CN102695126A - 水下传感器网络定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下传感器网络定位方法，融合了三维欧氏距离估计方法、迭代位置估计方法和DV-Hop算法，为了完成普通节点的定位，给出了一跳升级参考节点、两跳参考节点和转发定位请求信息包的下一跳参考节点的选择标准。用三维欧氏距离估计方法和DV-Hop算法计算出普通节点到两跳参考节点的距离，用四边测量法计算出节点的坐标后，根据坐标与到参考节点的距离计算节点的定位误差与信任值，比较信任值与阈值的大小关系，确定此节点是否定位成功、成为升级参考节点；迭代位置估计方法是在普通节点成功定位后，广播包含自身位置的信标信息包，协助其他普通节点的定位。本方法适用于静态或动态的大规模水下无线传感器网络中节点的定位。

Description

水下传感器网络定位方法

技术领域

本发明涉及水下无线传感器网络技术，尤其涉及一种水下传感器网络中节点的定位方法。

背景技术

水下无线传感器网络（Underwater Wireless Sensor Networks，简称UWSNs）是针对水下环境的应用提出的。UWSNs能够为促进海洋环境管理、资源保护、灾害监测预警、海洋工程、海上生产作业和海洋军事活动等提供更好的技术支持和信息平台，因此水下无线传感器网络有着广阔的应用前景。大多数基于水下传感器网络的应用都与节点所在的位置相关联，要实施这些应用，要求网络中节点位置唯一确定，确定节点位置具有以下重要意义：第一、数据必须有位置信息和时间信息标记，节点发送和接收到的数据才有意义；第二、用于基于地理信息的路由协议；第三、用于对水下目标的检测、定位及跟踪此类应用；第四、用于优化介质访问协议。由于节点本身的能量、计算能力及存储能力的限制，水下传感器网络定位面临着特有的技术挑战，因此传感器节点定位信息的准确获取是完成大规模水下传感器网络中的定位服务的一个关键问题所在，于是如何简单有效并且准确地获取传感器节点的精确位置信息是目前急需解决的关键问题。

UWSNs与有着相同特征的大量节点和有限的资源等特征的陆地无线传感器网络TWSNs（Terrestrial Wireless Sensor Networks）有较大区别：首先，无线电射频（RadioFrequency，RF）通信方式和光传播方式不适合于水下环境的通信传播（高频率的RF衰减过快，光在水中会散射、折射、反射等），取而代之的是声波（acoustic）通信（声波衰减很慢，但是由于声速低，导致声波信道有较大的传播延迟、低带宽和高错误率等特点）；其次，传感器节点因为水流或其他因素的影响而产生移动，使得网络拓扑结构频繁变化，所以对水下节点的定位是非常必要的，并且水下监测网络也需要确定大量节点的范围，但由于水下声传播特性和节点的移动特性，导致在精度或可扩展性等方面的研究有巨大的挑战；最后，水下环境可被视为是三维空间环境，容易受到海洋环境和网络规模大小等诸多因素影响。因此，传统的TWSNs定位方案由于其局限性而无法应用到UWSNs的定位中；另外，由于水下节点的位置会因为各种因素而不断改变，所以设计的定位方案必须周期性运行来更新节点的位置，这样也增加了网络的通信开销。目前大多数的研究是为小规模水下传感器网络所设计的定位方案，有些为大规模网络设计的定位方案没有完全考虑累积误差对定位精度的影响，这些方案因其较慢的运行速度和很高的通信开销而不能很好的在大规模UWSNs中应用。

根据四边测量法，普通节点已知四个参考节点的坐标及到这些节点的距离，分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)和d₁、d₂、d₃、d₄，普通节点的坐标为(x,y,z)，于是有：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2=d_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2=d_2^2\\ {(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2=d_3^2\\ {(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2=d_4^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

