基于双向到达时间测距的定位技术无法处理水下非对称链路的测距问题，不能达到较高的定位覆盖面。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种无时间同步的环路辅助水下定位方法，其目的在于，有效避免时间同步，并实现大范围网络的精确定位。本专利技术所采用的技术手段是：一种无时间同步的环路辅助水下定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搭建水下声通信传感器网络，所述的水下声通信传感器网络由两种节点构成：一种为普通节点，另外一种为锚节点，其中普通节点为需要定位的节点，锚节点为已知位置信息的水面节点；步骤2：采用链路探测机制进行链路探测，首先利用包括普通节点和锚节点在内的每个节点发送一次HELLO消息获取该节点的上游节点号，然后每个节点通过发送一次测距消息获取链路对称性状态并依据双向到达时间测距的原理得到对称链路的长度；步骤3：利用每一个锚节点主动发送一次坐标信息，完成靠近水面锚节点并可通过对称链路进行定位的普通节点的定位；步骤4：步骤3中得到定位的普通节点也发送坐标信息，进入迭代定位过程，完成其他可通过对称链路进行定位的普通节点的定位；步骤5：判断是否有未定位的普通节点，若无未定位的普通节点，则完成定位过程；若仍然有未定位的普通节点，继续下面的步骤6；步骤6：对于仍未得到定位的普通节点，利用环路辅助定位机制寻找一个包含了未知节点和非对称链路链接的邻居节点的环路，环路中除了该未知长度的非对称链路之外，其他链路长度都可知，借助该环路的总延时和已知链路的长度来估算非对称链路的长度，并加以利用对仍未得到定位的普通节点进行定位；步骤7：判断步骤6中是否有新的普通节点得到定位，若无新普通节点得到定位，则完成定位过程；若有新普通节点得到定位，则得到定位的普通节点将发送坐标信息进行新的迭代过程，随后完成定位过程。作为优选，步骤1中所述的水下声通信传感器网络由两种节点构成：一种为普通节点，另外一种为锚节点，所述的需要定位的普通节点随机布置在水下三维环境中，所述的锚节点均匀分布在水面上，每个锚节点都可以直接接受到GPS信号直接得到位置，并配备有水声调制解调器与所述的普通节点通信，每个普通节点都可以通过水声信道进行通信。作为优选，所述的锚节点的数量少于所述的普通节点的数量。作为优选，步骤2中所述的链路探测机制，目的是在无时间同步条件下，获取链路对称性状态与对称链路长度为后续定位阶段服务；包括普通节点和锚节点的每个节点都配备上游节点表和下游节点表，首先每个节点发送一次发包含自身节点号的HELLO消息，当其余节点收到HELLO消息后解析出HELLO包中的节点号加入自己的上游节点表中，并记录本地接收时间；每个节点在发送HELLO消息的同时需要记录自身的本地发送时间，若节点在设定时间内收不到HELLO消息，并且该节点上游节点表不为空，就发送测距消息，其余节点接收到测距消息后检查上游节点号中是否有自己的节点号，如果有则将发送节点号加入到自身下游节点表中，并根据时间计算对应的链路长度保存在下游表中；其中下游节点表中的节点与自己之间都是对称链路。作为优选，所述的测距消息的格式包含了消息类型、发送节点号、上游节点号和处理时间，所述的处理时间为HELLO消息接收时间与测距消息发送时间的差值。作为优选，步骤3中所述的完成靠近水面锚节点并可通过对称链路进行定位的普通节点的定位，采用的方法是锚节点直接定位方法，其具体实现过程为每个锚节点在链路检测阶段结束后发送一次位置信息，普通节点收到位置信息后就检查节点号是否在下游节点表中，若在，则代表是对称链路并将坐标与距离加入定位列表中，当定位列表中有3个投影不共线的锚节点坐标时就可以得到定位；通过锚节点直接定位方法，能够直接被锚节点定位的普通节点完成了定位，一些没有得到定位的普通节点的定位列表中也有了部分定位信息待用。作为优选，步骤4中所述的迭代定位，其具体实现过程为：在锚节点直接定位方法中得到定位的普通节点会在定位之后发送一次位置信息，与锚节点直接定位方法类似，其余普通节点接收到定位信息就会加以处理，完善自己的定位列表，只要定位列表满足了定位条件，该节点即可得到定位并发送一次位置信息，这样依次迭代下去，通过迭代定位方法，其他可通过对称链路进行定位的普通节点完成了定位；并且少量仍然未得到定位的普通节点的定位列表中也有了部分定位信息待用。作为优选，步骤6中所述的环路辅助定位机制，所述的水下声通信传感器网络中的普通节点在等待设定时间T后仍然未得到定位，将首先检查下游节点表，满足下游节点表不为空的普通节点将会发送环路测距请求包，其余包括普通节点和锚节点的节点收到环路测距请求包后，对环路测距请求包不直接进行转发，而是需要对环路测距包进行修改，然后发送；若该节点发现自身与该发送环路测距请求包的普通节点之间为对称链路，则将环路测距请求包修改为上游环路测距包；若该节点发现自身与该发送环路测距请求包的普通节点之间为非对称链路并且该节点已经得到定位，则将环路测距请求包修改为下游环路测距包；这样可以让对称链路链接的一跳节点继续寻找环路，从而完成对非对称链路链接的上游节点的测距，而让非对称链路链接的一跳节点转而寻找与源节点为对称链路链接的节点并将自身的坐标与距离信息传递到源节点，从而完成对非对称链路链接的下游节点的测距；上游环路测距包和下游环路测距包统称为环路测距包；收到环路测距包的普通节点或锚节点，首先检查发送节点与自己之间是否为对称链路，如果不是就继续判断发送者和自己是否都已经得到定位，若还不满足则直接丢弃；如果为对称链路或者发送者和自己都已经得到定位，则代表两者之间的链路长度可知，那么就再判断自己是否是是目的节点，如果不是目的节点就更新中继信息和发送节点信息并转发，如果是目的节点就需要继续判断包的类型；若为上游环路测距包就进一步判断节点是否已经定位，若已定位直接发送应答包，若该节点未得到定位则保存消息并等到定位后再发应答包，若为下游环路测距包就直接发应答包，普通节点收到应答包后即可得到定位信息。