一种移动锚节点辅助水下无线传感器网络定位方法技术

本发明专利技术公开了一种移动锚节点辅助水下无线传感器网络定位方法，包括以下步骤：路径规划步骤，确定移动锚节点的信号覆盖半径R，将目标区域划分为若干个边长为R的正六边形的子区域，所述子区域依次紧密排列，相邻的子区域呈共边排列，规划区间移动路径以及区内移动路径；目标节点所在子区域判定步骤，目标节点区内位置定位步骤。本发明专利技术的移动锚节点辅助水下无线传感器网络定位方法，采用正六边形的方式划分子区域，能够保证目标区域完全覆盖，且子区域之间覆盖范围的交叠区域最小，有利于提高定位精度，实现水下声信号低能耗的米级定位，同时减少计算量。

A Mobile Anchor Node Assisted Localization Method for Underwater Wireless Sensor Networks

The invention discloses a mobile anchor node-assisted underwater wireless sensor network positioning method, which includes the following steps: path planning step, determining the signal coverage radius R of mobile anchor node, dividing the target area into several regular hexagonal sub-areas with R edge length, the sub-areas are arranged closely in sequence, the adjacent sub-areas are arranged in coplanar arrangement, and planning the moving path of the interval. And the moving path in the area; the determination step of the sub-area where the target node is located; and the location step in the target node area. The mobile anchor node-assisted underwater wireless sensor network positioning method of the present invention divides sub-regions in a regular hexagonal way, which can ensure the complete coverage of the target area and the minimum overlapping area between sub-regions. It is advantageous to improve positioning accuracy, realize the metre-level positioning of underwater acoustic signal with low energy consumption, and reduce the calculation amount.