由式（1）可以得到普通节点的坐标为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}2(x_1-x_4)& 2(y_1-y_4)& 2(z_1-z_4)\\ 2(x_2-x_4)& 2(y_2-y_4)& 2(z_2-z_4)\\ 2(x_3-x_4)& 2(y_3-y_4)& 2(z_3-z_4)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_1^2-x_4^2+y_1^2-y_4^2+z_1^2-z_4^2+d_4^2-d_1^2\\ x_2^2-x_4^2+y_2^2-y_4^2+z_2^2-z_4^2+d_4^2-d_2^2\\ x_3^2-x_4^2+y_3^2-y_4^2+z_3^2-z_4^2+d_4^2-d_3^2\end{array}\right]---\left(2\right)$

根据极大似然估计法，普通节点已知n个参考节点的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、…、(x_n,y_n,z_n)，它们到普通节点的距离分别为d₁、d₂、…、d_n，则存在下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2=d_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2=d_2^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {(x-x_b)}^2+{(y-y_n)}^2+{(z-z_n)}^2=d_n^2\end{array}\right.---\left(3\right)$

从第一个方程开始分别减去最后一个方程，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1^2-x_n^2-2(x_1-x_n)x+y_1^2-y_n^2-2(y_1-y_n)y+z_1^2-z_n^2-2(z_1-z_n)z=d_1^2-d_n^2\\ x_2^2-x_n^2-2(x_2-x_n)x+y_2^2-y_n^2-2(y_2-y_n)y+z_2^2-z_n^2-2(z_2-z_n)z=d_2^2-d_n^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{n-1}^2-x_n^2-2(x_{n-1}-x_n)x+y_{n-1}^2-y_n^2-2(y_{n-1}-y_n)y+z_{n-1}^2-z_n^2-2(z_{n-1}-z_n)z=d_{n-1}^2-d_n^2\end{array}\right.---\left(4\right)$

上式可表示为AX=b，使用标准的最小均方差估计方法可以得到普通节点的坐标为：

$\hat{X}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}b---\left(5\right)$

其中，

$A=\left[\begin{array}{ccc}2(x_1-x_n)& 2(y_1-y_n)& 2(z_1-z_n)\\ 2(x_2-x_n)& 2(y_2-y_n)& 2(z_2-z_n)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ 2(x_{n-1}-x_n)& 2(y_{n-1}-y_n)& 2(z_{n-1}-z_n)\end{array}\right]---\left(6\right)$

$b=\left[\begin{array}{c}{x}_1^2-x_n^2+y_1^2-y_n^2+z_1^2-z_n^2+d_n^2-d_1^2\\ x_2^2-x_n^2+y_2^2-y_n^2+z_2^2-z_n^2+d_n^2-d_2^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{n-1}^2-x_n^2+y_{n-1}^2-y_n^2+z_{n-1}^2-z_n^2+d_n^2-d_{n-1}^2\end{array}\right]---\left(7\right)$

$X=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]---\left(8\right)$

设δ为定位误差，(u,v,w)为普通节点的估计坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个参考节点的坐标，d_i为普通节点到第i个参考节点的距离，于是定位误差δ为：

$\mathrm{\δ}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}|{(u-x_i)}^2+{(v-y_i)}^2+{(w-z_i)}^2-d_i^2|---\left(9\right)$

设η为信任值，根据定位误差δ，可计算出信任值η为：

平均每跳距离，某一个标识节点处的平均每跳距离为：

${\mathrm{HopSize}}_i=\frac{\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2+{(z_i-z_j)}^2}}{\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{h}_j}$ 所有标识节点j    （11）

