一种面向声速剖面的水下节点定位方法技术

本发明专利技术公开了一种面向线性声速剖面的水下节点定位方法，包括如下步骤：A1、分析输入的锚节点与目标节点间的声速剖面的线性程度；A2、根据线性程度的不同，采用粒子群优化算法；对线性程度为单段线性的声速剖面，采用单段线性声速剖面模型的定位方法，得到目标节点的坐标；对线性程度为多段线性的声速剖面，各段内近似为线性，采用多段线性声速剖面模型的定位方法，计算锚节点与目标节点间的水平距离，实现定位。采用粒子群优化算法在性能上优于现有技术，分段线性的处理方式，简化了计算，定位更简单。

【技术实现步骤摘要】
一种面向声速剖面的水下节点定位方法
本专利技术涉及水下定位领域，尤其涉及一种面向声速剖面的水下节点定位方法。
技术介绍
水下定位在环境勘探、灾难预测、资源开发等方面都具有重要的意义。由于水声通信传播距离远超水下光通信和电磁波通信，且技术相对成熟，因此常被用于水下节点定位。由于水下环境的复杂性，通常采用相对较为准确的基于信号到达时间的测距定位(TimeofArrival,TOA)和基于信号到达时间差的测距定位(TimeDifferenceofArrival,TDOA)。而基于信号到达角度的定位(AngleofArrival,AOA)需要额外的硬件支持、成本较高；基于信号强度的测距定位(ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI)效果较差。使用TOA测距需要精确地表示两点间信号传播时间与距离的关系。如果声速不变的情况下，到达时间与距离呈简单的线性关系。然而，在声速变化的情况下，由时间求解距离存在一定的难度。通过射线追踪法，每隔0.02弧度发送一条射线根据声速剖面模拟声传播轨迹，由此寻得未知点的坐标，该方法定位精度受模拟间隔的限制。通过对恒定梯度声速下的传播时间与定位的研究，该方法得到了线性声速剖面情况下传播时间与水平距离的关系，并通过高斯牛顿法(Guass-NewtonAlgorithm,GNA)求解未知节点坐标，然而该方法也存在一定的局限性，一方面，GNA容易陷入局部最优值，使得坐标计算误差较大，另一方面，线性声速剖面与实际的声速剖面并不相符。因此，对线性声速剖面算法优化，及实际声速剖面进行处理，是目前亟待解决的问题。专利技术内容本专利技术的目的是为了解决现有技术如何对线性声速剖面算法优化、及对实际声速剖面进行处理的问题，本申请提供了一种面向声速剖面的水下节点定位方法。为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种面向线性声速剖面的水下节点定位方法，包括如下步骤：A1、分析输入的锚节点与目标节点间的声速剖面的线性程度；A2、根据线性程度的不同，采用粒子群优化算法，对不同线性程度的声速剖面模型采用不同的定位方法，求解目标节点坐标。优选地，所述步骤A2中，对线性程度为单段线性的声速剖面，采用单段线性声速剖面模型的定位方法，得到目标节点的坐标；对线性程度为多段线性的声速剖面，采用多段线性声速剖面模型的定位方法，得到目标节点的坐标。优选地，所述步骤A1中，采用贪心算法来分析输入的声速剖面的线性程度，包括以下步骤：A11、起始：假设声速剖面的观测数据点数为n，将整个声速剖面分成个连续不重叠片段，其中，为向下取整函数；使用普通最小二乘回归拟合每个片段中的回归线；A12、迭代：计算所有相邻片段两两合并为一段回归线所造成的误差增加，将误差增加最小的两段相邻回归线由一条回归线代替；A13、输出：若迭代至只有一段，则用单段线性来表示声速剖面；若多于一个片段，则用多段线性来表示声速剖面。优选地，依据锚节点与目标节点间声速剖面的线性程度判断采用何种声速模型：若锚节点与目标节点间的声速剖面为单段线性，则采用单段线性声速剖面模型；若锚节点与目标节点间的声速剖面为多段线性，则采用多段线性声速剖面模型。