一种无需时钟同步的移动编队相对自定位方法技术

本发明专利技术提供了一种无需时钟同步的移动编队相对自定位方法，其中，移动网络中的每个节点装配有惯性导航设备和深度计，惯性导航设备用于提供移动节点的惯导纬度、惯导经度、东向速度、北向速度参数；深度计用于提供移动节点的深度和垂直速度参数；该方法具体包括：所有节点通过收发KLV数据帧建立通信链路；所有节点通过应答通信，使用粒子滤波与轨迹预测相结合的方法对惯性导航设备的相对定位误差进行校正，从而实现自定位。本发明专利技术的方法在不需要时钟同步的前提下，利用水下移动编队中两两节点间的水声通信，结合多项式回归和粒子滤波方法，达到对节点自身惯导设备的相对定位误差进行校正的目的。行校正的目的。行校正的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种无需时钟同步的移动编队相对自定位方法


[0001]本专利技术属于水下无线传感器网络领域，特别涉及一种无需时钟同步的移动编队相对自定位方法。

技术介绍

[0002]常见的水下移动节点定位导航技术主要包括四类：捷联惯性导航技术、水下声学定位与导航技术、地球物理及视觉导航技术及水下协同导航技术。其中，捷联惯性导航技术的导航误差随时间累积明显；水下声学定位与导航技术中的多普勒速度计程仪方法容易出现对地失锁现象，水声定位基阵方法需要声信标或其他辅助设备；地球物理及视觉导航技术需要对移动节点所在海域的地形地貌、重力或地磁信息有较为详尽的数据库支撑。水下协同导航技术是在利用惯性导航的数据基础上，通过水下移动节点间的相互应答通信实现相对自定位。目前，水下移动节点定位导航技术多采用以第一类为主、后三类为辅的方法。
[0003]常见的水下协同导航技术一般分为并行式和主从式两种。前者的移动编队中所有节点具有同等的地位和配置，因水声通信频带限制；后者一般需要一个定位精度较高的领航节点，和保持一定阵型的随从节点，由该领航节点定时广播自身位置及时间戳，其他节点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无需时钟同步的移动编队相对自定位方法，其中，移动网络中的每个节点装配有惯性导航设备和深度计，惯性导航设备用于提供移动节点的惯导纬度、惯导经度、东向速度、北向速度参数；深度计用于提供移动节点的深度和垂直速度参数；该方法具体包括：所有节点通过收发KLV数据帧建立通信链路；所有节点通过应答通信，使用粒子滤波与轨迹预测相结合的方法对惯性导航设备的相对定位误差进行校正，从而实现自定位。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：移动网络中的每个节点的初始化步骤，具体包括：为移动网络的每个节点进行编号t，t为整数，t∈[0,T)，T为总节点数量；设定KLV次数限制K、REQ次数限制Q、粒子数量L、粒子滤波迭代次数上限P、轨迹预测阶数上限G、速度变化上限S、最长REQ发射间隔R；为每个节点建立空白链路存活表，设定链路存活时间上限C：对于第t个节点，其链路存活表包含T项，其中的第i项，i∈[0,T)且i≠t，用于记录第i个节点与本节点间通信链路的剩余存活时间，第t项表示本节点自身循环链路，其始终为0表示不需要使用；空白链路存活表中的其余项初始时也都为0，表示不存在有效的通信链路；存活表刷新时刻fsh置为0；为每个节点建立空白位置记录表、空白速度记录表和空白时间记录表：对于第t个节点，其位置记录表包含T项，其中的第i项，i∈[0,T)，用于记录通过水声通信接收到的第i个节点的惯导经度、惯导纬度和深度；速度记录表包含T项，其中的第i项，i∈[0,T)，用于记录通过水声通信接收到的第i个节点的东向速度、北向速度和垂直速度；时间记录表包含T项，其中的第i项，i∈[0,T)，用于记录通过水声通信接收到的第i个节点上述位置和速度时由本地时钟给出的时间；为每个节点建立空白轨迹偏移记录表：对于第t个节点，其轨迹偏移记录表包含G项，其中的每一项均包含记录时间、本节点经度偏移值、本节点纬度偏移值；G至少为3；为每个节点清零所有定时器和计数器，清空已设定标志位；最后一个入水的节点在入水前设定发射KLV定时器的次数为K以及每一次发射KLV的时间，并将已设定标志位置为1；其首次发射KLV时间应不早于节点到达指定深度的时间，后续发射时间与前一次发射KLV时间间隔应不小于2