【技术实现步骤摘要】
一种移动锚节点辅助水下无线传感器网络定位方法
本专利技术水下无线传感网
，特别涉及声信号通信技术以及水下定位技术，是一种基于区域判定的移动锚节点辅助水下无线传感器网络节点定位算法。
技术介绍
随着世界各国对海洋的日益重视和无线传感器网络研究的迅速发展，水下无线传感器网络(UnderwaterWirelessSensorNetworks，简称UWSN)的研究得到越来越多的关注，而准确获得水下目标的位置是进行水下研究的关键。如今，水下定位均利用声信号进行定位，由于水声信号具有噪声大、低速、带宽有限、多径效应和多普勒频移等缺点，而且锚节点具有布放困难、自身携带能量有限等特点，因而现有的水声定位系统存在定位精度低、能量消耗大等问题，无法满足人们的需求，因此需要一种新的方法来实现高精度低能耗的定位。根据锚节点是否可以移动，可以分为固定锚节点与移动锚节点(MobilityAnchor，简称MA)。固定锚节点一般是由人工或船只等布放，其位置是由布放装置及环境所决定的，如水的密度和空气粘性系数。移动锚节点可以为水下漂移节点、高速机动航行器等，在已知自身位置的情况下可以进行规律性运动。其在移动过程中移动到某规划位置发射信号后，继续向下一个规划位置运动，所有的规划位置称为虚拟锚节点。相比固定锚节点其避免了布放的困难与回收过程中能量的浪费，并且位置的准确性更高。移动锚节点作为水下无线传感器网络节点的一种，配有GPS导航，可以有效减少成本较高的锚节点的数量，大大降低水下作业的成本。对于移动锚节点定位的应用，最早始于SichitiuML在2004年利用单个移动锚节点与能量接收(ReceivedSignalStrengthIndicator，简称RSSI)测距相结合来估计目标节点的位置。对于移动锚节点的路径规划，D.Koutsonikolas等利用空间填充线理论，首次提出了SCAN、DOUBLESCAN以及HILBERT三种路径规划方法。这三种方法都属于静态路径规划，在应用中各有利弊。SCAN路径适用于节点通信距离较小且空间填充线密度较大的情况，但参考节点的共线性问题非常严重；为此，研究人员进一步提出了DOUBLESCAN路径规划，但是这样成倍增加了定位过程中的消耗；而HILBERT路径规划适用于节点通信距离较大，空间填充线密度小的情况。但以上三种方法都不同程度地存在参考节点共线问题，为了有效的这个问题，R.Huang等提出了圆形路径规划和S形路径规划两种方法，对于圆形路径规划，如果需要完全覆盖网络区域就必须增大外围大圆的半径，从而增加了锚节点移动路径的长度，圆的直径过大也会在局部区域产生参考节点的共线性问题。为了解决参考点的共线性问题，S形路径规划使用S形曲线来代替直线，能够取得较好的效果。在此基础上，Han等人将等边三角形引入LocalizationwithaMobileAnchornodebasedonTrilateration(LMAT)算法来优化移动锚节点运动轨迹，最大化了目标定位覆盖率和目标节点的定位精度。在以上基于移动锚节点的定位算法中，MA为了使目标节点可以接收到足够多的虚拟锚节点信息，使参考节点的数量达到需要，相邻虚拟锚节点的覆盖范围有很大的交叠区域，这不仅加长了MA的移动路径，也增加了定位的能耗。但是盲目的减少虚拟锚节点的数量，会严重影响基于移动锚节点的定位精度。因此，亟需解决水下无线传感网的节点定位能量消耗大和精度低问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有水下无线传感网节点定位技术存在定位精度低和能量消耗大的问题，提出了一种移动锚节点辅助水下无线传感器网络定位方法，可以解决上述问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种移动锚节点辅助水下无线传感器网络定位方法，包括以下步骤：路径规划步骤，确定移动锚节点的信号覆盖半径R，将目标区域划分为若干个边长为R的正六边形的子区域，所述子区域依次紧密排列，相邻的子区域呈共边排列，规划区间移动路径以及区内移动路径；目标节点所在子区域判定步骤，包括：(11)、移动锚节点按照区间移动路径进行移动，从一个子区域移动至另外一个子区域，移动锚节点每移动至一子区域处，发射请求信号，所述请求信号至少包含移动锚节点的位置信息和请求信号的时间戳信息；(12)、目标节点若接收到移动锚节点在子区域Q0时发送的声信号，向移动锚节点发射反馈信号，所述反馈信号至少包括反馈信号的时间戳信息，子区域Q0为所规划的任一个子区域；(13)、移动锚节点将反馈信号发送给定位中心，定位中心计算目标节点的传播时延τ0，并根据D0＝cτ0计算目标节点与移动锚节点之间的距离D0,其中，c为声速；(14)、判断D0与子区域的内切圆半径的关系，若D0小于则判断目标节点位于子区域Q0中；目标节点区内位置定位步骤，包括：(21)、移动锚节点在子区域Q0中按照所述区内移动路径进行移动，移动锚节点在移动至定点位置时发射请求信号；(22)、移动锚节点接收目标节点的反馈信号，并将反馈信号发送给定位中心，定位中心计算目标节点与各定点位置之间的距离；(23)、根据目标节点与各定点位置之间的距离以及各定点位置的坐标，计算目标节点的坐标。进一步的，步骤(14)中，若D0的范围大于更改移动锚节点的区间移动路径，更改后的区间移动路径为：移动锚节点顺次移动至与子区域Q0相共边的若干个子区域，然后执行目标节点区间位置定位步骤，包括：(31)、移动锚节点自子区域Q0起始，按照更改后的区间移动路径进行移动，移动锚节点每移动至一个子区域内时发射请求信号；(32)、移动锚节点接收目标节点的反馈信号，并将反馈信号发送给定位中心，定位中心计算目标节点与该子区域之间的距离；(33)、根据目标节点与各子区域之间的距离以及各子区域的坐标，计算目标节点的坐标。进一步的，定位中心依次计算目标节点与各子区域之间的距离D1……Dk，目标节点的坐标为(x，y)，通过求解方程组解出目标节点的坐标值：其中，(xk，yk)为与子区域Q0相共边且发射反馈信号的子区域的坐标，k的取值为1或2或3。进一步的，采用最小二乘法、Chan、Fang算法中的其中一种求解方程组。进一步的，步骤(14)中，目标节点区域判定步骤中，更改后的区间移动路径为：与子区域Q0相共边且移动锚节点首次经过的子区域。进一步的，所述区内移动路径为按照Circlus路径规划进行规划。进一步的，所述请求信号为采用广播的方式发送的声信号。进一步的，步骤(13)中，传播时延τ0为反馈信号的时间戳信息中所携带的时间与移动锚节点接收到该反馈信号的时间之间的差值。进一步的，移动锚节点按照区间移动路径从一个子区域移动至下一个子区域时，根据该两个子区域之间的位置关系，计算出移动锚节点的运动角度。进一步的，所述声信号为线性调频信号，频率是200～300Hz。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果是：本专利技术的移动锚节点辅助水下无线传感器网络定位方法，首先根据目标区域的大小和移动锚节点的性能来选择移动锚节点的覆盖半径R，综合考虑到水下载器的携带能量，在目标区域完全覆盖的情况下划分目标区域，其次，采用正六边形的方式划分子区域，能够保证目标区域完全覆盖，且子区域之间覆盖范围的交叠区域最小，有利于提高定位精度，实现水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种移动锚节点辅助水下无线传感器网络定位方法，其特征在于，包括以下步骤：路径规划步骤，确定移动锚节点的信号覆盖半径R，将目标区域划分为若干个边长为R的正六边形的子区域，所述子区域依次紧密排列，相邻的子区域呈共边排列，规划区间移动路径以及区内移动路径；目标节点所在子区域判定步骤，包括：(11)、移动锚节点按照区间移动路径进行移动，从一个子区域移动至另外一个子区域，移动锚节点每移动至一子区域处，发射请求信号，所述请求信号至少包含移动锚节点的位置信息和请求信号的时间戳信息；(12)、目标节点若接收到移动锚节点在子区域Q0时发送的声信号，向移动锚节点发射反馈信号，所述反馈信号至少包括反馈信号的时间戳信息，子区域Q0为所规划的任一个子区域；(13)、移动锚节点将反馈信号发送给定位中心，定位中心计算目标节点的传播时延τ0，并根据D0＝cτ0计算目标节点与移动锚节点之间的距离D0,其中，c为声速；(14)、判断D0与子区域的内切圆半径