优选地，当声速剖面为单段线性，则粒子值为二维坐标，采用粒子群优化算法直接求解得到目标节点坐标；当声速剖面为多段线性，则粒子值为一个数，迭代求解得到的最优粒子值为声波在第一段传播的水平距离，采用粒子群优化算法分段求解得到目标节点坐标。优选地，所述单段线性算法，包括如下步骤：B1、声波信号从锚节点到目标节点的传播时间t，满足以下公式：其中，a为线性声速剖面的斜率，θA与θT分别为锚节点与目标节点所在弧线处切角与水平轴正方向的夹角；由几何关系可知，θT＝α+β，θA＝β-α，其中β是锚节点与目标节点连线的角度，α为锚节点与目标节点连线与锚节点位置切线的夹角；而且，Δz表示锚节点与目标节点间垂直距离的差，D表示锚节点与目标节点间的水平距离，(xA,yA)表示锚节点的坐标，(xT,yT)表示目标节点的坐标；C(z)＝az+b(5)其中，a为线性声速剖面的斜率，b为线性声速剖面的截距即水平面处的声速，声速参数a和b可以提前测得，z是水深，C(z)为该深度处的声速；传播时间t为水平距离D即目标节点坐标(xT,yT)的函数，记为t(xT,yT)。B2、各锚节点辐射区域的交集为粒子群算法的初始化区域，在该区域内，每一个粒子按照以下规则来更新自己的位置；其中，n代表迭代的步数，下标i代表第i个粒子，v代表粒子速度，c1和c2是学习速率，可以设置为常数，w是惯性常量，r为0到1之间均匀分布的随机数，表示第i个粒子经历的所有值中的最优值，Gbest表示粒子群中所有粒子经历过的全局最优值，pi＝(xTi,yTi)表示每个粒子的值均为一个二维向量，vi＝(vi1,vi2)表示每个粒子的速度矢量B3、根据速度来更新粒子的位置：pi(n+1)＝pi(n)+vi(n)(7)其中，pi＝(xTi,yTi)表示区域内随机初始化多个粒子中每个粒子的值均为一个二维向量，且每一个粒子都对应着自己的速度矢量vi＝(vi1,vi2)，分别对应着粒子值每一维的更新速度，下标i表示第i个粒子；B4、代价函数为：其中，t0m和tm(xT,yT)分别为声波信号从第m个锚节点到目标节点(xT,yT)传播时间的实测值和理论值，M表示与目标节点通信的锚节点的个数；根据公式(6)和(7)，群中的每一个粒子更新自己的位置，当满足适代价函数(8)的最小允许误差或者达到最大迭代次数时，停止迭代，此时得到的解即为目标节点的坐标；优选地，所述多段线性声速剖面模型的定位方法，包括如下步骤：C1、计算目标节点与锚节点的水平距离；C2、采用最小二乘法计算目标节点坐标。优选地，计算目标节点与锚节点的水平距离，包括如下步骤：C11、采用粒子群优化算法求解声波在第一段传播的水平距离D1；C12、根据D1计算声波在第(j+1)段的传播距离；C13、各段的传播距离之和为目标节点与锚节点的水平距离。优选地，采用粒子群优化算法求解声波在第一段传播的水平距离，包括以下步骤：E1、声波信号在第一段的传播时间t1为其中，a1为第一段线性声速剖面的斜率，θ1为声波在第一段分界点处的弧线角度。已知信号在第j段终点处的角度为θj，由于角度不会突变，则第(j+1)段的起始角也为θj，因此，在第(j+1)段中有E2、声波在第(j+1)段中的传播时间tj+1为其中，aj+1为第(j+1)段线性声速剖面的斜率。t1是D1的函数，记为t1(D1)；由于迭代关系，tj也是D1函数，记为tj(D1)；E3、用粒子群优化算法来求解代价函数获得D1的最优值；其中，锚节点与目标节点所处的声速剖面共有N个线性片段，实际测量的某锚节点到目标节点的传播时间为t0，锚节点深度为zA，目标节点深度为zT，声波信号在第一段的传播时间为t1，在第j段的传播时间为tj，声波信号在第一段传播的水平距离为D1，在第j段传播的水平距离为Dj。优选地，根据D1计算声波在第(j+1)段的传播距离，利用下列公式进行计算：优选地，目标节点与锚节点的水平距离为：优选地，根据目标节点与锚节点的水平距离d，利用最小二乘法求解得到目标节点的坐标。与现有技术相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向线性声速剖面的水下节点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：A1、分析输入的锚节点与目标节点间的声速剖面的线性程度；A2、根据线性程度的不同，采用粒子群优化算法，对不同线性程度的声速剖面模型采用不同的定位方法，求解目标节点坐标。