其中(x_i,y_i,z_i)为标识节点i的坐标，(x_j,y_j,z_j)为除i外其他标识节点的坐标，h_j为标识节点i到标识节点j的跳数。

Z.Zhou在2010年《Efficient Localization for Large-scale Underwater Sensor Networks》一文中，提出将三维欧氏距离估计方法和迭代位置估计方法结合的一种分布式测距相关的定位方案。三维欧氏距离估计方法实施的前提条件是普通节点有三个一跳参考节点，且到这三个参考节点的距离可以测量得到，根据三个参考节点的坐标和普通节点到三个参考节点的距离，普通节点可以计算出其位置的两个可能值，文中指出，普通节点有其他与自身的两跳参考节点有估计值的邻居节点时，可以通过本地投票确定普通节点坐标的唯一性。当节点的坐标确定，且它的信任值大于阈值时，此节点升级为参考节点并广播包含自身位置的信标信息包，协助其他普通节点的位置估计，这就是迭代位置估计方法。由此可以看出，为了确定普通节点坐标的唯一性，需要普通节点和两跳参考节点之间的邻居节点进行投票判定，然而文中并未指出此邻居节点的位置是否确定，这会导致不能确定普通节点坐标的唯一性。另外普通节点周围没有足够的一跳参考节点和一跳升级参考节点时，按照文中所述迭代位置估计方法不能完成对此类普通节点的定位。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水下传感器网络定位方法，对欧式距离估计方法进行了改进，针对普通节点一跳范围内的参考节点数和一跳升级参考节点数之和小于4的情况，使普通节点发送定位请求信息包，获得两跳参考节点及标记为标识节点的信息，还有各标识节点计算得到的平均每跳距离，可计算出普通节点到两跳参考节点的距离，最后可计算得到普通节点的坐标。本发明对静态的和动态的大规模水下无线传感器网络中节点的定位均适用。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

水下传感器网络定位方法，包括如下步骤：

（1）参考节点和升级参考节点周期性广播发送包含自身位置的信标信息；

（2）普通节点接收参考节点和升级参考节点发送的信标信息，记普通节点接收到发送信标信息的一跳参考节点个数为m，普通节点接收到发送信标信息的一跳升级参考节点个数为k；

（3）对任一普通节点，当m≥4时，根据四边测量法或极大似然估计法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败；

（4）对任一普通节点，当0＜m＜4，且m+k≥4时，根据四边测量法或极大似然估计法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败；

（5）对任一普通节点，当m=3且k=0时，该普通节点发送定位请求信息R₁，若该节点存在一跳位置已知的普通节点，接收到此定位请求信息R₁的两跳参考节点和一跳位置已知的普通节点反馈包含自身位置的信息给该普通节点，根据三维欧氏距离估计计算该普通节点到两跳参考节点的欧氏距离，根据四边测量法计算该普通节点的位置；

（6）对任一普通节点，当m=3且k=0，且该普通节点不存在一跳位置已知的普通节点时，或者当m+k≤3且m≥1时，记该普通节点的两跳参考节点数目为n，若n≥4-(m+k)，该普通节点发送定位请求信息R₂，根据DV-Hop算法估计该普通节点到两跳参考节点的距离，根据四边测量法计算该普通节点的位置；

其中，一跳参考节点为该普通节点一跳范围内的参考节点，两跳参考节点为该普通节点一跳参考节点的邻居参考节点，一跳升级参考节点为该普通节点一跳范围内成功定位的普通节点，一跳位置已知的普通节点为该普通节点一跳范围内位置已求出但信任值小于阈值K的普通节点。

优选的，所述步骤（4）中，选取c₁值最大的（4-m）个一跳升级参考节点参与普通节点位置的计算，c₁值的计算公式为：

$c_1=\mathrm{\α}\frac{E_{\mathrm{residual}}}{E_{\mathrm{initial}}}+\mathrm{\β\η}+\mathrm{\γ}\frac{1}{d_{\mathrm{measurement}}}---\left(12\right)$

其中E_residual为该升级参考节点的剩余能量，E_initial为该升级参考节点的初始能量，d_measurement为该普通节点与该一跳升级参考节点的测量距离，α、β和γ为加权值，α≥0、β≥0、γ≥0且满足α+β+γ=1。

