一种水下声传感器网络节点定位方法技术

一种水下声传感器网络节点定位方法，基于到达时间测量和区域估计技术，首先应用two‑way TOA技术，通过位置已知的锚节点广播定位信号，接收待测节点反馈的信号并记录发送和接收时间的时间差。再根据W.D.Wilson经验公式以及相关合理假设，计算锚节点和待测节点距离。然后根据距离和锚节点位置计算待测节点的可能位置的坐标集，并从坐标集筛选出可能性较大的有限个点，最后根据有限个点估计出待测节点的位置坐标。与经典ALS定位算法相比，以提升4％能耗的代价，减少了节点位置50％的偏移量，使得定位更加精确。此外，本算法能够应用于不同规模的水下声传感器网络，具有良好的通用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水下声传感器网络(UnderwaterAcousticSensorNetworks，UASNs)的定位方法，它是是一种基于到达时间(TimeofArrival，TOA)测量和区域估计技术的水下声传感器网络节点定位方法。
技术介绍
随着水下通信技术的发展，水下声传感器网络在监测、探索、数据采集等方面得到了广泛的应用。但是由于水下声传感器节点一般采用声波作为传输手段，所以传统的电磁波定位技术，如GPS(GlobalPositionSystem)等，不适用于水下定位。同时，现有的水下超声波定位技术一方面在定位过程中消耗了大量能量，使得定位成本过高。另一方面依赖位于水表面的超声波发送和接收设备，因此不能广泛应用于规模较大的水下声传感器网络[ChandrasekharV,SeahWK,ChooYS,etal.Localizationinunderwatersensornetworks:surveyandchallenges[C]//ACMInternationalWorkshoponUnderwaterNetworks.ACM,2006:33-40.]。上述问题对水下定位技术的发展提出了巨大的挑战。水下定位技术本身的研究分为两部分：定位算法和测量技术。在定位算法方面，目前，前人的研究中已经提出了一些水声定位的算法，主要分为三大类：静止节点定位，移动节点定位和混合式节点定位。其中静止节点定位(StationaryNodeLocation)的经典算法，如AreaLocalizationScheme(ALS)[ChandrasekharV,SeahW.AnAreaLocalizationSchemeforUnderwaterSensorNetworks[C]//Oceans.IEEE,2007:1-8.],Hyperbola-BasedLocalizationScheme(HLS)[BianT,VenkatesanR,LiC.DesignandEvaluationofaNewLocalizationSchemeforUnderwaterAcousticSensorNetworks[C]//GlobalTelecommunicationsConference,2009.GLOBECOM2009.IEEE.IEEE,2009:1-5.]等。本身具有较低的能耗和较高的精确度，在目前的水下声传感器网络中有着广泛的应用。但是也有两点缺陷：首先，由于水环境普遍存在潮汐、洋流等导致水体流动的因素，水下声传感器网络中的节点大部分会随着水流移动，所以应用静止节点定位算法确定的节点位置会在一段时间后失效。其次，由于水环境中声速受到深度、水体温度、水体盐度等参数的影响。所以在水环境中声速不是一个常数值。在目前应用的经典算法中，声速大多被简化为常数进行计算。这一简化在规模较小的水下声传感器网络中不会引起过多的误差，但在大规模网络中，这一简化会对定位的精确性造成较大的影响。在测量技术方面，目前常用的定位测量技术有三种，分别为单路到达时间one-wayTOA，双路到达时间two-wayTOA和到达时间差TDOA[HanG,XuH,DuongTQ,etal.LocalizationAlgorithmsofWirelessSensorNetworks:asurvey[J].TelecommunicationSystems,2012,52(4):2419-2436.]。one-wayTOA是通过测量发送节点的发送时间和接收节点的接收时间的时间差去计算两个节点之间的位置，在发送节点和接收节点的时间同步的情况下，one-wayTOA方法消耗的能量最少，精度最高。two-wayTOA是测量发送节点的发送时间和发送节点接收到接收节点反馈信号的接收时间的时间差去计算两个节点的位置。虽然two-wayTOA能耗比one-wayTOA略大，同时由于接收节点从接收到发送反馈信号过程中存在一定时延，精确度也更低。但是，two-wayTOA不需要两个节点间进行时间同步，在实际环境中更容易得到应用。TDOA是通过计算发送节点到两个接收节点的时间差来计算位置。TDOA对于网络本身的要求较低，并且定位精度较高，但是在水下网络中，TDOA的能量消耗过大，因此使用并没有前两者广泛。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于到达时间测量和区域估计定位的水下声传感器网络节点定位方法(ATOA-basedAreaEstimationLocalizationSchemeforUASNs，AELS)，目的在于提高浅海大规模水下传感器网络中的定位精度，同时尽可能减少定位所造成的节点能量损耗。