【技术特征摘要】
1.一种移动锚节点辅助水下无线传感器网络定位方法，其特征在于，包括以下步骤：路径规划步骤，确定移动锚节点的信号覆盖半径R，将目标区域划分为若干个边长为R的正六边形的子区域，所述子区域依次紧密排列，相邻的子区域呈共边排列，规划区间移动路径以及区内移动路径；目标节点所在子区域判定步骤，包括：(11)、移动锚节点按照区间移动路径进行移动，从一个子区域移动至另外一个子区域，移动锚节点每移动至一子区域处，发射请求信号，所述请求信号至少包含移动锚节点的位置信息和请求信号的时间戳信息；(12)、目标节点若接收到移动锚节点在子区域Q0时发送的声信号，向移动锚节点发射反馈信号，所述反馈信号至少包括反馈信号的时间戳信息，子区域Q0为所规划的任一个子区域；(13)、移动锚节点将反馈信号发送给定位中心，定位中心计算目标节点的传播时延τ0，并根据D0＝cτ0计算目标节点与移动锚节点之间的距离D0,其中，c为声速；(14)、判断D0与子区域的内切圆半径的关系，若D0小于，则判断目标节点位于子区域Q0中；目标节点区内位置定位步骤，包括：(21)、移动锚节点在子区域Q0中按照所述区内移动路径进行移动，移动锚节点在移动至定点位置时发射请求信号；(22)、移动锚节点接收目标节点的反馈信号，并将反馈信号发送给定位中心，定位中心计算目标节点与各定点位置之间的距离；(23)、根据目标节点与各定点位置之间的距离以及各定点位置的坐标，计算目标节点的坐标。2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤(14)中，若D0的范围大于，更改移动锚节点的区间移动路径，更改后的区间移动路径为：移动锚节点顺次移动至与子区域Q0相共边的若干个子区域，然后执行目标节点区间位置定位步骤，包括：(31)、移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：王景景，许亭亭，施威，徐凌伟，童刚，董新利，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37