具体的，所述步骤（5）具体包括如下步骤：

（5-1）普通节点发送定位请求信息R₁，三个一跳参考节点将该定位请求信息R₁传递给所有两跳参考节点，接收到此定位请求信息R₁的两跳参考节点和一跳位置已知的普通节点反馈包含自身位置的信息给该普通节点；

（5-2）根据三个一跳参考节点确定该普通节点的两种可能位置，利用两跳参考节点与该普通节点不能直接通信的特性以及一跳位置已知的普通节点确定该普通节点的位置唯一性；

（5-3）选择一个两跳参考节点，计算该普通节点到该两跳节点的欧氏距离，利用三个一跳参考节点、选定的一个两跳参考节点以及这四个参考节点与该普通节点之间的距离，根据四边测量法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败。

具体的，所述步骤（6）具体包括如下步骤：

（6-1）普通节点发送定位请求信息R₂，首先一跳参考节点将该定位请求信息R₂传递给所有两跳参考节点；然后以剩余能量最大的邻居参考节点作为转发参考节点，每一个两跳参考节点依次向下一跳参考节点传递该定位请求信息R₂，直至从该普通节点开始，传递的总跳数达到预先设定的跳数阈值H时，停止传递，每一条传递链路上存在H个参考节点；

（6-2）以该普通节点为起点，将一跳参考节点、第H个参考节点以及每隔3跳的参考节点标记为标识节点，根据DV-Hop算法，标识节点计算平均每跳距离，并将标识节点的信息和计算出的平均每跳距离反馈给该普通节点；

（6-3）根据标识节点计算出的平均每跳距离，该普通节点计算平均每跳距离的平均值，估计该普通节点到两跳参考节点的距离；

（6-4）选择4-(m+k)个两跳参考节点，结合一跳参考节点和一跳升级参考节点，根据四边测量法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败。

优选的，所述步骤（6）中，选取c₂值最大的一个或两个以上两跳参考节点参与计算，c₂值的计算公式为：

c₂=E_resigual×d_trust    （13）

其中，d_trust为估计距离可信度，d_estimate为该普通节点与该两跳参考节点的估计距离，φ和

为加权值，φ≥0、

且满足

优选的，所述步骤（6）中，选取4-(m+k)个两跳参考节点参与计算。

有益效果：本发明提供的水下传感器网络定位方法，融合了三维欧氏距离估计方法、迭代位置估计方法和DV-Hop算法，为了完成普通节点的定位，给出了一跳升级参考节点、两跳参考节点和转发定位请求信息包的下一跳参考节点的选择标准。用三维欧氏距离估计方法和DV-Hop算法计算出普通节点到两跳参考节点的距离，用四边测量法计算出节点的坐标后，根据坐标与到参考节点的距离计算节点的定位误差与信任值，比较信任值与阈值的大小关系，确定此节点是否定位成功、成为升级参考节点；迭代位置估计方法是在普通节点成功定位后，广播包含自身位置的信标信息包，协助其他普通节点的定位。本方法适用于静态或动态的大规模水下无线传感器网络中节点的定位。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为一种水下传感器网络的网络模型；

图3为本发明方法在图2的网络模型中的应用实例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种水下传感器网络定位方法的流程图，具体包括如下步骤：

（1）参考节点和升级参考节点周期性广播发送包含自身位置的信标信息；

（2）普通节点接收参考节点和升级参考节点发送的信标信息，记普通节点接收到发送信标信息的一跳参考节点个数为m，普通节点接收到发送信标信息的一跳升级参考节点个数为k；

（3）对任一普通节点，当m≥4时，根据四边测量法或极大似然估计法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败；

（4）对任一普通节点，当0＜m＜4，且m+k≥4时，根据四边测量法或极大似然估计法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败；