【技术特征摘要】
1.一种面向线性声速剖面的水下节点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：A1、分析输入的锚节点与目标节点间的声速剖面的线性程度；A2、根据线性程度的不同，采用粒子群优化算法，对不同线性程度的声速剖面模型采用不同的定位方法，求解目标节点坐标。2.根据权利要求1所述的水下节点定位方法，其特征在于，所述步骤A2中，若锚节点与目标节点间的声速剖面的线性程度为单段线性，采用单段线性声速剖面模型的定位方法，得到目标节点的坐标；若锚节点与目标节点间的声速剖面的线性程度为多段线性，采用多段线性声速剖面模型的定位方法，各段分别为线性，得到各段的水平距离之和，求得目标节点的坐标。3.根据权利要求1所述的水下节点定位方法，其特征在于，所述步骤A1中，采用贪心算法来分析输入的声速剖面的线性程度，包括以下步骤：A11、起始：假设声速剖面的观测数据点数为n，将整个声速剖面分成个连续不重叠片段，其中，为向下取整函数；使用普通最小二乘回归拟合每个片段中的回归线；A12、迭代：计算所有相邻片段两两合并为一段回归线所造成的误差增加，将误差增加最小的两段相邻回归线由一条回归线代替；A13、输出：若迭代至只有一段，则用单段线性来表示声速剖面；若多于一个片段，则用多段线性来表示声速剖面。4.根据权利要求1所述的水下节点定位方法，其特征在于，依据锚节点与目标节点的所处深度判断采用何种声速剖面模型：若锚节点与目标节点间的声速剖面为单段线性，则采用单段线性声速剖面模型；若锚节点与目标节点间的声速剖面为多段线性，则采用多段线性声速剖面模型。5.根据权利要求2所述的水下节点定位方法，其特征在于，当声速剖面为单段线性，则粒子值为二维坐标，采用粒子群优化算法直接求解得到目标节点坐标；当声速剖面为多段线性，则粒子值为一个数，迭代求解得到的最优粒子值为声波在第一段的传输距离，采用粒子群优化算法求解声波在第一段传播的水平距离，确定声传播轨迹，继而求出声波在其余段传播的水平距离，从各段的水平距离求得总的水平距离，进而求得目标节点坐标。6.根据权利要求2所述的水下节点定位方法，其特征在于，所述单段线性声速剖面模型的定位方法，包括如下步骤：B1、声波信号从锚节点到目标节点的传播时间t，满足以下公式：其中，a为线性声速剖面的斜率，θA与θT分别为锚节点与目标节点所在弧线处切角与水平轴正方向的夹角；由几何关系可知，θT＝α+β，θA＝β-α，其中β是锚节点与目标节点连线的角度，α为锚节点与目标节点连线与锚节点位置切线的夹角；而且，Δz表示锚节点与目标节点间垂直距离的差，D表示锚节点与目标节点间的水平距离，(xA,yA)表示锚节点的坐标，(xT,yT)表示目标节点的坐标；C(z)＝az+b(5)其中，a为线性声速剖面的斜率，b为线性声速剖面的截距即水平面处的声速，声速参数a和b可以提前测得，z是水深，C(z)为该深度处的声速；传播时间t为水平距离D即目标节点坐标(xT,yT)的函数，记为t(xT,yT)。B2、各锚节点辐射区域的交集为粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：董宇涵，孙传真，李征，张凯，李志德，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44