为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种水下声传感器网络节点定位方法，其特征在于：基于到达时间测量和区域估计技术，设定在水下声传感器网络中有需要确定位置的节点为待测节点NodeC，在水下声传感器网络中加入位置已知、用于辅助定位的锚节点AnNodei，i∈N∩1≤i≤n，应用双路到达时间技术，通过锚节点以声信号广播定位请求，为了与传输请求进行区分，此定位请求替换首部的功能字段，使得待测节点NodeC能够识别出这是定位请求，待测节点NodeC在接收到定位请求以声信号进行响应，锚节点接收响应并记录发出定位请求的时间trequest和接收响应的时间tresponse的时间差tminus＝tresponse-trequest，根据W.D.Wilson经验公式和浅海水温和盐度受水深影响忽略不计的假设，结合浅海水环境的特性，计算浅海信号传输距离s和信号传输时间t的关系函数s(t)，再根据关系函数是s(t)和待测节点发送到多个锚节点的时间差，计算所有锚节点和待测节点NodeC的距离sdistance，根据sdistance和对应锚节点的位置LocAnNodei计算出待测节点NodeC的可能位置的坐标集合{LocNodeCi,i∈N∩1≤i≤n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下声传感器网络节点定位方法，其特征在于：基于到达时间测量和区域估计技术,设定在水下声传感器网络中有需要确定位置的节点为待测节点NodeC，在水下声传感器网络中加入位置已知、用于辅助定位的锚节点AnNodei，i∈N∩1≤i≤n，应用双路到达时间技术，通过锚节点以声信号广播定位请求，为了与传输请求进行区分，此定位请求替换首部的功能字段，使得待测节点NodeC能够识别出这是定位请求，待测节点NodeC在接收到定位请求以声信号进行响应，锚节点接收响应并记录发出定位请求的时间trequest和接收响应的时间tresponse的时间差tminus＝tresponse‑trequest，根据W.D.Wilson经验公式和浅海水温和盐度受水深影响忽略不计的假设，结合浅海水环境的特性，计算浅海信号传输距离s和信号传输时间t的关系函数s(t)，再根据关系函数是s(t)和待测节点发送到多个锚节点的时间差，计算所有锚节点和待测节点NodeC的距离sdistance，根据sdistance和对应锚节点的位置LocAnNodei计算出待测节点NodeC的可能位置的坐标集合{LocNodeCi,i∈N∩1≤i≤n}，并应用区域估计定位技术的算法，从坐标点集合筛选成可能性较大、数量有限的点集，根据该有限点集估计出待测节点NodeC的位置坐标LocNodeC；上述应用区域估计定位技术的算法，从坐标点集合筛选成可能性较大、数量有限的点集的方法，包括以下步骤：(1)待测节点NodeC可能位置集合的构造：以每个锚节点AnNodei的自身位置为球心，绘制半径为sdistancei的球面状的点集作为待测节点NodeC的可能位置集合Ci；(2)待测节点NodeC可能位置筛选：第一次筛选，判断任意两个球面状的点集的位置关系，若相交或相切，则选取相交的圆或者相切的点的坐标集作为待测节点NodeC的可能位置集合；若相离，则选取两个锚节点的连线作为基准线，将两个球面状的点集与基准线的交点的集合作为发送节点的可能位置集合，经过第一次筛选后，每两个锚节点对应的待测节点NodeC可能位置集合Cij中元素的个数存在只可能为1个，即球面状的点集的位置关系相切,或者2个，即球面状的点集的位置关系相离，或者无穷多个，即球面状的点集的位置关系相交三种情况，针对第三种情况，即元素的个数为无穷多的圆形状的点集进行第二次筛选：判断任意两个圆形状的点集的位置关系，若相交或相切，选取相交或相切部分的点的坐标作为可能位置集合；若相离，选取两圆心连线为基准线，选取两个圆集上到基准线距离最近的点的坐标为可能位置集合；经过上述两次筛选后，保证可能位置集合的元素都为有限个；(3)待测节点NodeC的位置估计：将经过2次筛选过后的集合归并为一个集合，求出集合中所有点的坐标的期望作为期望点，选取到期望点距离最近的一个点的坐标作为待测节点NodeC的位置。...

【技术特征摘要】
1.一种水下声传感器网络节点定位方法，其特征在于：基于到达时间测量和区域估计技术,设定在水下声传感器网络中有需要确定位置的节点为待测节点NodeC，在水下声传感器网络中加入位置已知、用于辅助定位的锚节点AnNodei，i∈N∩1≤i≤n，应用双路到达时间技术，通过锚节点以声信号广播定位请求，为了与传输请求进行区分，此定位请求替换首部的功能字段，使得待测节点NodeC能够识别出这是定位请求，待测节点NodeC在接收到定位请求以声信号进行响应，锚节点接收响应并记录发出定位请求的时间trequest和接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹志强，林项宇，沈澍，吴家皋，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32