（5）对任一普通节点，当m=3且k=0时，该普通节点发送定位请求信息R₁，若该节点存在一跳位置已知的普通节点，接收到此定位请求信息R₁的两跳参考节点和一跳位置已知的普通节点反馈包含自身位置的信息给该普通节点，根据三维欧氏距离估计计算该普通节点到两跳参考节点的欧氏距离，根据四边测量法计算该普通节点的位置；

（6）对任一普通节点，当m=3且k=0，且该普通节点不存在一跳位置已知的普通节点时，或者当m+k≤3且m≥1时，记该普通节点的两跳参考节点数目为n，若n≥4-(m+k)，该普通节点发送定位请求信息R₂，根据DV-Hop算法估计该普通节点到两跳参考节点的距离，根据四边测量法计算该普通节点的位置；

其中，一跳参考节点为该普通节点一跳范围内的参考节点，两跳参考节点为该普通节点一跳参考节点的邻居参考节点，一跳升级参考节点为该普通节点一跳范围内成功定位的普通节点，一跳位置已知的普通节点为该普通节点一跳范围内位置已求出但信任值小于阈值K的普通节点。

所述步骤（4）中，选取c₁值最大的(4-m)个一跳升级参考节点参与普通节点位置的计算，c₁值的计算公式为：

$c_1=\mathrm{\α}\frac{E_{\mathrm{residual}}}{E_{\mathrm{initial}}}+\mathrm{\β\η}+\mathrm{\γ}\frac{1}{d_{\mathrm{measurement}}}---\left(12\right)$

其中E_residual为该升级参考节点的剩余能量，E_initial为该升级参考节点的初始能量，d_measurement为该普通节点与该一跳升级参考节点的测量距离，α、β和γ为加权值，α≥0、β≥0、γ≥0且满足α+β+γ=1。

所述步骤（5）具体包括如下步骤：

（5-1）普通节点发送定位请求信息R₁，三个一跳参考节点将该定位请求信息R₁传递给所有两跳参考节点，接收到此定位请求信息R₁的两跳参考节点和一跳位置已知的普通节点反馈包含自身位置的信息给该普通节点；

（5-2）根据三个一跳参考节点确定该普通节点的两种可能位置，利用两跳参考节点与该普通节点不能直接通信的特性以及一跳位置已知的普通节点确定该普通节点的位置唯一性；

（5-3）选择一个两跳参考节点，计算该普通节点到该两跳节点的欧氏距离，利用三个一跳参考节点、选定的一个两跳参考节点以及这四个参考节点与该普通节点之间的距离，根据四边测量法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败。

所述步骤（6）具体包括如下步骤：

（6-1）普通节点发送定位请求信息R₂，首先一跳参考节点将该定位请求信息R₂传递给所有两跳参考节点；然后以剩余能量最大的邻居参考节点作为转发参考节点，每一个两跳参考节点依次向下一跳参考节点传递该定位请求信息R₂，直至从该普通节点开始，传递的总跳数达到预先设定的跳数阈值H时，停止传递，每一条传递链路上存在H个参考节点；

（6-2）以该普通节点为起点，将一跳参考节点、第H个参考节点以及每隔3跳的参考节点标记为标识节点，根据DV-Hop算法，标识节点计算平均每跳距离，并将标识节点的信息和计算出的平均每跳距离反馈给该普通节点；

（6-3）根据标识节点计算出的平均每跳距离，该普通节点计算平均每跳距离的平均值，估计该普通节点到两跳参考节点的距离；

（6-4）选择4-(m+k)个两跳参考节点，结合一跳参考节点和一跳升级参考节点，根据四边测量法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败。

