一种水声传感器网络及其基于水流预测的节点定位方法技术

本发明专利技术公开了一种水声传感器网络及其基于水流预测的节点定位方法，该方法包括如下步骤：对该水声传感器网络中的各节点采用分层定位的方法，将其分为锚节点定位和普通节点定位；信标节点周期性地广播自己的坐标信息，锚节点与普通节点分别进行自我定位；各节点周期的检查自身附近信标节点或锚节点的移动模式，并采用水流移动预测定位法更新自己的移动模式；各节点在获得自身的移动模式之后，根据该移动模式更新自己的坐标为自身定位。本发明专利技术提出节点的移动模式概念，每个节点都可以根据其移动模式来预测它未来的位置，有效地减小了节点间的通信开销。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声传感器网络
，特别是涉及一种水声传感器网络及其基于水流预测的节点定位方法。
技术介绍
海洋通信网络是借助于水声信号而建立起来的无线网络，其原理是在待监测水域中放入大量廉价微型传感器节点，利用水声通信的方式，节点可以形成有组织网络的系统，用来协助感知、采集以及处理监测水域范围内目标的对象信息。其中，海洋传感器节点主要由控制器、存储器、传感器和水声调制解调器等组成。传感器节点通过自组织方式构成无线网络，依靠传感器来获取参数，并通过水声调制解调器将信息进行转换后转发，通过网络将数据经由接收发送器链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心。目前水声传感器网络的节点定位方法主要有升潜定位法、LSL定位法、AAL定位法以及MASL定位法。其中升潜定位法是分布式的基于估计的定位算法，利用可上浮与下沉的信标。在信标浮到水面上的时候通过全球定位系统(GPS)得到自身坐标，然后在下沉时通过压力传感器获取深度信息并不断的发送自身坐标信息，未知节点被动的接受这些信息并通过单程到达时间(TOA)测距算法计算距离并通过三边测量法原理来定位；大规模定位法(LSL)是静态水环境中的分布式分层定位机制，该网络由三种节点组成：浮标节点，锚节点和未知节点。此定位方法中，浮标节点通过GPS获取坐标，锚节点首先通过浮标节点定位自身坐标，然后周期发送自身坐标为未知节点定位；水下自主航行器辅助定位法(AAL)是静态水环境中的分布式分层定位机制，该算法是利用水下自主航行器在水下通过航行来定位未知节点，水下自主航行器会周期的浮出水面取GPS坐标，然后通过船位推算法来定位自身位置并共享位置消息，未知节点收到消息后，通过双向TOA测距算法获取距离，通过水下自主航行器的移动使未知节点获取多个与不同水下自主航行器坐标相对应的距离后，节点即可定位；运动感知的自身定位法(MASL)，是动态水环境中的集中式定位机制，该定位方法中没有锚节点，在MASL算法中，节点会自动收集自身与邻居节点的距离，这些距离信息会在由基站进行离线处理，通过迭代方法对节点进行估算定位，在此方法中将海水划分成多个网格，采用集中式算法减轻节点的计算负担。然而上述定位法都存在各自的缺点：升潜定位法覆盖面和定位精度较高，但需要的信标节点较多，且会出现通信开销较大并带来误差累积的现象；LSL定位法存在节点间无法通信现象；MASL定位法不能实时监测，获得实时的定位信息；AAL定位法需要较高的通信开销。
技术实现思路
为克服上述现有技术存在的不足，本专利技术之目的在于提供一种水声传感器网络及其基于水流预测的节点定位方法，其提出节点的移动模式概念，每个节点都可以根据其移动模式来预测它未来的位置，使得各节点能在一定程度上延长获取定位信息的时间间隔，从而避免了节点间频繁地进行位置信息的交换，有效地减小了节点间的通信开销。为达上述及其它目的，本专利技术提出一种水声传感器网络，该水声传感器网络包括4个或更多信标节点、若干锚节点以及若干普通节点，该信标节点用于发送坐标，锚节点可直接与信标节点通信，通过与该信标节点的接触来实现自定位，普通节点不能直接与该信标节点接触，普通节点通过接触其邻居节点或锚节点来获取自己的位置。进一步地，该信标节点为装备GPS的表面浮标。进一步地，各节点部署在动态水流中。为达到上述目的，本专利技术还提供一种水声传感器网络中基于水流预测的节点定位方法，包括如下步骤：步骤一，对该水声传感器网络中的各节点采用分层定位的方法，将其分为锚节点定位和普通节点定位；步骤二，信标节点周期性地广播自己的坐标信息，锚节点收到信标节点的坐标信号后，通过与信标节点的交互通信的时间差，获得自己与附近三个信标节点的距离，再通过三角定位法实现自我定位，并广播自己的坐标信息，普通节点收到自己附近的锚节点的坐标信息后，与至少三个锚节点进行通信，获得自己与这些锚节点的距离后，再通过三角定位法实现自我定位；步骤三，各节点周期的检查自身附近信标节点或锚节点的移动模式，并采用水流移动预测定位法更新自己的移动模式；步骤四，各节点在获得自身的移动模式后，根据该移动模式更新自己的坐标为自身定位。