×
(T-1)
×
τ
KLV
秒，其中τ
KLV
不小于从一个节点开始发射KLV数据帧到另一个节点接收完毕该数据帧所需要的最长时间；设各个节点到达指定深度的时间为其本地时钟的0时刻；所有节点将上次发射REQ时间reqt赋值为0，等待RPL帧序号wrpl赋值为-1，清空重发REQ标志位；所有节点的发射端进入等待状态，接收端进入等待接收数据状态。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所有节点通过收发KLV数据帧建立通信链路；具体包括：最后一个入水的节点在发射KLV定时器触发时，建立空白KLV数据帧并进行赋值；赋值完毕后通过水声通信发射该KLV数据帧；发射完毕后帧序号计数器加1；如果帧序号计数器未超过KLV次数限制K，则该节点的发射端返回等待状态；如果帧序号计数器超过KLV次数限制K，则清零帧序号计数器，该节点的发射端进入空闲状态，开启查询定时器，每隔时间τ
CHK
查询一次是否需要发射REQ数据帧；其它节点接收到最后一个入水的节点发射的KLV数据帧并进行处理；所述空白KLV数据帧至少包含以下内容：帧类型、源节点、帧序号、惯导纬度、惯导经度、深度、东向速度、北向速度、垂直速度、校验和；其中，帧类型赋值为KLV，帧序号赋值为帧序号计数器当前值，源节点赋值为t，惯导纬度、惯导经度、东向速度、北向速度从惯性导航设备中实时读取，深度和垂直速度从深度计中实时读取，校验和赋值为上述内容的校验结果；记录东向速度、北向速度、垂直速度为报备速度；每个节点发射KLV数据帧，接收其它节点的KLV数据帧并进行处理。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述其它节点接收到最后一个入水的节点发射的KLV数据帧并进行处理，具体包括：当一个节点接收到最后一个入水的节点发射的KLV数据帧时，进行数据校验：在校验不正确的情况下，丢弃该数据帧，不做任何处理，接收端返回等待接收数据状态；校验正确的情况下，则更新该节点的链路存活表：读取源节点s、帧序号n、惯导纬度lati、惯导经度long、深度alti、东向速度vest、北向速度vnth、垂直速度vdpt；获取本地时钟当前值cur；将lati、long、alti依次记录到位置记录表的第s项中，将vest、vnth、vdpt依次记录到速度记录表的第s项中，时间记录表的第s项赋值为cur；遍历链路存活表，如果其中第i项的取值大于0，i∈[0,T)，则将其减去(cur-fsh)，如果减后不大于0，则将其赋值为0；将链路存活表中的第s项赋值为C；将fsh赋值为cur；然后该节点设定KLV发射次数与时间：如果已设定标志位为1，则不做任何处理，该节点的接收端返回等待接收数据状态；如果已设定标志位为空，则将帧序号计数器赋值为n，设定KLV发射次数为(K-n)并设定每一次发射KLV的时间，并将已设定标志位置为1；本节点首次发射KLV时间为mod((t-s-1+T),T)
×
τ
KLV
秒之后，后续发射时间与前一次发射KLV时间间隔应不小于2
×
(T-1)
×
τ
KLV
秒；设定完毕后，该节点的接收端返回等待接收数据状态。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述每个节点发射KLV数据帧，接收其它节点的KLV数据帧并进行处理；具体包括：任一节点发射KLV数据帧：该节点在发射KLV定时器触发时，建立空白KLV数据帧；赋值完毕后发射该KLV数据帧；发射完毕后帧序号计数器加1；如果帧序号计数器未超过KLV次数限制K，则返回等待状态，等待下次发射KLV定时器触发；如果帧序号计数器超过KLV次数限制K，则清零帧序号计数器，该节点的发射端进入空闲状态，开启查询定时器，每隔时间τ