所述步骤（6）中，选取c₂值最大的4-(m+k)个两跳参考节点参与计算，c₂值的计算公式为：

c₂=E_resigual×d_trust    （13）

其中，d_trust为估计距离可信度，d_estimate为该普通节点与该两跳参考节点的估计距离，φ和

为加权值，φ≥0、

且满足

简单来说，从参考节点广播信标信息包开始，普通节点接收到4个及4个以上参考节点广播的信标信息包时，用四边测量法或极大似然估计法计算出普通节点的坐标，计算信任值，判断信任值是否大于阈值，并依此决定是否成功定位且升级为参考节点；普通节点接收到3个参考节点广播的信标信息包时，计算出节点两种可能位置，发送定位请求，判断是否有位置已知的一跳普通节点与它和它的两跳参考节点同时连通，若存在这样的一跳位置已知普通节点，确定普通节点坐标的唯一性，用欧氏距离估计方法计算普通节点到两跳参考节点的距离，最后利用一跳参考节点和两跳参考节点的信息以及距离，计算普通节点的坐标；m+k≤3且m≥1时，或m＝3且无一跳位置已知的普通节点时，要求两跳参考节点个数n≥4-(m+k)，发送定位请求，标识节点及两跳参考节点反馈参考节点信息及根据DV-Hop算法所求得出的平均每跳距离给普通节点，普通节点求出平均每跳距离的平均值，计算得到普通节点到两跳参考节点的距离，在原有一跳参考节点和一跳升级参考节点的基础上，依据两跳参考节点c₂值选择若干两跳参考节点，完成对普通节点的定位。

如图2所示为一种水下传感器网络的网络模型，包括水面浮标、参考节点和普通节点。水面浮标可接收GPS信号，得到自身精确的位置；参考节点通过接收水面浮标广播的信标信息，接收到足够多的水面浮标所广播的信标信息，参考节点可完成对自身的定位，参考节点定位完成后广播信标信息；普通节点只能接收参考节点广播的信标信息，而不能接收到水面浮标所广播的信标信息，普通节点通过所接收的参考节点信标信息，完成对自身的定位。假设网络中节点时间同步，本发明只关注于普通节点的定位，即假设参考节点已经完成定位，且信任值都为1。

如图3所示，为本发明在图2的网络模型中的应用实例，本发明中所述两跳参考节点为与普通节点的一跳参考节点相邻的参考节点，例如参考节点D和F为普通节点N的两跳参考节点，与普通节点的一跳普通节点或一跳升级参考节点相邻的参考节点不为普通节点的两跳参考节点，例如参考节点E就不是普通节点N的两跳参考节点。

开始参考节点广播信标信息包，接收到4个及4个以上信标信息包的普通节点用四边测量法或极大似然估计法可完成定位，例如图中的节点M，M完成定位且信任值大于阈值时升级为参考节点并广播信标信息包；

图中节点N接收到三个一跳参考节点和M所广播的信标信息包，能计算出N的坐标；若M的信任值小于阈值K，粗略位置已知，M与N的两跳参考节点有距离估计值，根据三个一跳参考节点A、B和C，可得到N的两种可能坐标值，发送定位请求R₁后，可得到两跳参考节点和一跳位置已知普通节点M的信息，利用两跳参考节点与N的通信关系、M与N和M与N的两跳参考节点的连通关系，可确定N点坐标的唯一性，计算出N到两跳参考节点的欧氏距离，利用原有一跳参考节点和两跳参考节点的坐标及距离，可计算出N的坐标，计算定位误差和信任值，若信任值大于阈值，节点N升级为参考节点并广播信标信息包。

如果节点N的一跳参考节点数小于4且没有一跳升级参考节点，节点N发送定位请求R₂，获得两跳参考节点信息，并将此定位请求沿着参考节点传递H次，如图中N-A-P-G-H-I-J-K所示，其中A、H和K标记为标识节点，分别计算平均每跳距离并反馈给N，N计算平均每跳距离的平均值，最终可计算出N的坐标。