进一步地，于步骤三中，锚节点采用线性预测的方法获得自己的移动模式。进一步地，于步骤三中，对于水声传感器网络中的普通节点，周期性地获取附近的锚节点的坐标，并根据该些锚节点的移动特点，采用线性预测的方法获得自己的移动模式。进一步地，于步骤三中，该线性预测方法采用如下公式计算移动模式：vx(j)=Σi=1msijvx(i)vy(j)=Σi=1msijvy(i)]]>假设需要获得j点的坐标，其中Vx(j),Vy(j)为j的的位置坐标；在已得知j节点相邻节点的位置坐标的情况下，则可列方程计算出j点的坐标，其中，m为j节点的邻居节点数，Sij为插值系数。进一步地，于步骤四中，各节点采用如下公式更新自己的坐标：x(j)=x0+t0·vx(j)y(j)=y0+t0·vy(j)]]>其中，x(j)和y(j)分别表示节点j的新坐标，x0和y0分别表示节点j更新前的坐标，t0表示更新的时间周期。与现有技术相比，本专利技术一种水声传感器网络及其基于水流预测的节点定位方法采用分层定位的方法，对锚节点采用线性预测的方法对自己进行定位，对普通节点利用水下对象存在的空间相关性的优势来促进实现普通节点的预测，在减小通信开销的同时，保证了较大的定位覆盖率和定位精确度。附图说明图1为本专利技术一种水声传感器网络的网络分层结构；图2为本专利技术一种水声传感器网络中基于水流预测的节点定位方法的步骤流程图；图3为本专利技术较佳实施例中定位信息的组成示意图。具体实施方式以下通过特定的具体实例并结合附图说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本专利技术的其它优点与功效。本专利技术亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本专利技术的精神下进行各种修饰与变更。图1为本专利技术一种水声传感器网络的网络分层结构。如图1所示，本专利技术一种水声传感器网络，包括4个或更多信标节点、若干锚节点以及若干普通节点，信标节点用于发送坐标，信标节点为装备GPS的表面浮标，可获取它们的估计位置，它们被作为水下定位方案中的“卫星”，定位被分层执行的，整个定位过程被分为两个部分：锚节点定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水声传感器网络，其特征在于：该水声传感器网络包括4个或更多信标节点、若干锚节点以及若干普通节点，该信标节点用于发送坐标，锚节点可直接与信标节点通信，通过与该信标节点的接触来实现自定位，普通节点不能直接与该信标节点接触，普通节点通过接触其邻居节点或锚节点来获取自己的位置。

【技术特征摘要】
1.一种水声传感器网络，其特征在于：该水声传感器网络包括4个或更
多信标节点、若干锚节点以及若干普通节点，该信标节点用于发送坐标，锚节
点可直接与信标节点通信，通过与该信标节点的接触来实现自定位，普通节点
不能直接与该信标节点接触，普通节点通过接触其邻居节点或锚节点来获取自
己的位置。
2.如权利要求1所述的一种水声传感器网络，其特征在于：该信标节点
为装备GPS的表面浮标。
3.如权利要求1所述的一种水声传感器网络，其特征在于：各节点部署
在动态水流中。
4.一种水声传感器网络中基于水流预测的节点定位方法，包括如下步骤：
步骤一，对该水声传感器网络中的各节点采用分层定位的方法，将其分为
锚节点定位和普通节点定位；
步骤二，信标节点周期性地广播自己的坐标信息，锚节点收到信标节点的
坐标信号后，通过与信标节点的交互通信的时间差，获得自己与附近三个信标
节点的距离，再通过三角定位法实现自我定位，并广播自己的坐标信息，普通
节点收到自己附近的锚节点的坐标信息后，与至少三个锚节点进行通信，获得
自己与这些锚节点的距离后，再通过三角定位法实现自我定位；
步骤三，各节点周期的检查自身附近信标节点或锚节点的移动模式，并采
用水流移动预测定位法更新自己的移动模式；
步骤四，各节点在获得自身的移动模式后，根据该移动模式更新自己的坐
标为自身定位。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷晓婷，范光宇，胡英达，林锦涛，史方圆，张璟浩，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海;31