本专利技术的创新之处在于：(1)少量的锚节点均匀分布在水面上，每个锚节点都可以直接接受到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无时间同步的环路辅助水下定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搭建水下声通信传感器网络，所述的水下声通信传感器网络由两种节点构成：一种为普通节点，另外一种为锚节点，其中普通节点为需要定位的节点，锚节点为已知位置信息的水面节点；步骤2：采用链路探测机制进行链路探测，首先利用包括普通节点和锚节点在内的每个节点发送一次HELLO消息获取该节点的上游节点号，然后每个节点通过发送一次测距消息获取链路对称性状态并依据双向到达时间测距的原理得到对称链路的长度；步骤3：利用每一个锚节点主动发送一次坐标信息，完成靠近水面锚节点并可通过对称链路进行定位的普通节点的定位；步骤4：步骤3中得到定位的普通节点也发送坐标信息，进入迭代定位过程，完成其他可通过对称链路进行定位的普通节点的定位；步骤5：判断是否有未定位的普通节点，若无未定位的普通节点，则完成定位过程；若仍然有未定位的普通节点，继续下面的步骤6；步骤6：对于仍未得到定位的普通节点，利用环路辅助定位机制寻找一个包含了未知节点和非对称链路链接的邻居节点的环路，环路中除了该未知长度的非对称链路之外，其他链路长度都可知，借助该环路的总延时和已知链路的长度来估算非对称链路的长度，并加以利用对仍未得到定位的普通节点进行定位；步骤7：判断步骤6中是否有新的普通节点得到定位，若无新普通节点得到定位，则完成定位过程；若有新普通节点得到定位，则得到定位的普通节点将发送坐标信息进行新的迭代过程，随后完成定位过程。...

【技术特征摘要】
1.一种无时间同步的环路辅助水下定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搭建水下声通信传感器网络，所述的水下声通信传感器网络由两种节点构成：一种为普通节点，另外一种为锚节点，其中普通节点为需要定位的节点，锚节点为已知位置信息的水面节点；步骤2：采用链路探测机制进行链路探测，首先利用包括普通节点和锚节点在内的每个节点发送一次HELLO消息获取该节点的上游节点号，若节点在设定时间Thello_wait内收不到HELLO消息，并且该节点上游节点表不为空，就发送测距消息；然后发送测距消息的节点通过发送一次测距消息获取链路对称性状态并依据双向到达时间测距的原理得到对称链路的长度；步骤3：利用每一个锚节点主动发送一次坐标信息，完成靠近水面锚节点并可通过对称链路进行定位的普通节点的定位；步骤4：步骤3中得到定位的普通节点也发送坐标信息，进入迭代定位过程，完成其他可通过对称链路进行定位的普通节点的定位；步骤5：判断是否有未定位的普通节点，若无未定位的普通节点，则完成定位过程；若仍然有未定位的普通节点，继续下面的步骤6；步骤6：对于仍未得到定位的普通节点，利用环路辅助定位机制寻找一个包含了未知节点和非对称链路链接的邻居节点的环路，环路中除了该未知长度的非对称链路之外，其他链路长度都可知，借助该环路的总延时和已知链路的长度来估算非对称链路的长度，并加以利用对仍未得到定位的普通节点进行定位；其中所述的环路辅助定位机制，具体实现过程是：所述的水下声通信传感器网络中的普通节点在等待设定时间T后仍然未得到定位，将首先检查下游节点表，满足下游节点表不为空的普通节点将会发送环路测距请求包，其余包括普通节点和锚节点的节点收到环路测距请求包后，对环路测距请求包不直接进行转发，而是需要对环路测距包进行修改，然后发送；若该节点发现自身与该发送环路测距请求包的普通节点之间为对称链路，则将环路测距请求包修改为上游环路测距包；若该节点发现自身与该发送环路测距请求包的普通节点之间为非对称链路并且该节点已经得到定位，则将环路测距请求包修改为下游环路测距包；上游环路测距包和下游环路测距包统称为环路测距包；收到环路测距包的普通节点或锚节点，首先检查发送节点与自己之间是否为对称链路，如果不是就继续判断发送者和自己是否都已经得到定位，若还不满足则直接丢弃；如果为对称链路或者发送者和自己都已经得到定位，则代表两者之间的链路长度可知，那么就再判断自己是否是是目的节点，如果不是目的节点就更新中继信息和发送节点信息并转发，如果是目的节点就需要继续判断包的类型；若为上游环路测距包就进一步判断节点是否已经定位，若已定位直接发送应答包，若该节点未得到定位则保存消息并等到定位后再发应答包，若为下游环路测距包就直接发应答包，普通节点收到应答包后即可得到定位信息；步骤7：判断步骤6中是否有新的普通节点得到定位，若无新普通节点得到定位，则完成定位过程；若有新普通节点得到定位，则得到定位的普通节点将发送坐标信...

【专利技术属性】
技术研发人员：李德识，张松，陈健，廖子龙，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42