CHK
查询一次是否需要发射REQ数据帧；任一节点接收KLV数据帧：该节点在收到KLV数据帧时先进行数据校验；在校验不正确的情况下，丢弃该数据帧，不做任何处理，接收端返回等待接收数据状态；校验正确的情况下，则根据KLV数据帧更新链路存活表：读取源节点s、帧序号n、惯导纬度lati、惯导经度long、深度alti、东向速度vest、北向速度vnth、垂直速度vdpt；获取本地时钟当前值cur；将lati、long、alti依次记录到位置记录表的第s项中，将vest、vnth、vdpt依次记录到速度记录表的第s项中，时间记录表的第s项
赋值为cur；遍历链路存活表，如果其中第i项的取值大于0，i∈[0,T)，则将其减去(cur-fsh)，如果减后不大于0，则将其赋值为0；将链路存活表中的第s项赋值为C；将fsh赋值为cur；然后设定KLV发射次数与时间：如果已设定标志位为1，则不做任何处理，该节点的接收端返回等待接收数据状态；如果已设定标志位为空，则将帧序号计数器赋值为n，设定KLV发射次数为(K-n)以及每一次发射KLV的时间，并将已设定标志位置为1；首次发射KLV时间为mod((t-s-1+T),T)
×
τ
KLV
秒之后，后续发射时间与前一次发射KLV时间间隔不小于2
×
(T-1)
×
τ
KLV
秒；设定完毕后，该节点的接收端返回等待接收数据状态。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述所有节点通过应答通信，使用粒子滤波与轨迹预测相结合的方法对惯性导航设备的相对定位误差进行校正，从而实现自定位，具体包括：每个节点在查询定时器触发时，当满足一定的条件下，生成并发射REQ数据帧；每个节点接收REQ数据帧并进行处理，生成和发射RPL数据帧；每个节点在等待RPL定时器触发时进行处理；每个节点接收RPL数据帧，使用粒子滤波与轨迹预测相结合的方法对惯性导航设备的相对定位误差进行校正，从而实现自定位。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述每个节点在查询定时器触发时，当满足一定的条件下，生成并发射REQ数据帧；具体包括：任一节点的查询定时器触发时，当存在以下五种情况之一时，则该节点的发射端生成并发射REQ数据帧；否则发射端返回空闲状态；五种情况分别为：情况一：惯导设备的东向速度、北向速度和深度计的垂直速度与报备速度中的对应记录数值的差的模值超过S时；情况二：链路存活表中所有项均为0时；情况三：链路存活表中仅有一项不为0，记该项序号为i，i∈[0,T)且i≠t，通过位置记录表的第i项、速度记录表的第i项、时间记录表的第i项和当前时间估算其与本节点的距离已经大于水声通信有效作用距离的0.8倍时；情况四：本节点当前时间cur与reqt的差已经超过R时；情况五：重发REQ标志位为1时；该节点的发射端生成并发射REQ数据帧的过程为：建立空白REQ数据帧；空白REQ数据帧至少包含以下内容：帧类型、源节点、帧序号、惯导纬度、惯导经度、深度、东向速度、北向速度、垂直速度、校验和；其中，帧类型赋值为REQ，帧序号赋值为帧序号计数器当前值，源节点赋值为t，惯导纬度、惯导经度、东向速度、北向速度从惯性导航设备中实时读取，深度和垂直速度从深度计中实时读取，校...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖东，陈岩，魏丽萍，郭圣明，马力，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：