定位请求信息R₁传递给所有两跳参考节点，R₂传递给所有两跳参考节点后的下一跳转发节点的选择依据是节点剩余能量，剩余能量最大的邻居节点被选定为下一跳转发节点。普通节点选择一跳升级参考节点的依据是c₁的值，普通节点选择两跳参考节点的依据是c₂的值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.水下传感器网络定位方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（1）参考节点和升级参考节点周期性广播发送包含自身位置的信标信息；

（2）普通节点接收参考节点和升级参考节点发送的信标信息，记普通节点接收到发送信标信息的一跳参考节点个数为m，普通节点接收到发送信标信息的一跳升级参考节点个数为k；

（3）对任一普通节点，当m≥4时，根据四边测量法或极大似然估计法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败；

（4）对任一普通节点，当0＜m＜4，且m+k≥4时，根据四边测量法或极大似然估计法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败；

（5）对任一普通节点，当m=3且k=0时，该普通节点发送定位请求信息R₁，若该节点存在一跳位置已知的普通节点，接收到此定位请求信息R₁的两跳参考节点和一跳位置已知的普通节点反馈包含自身位置的信息给该普通节点，根据三维欧氏距离估计计算该普通节点到两跳参考节点的欧氏距离，根据四边测量法计算该普通节点的位置；

（6）对任一普通节点，当m=3且k=0，且该普通节点不存在一跳位置已知的普通节点时，或者当m+k≤3且m≥1时，记该普通节点的两跳参考节点数目为n，若n≥4-(m+k)，该普通节点发送定位请求信息R₂，根据DV-Hop算法估计该普通节点到两跳参考节点的距离，根据四边测量法计算该普通节点的位置；

其中，一跳参考节点为该普通节点一跳范围内的参考节点，两跳参考节点为该普通节点一跳参考节点的邻居参考节点，一跳升级参考节点为该普通节点一跳范围内成功定位的普通节点，一跳位置已知的普通节点为该普通节点一跳范围内位置已求出但信任值小于阈值K的普通节点。

2.根据权利要求1所述的水下传感器网络定位方法，其特征在于：所述步骤（4）中，选取c₁值最大的(4-m)个一跳升级参考节点参与普通节点位置的计算，c₁值的计算公式为：

$c_1=\mathrm{\α}\frac{E_{\mathrm{residual}}}{E_{\mathrm{initial}}}+\mathrm{\β\η}+\mathrm{\γ}\frac{1}{d_{\mathrm{measurement}}}$

其中E_residual为该升级参考节点的剩余能量，E_initial为该升级参考节点的初始能量，d_measurement为该普通节点与该一跳升级参考节点的测量距离，α、β和γ为加权值，α≥0、β≥0、γ≥0且满足α+β+γ=1。

3.根据权利要求1所述的水下传感器网络定位方法，其特征在于：所述步骤（5）具体包括如下步骤：

（5-1）普通节点发送定位请求信息R₁，三个一跳参考节点将该定位请求信息R₁传递给所有两跳参考节点，接收到此定位请求信息R₁的两跳参考节点和一跳位置已知的普通节点反馈包含自身位置的信息给该普通节点；

（5-2）根据三个一跳参考节点确定该普通节点的两种可能位置，利用两跳参考节点与该普通节点不能直接通信的特性以及一跳位置已知的普通节点确定该普通节点的位置唯一性；

（5-3）选择一个两跳参考节点，计算该普通节点到该两跳节点的欧氏距离，利用三个一跳参考节点、选定的一个两跳参考节点以及这四个参考节点与该普通节点之间的距离，根据四边测量法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败。

4.根据权利要求1所述的水下传感器网络定位方法，其特征在于：所述步骤（6）具体包括如下步骤：

（6-1）普通节点发送定位请求信息R₂，首先一跳参考节点将该定位请求信息R₂传递给所有两跳参考节点；然后以剩余能量最大的邻居参考节点作为转发参考节点，每一个两跳参考节点依次向下一跳参考节点传递该定位请求信息R₂，直至从该普通节点开始，传递的总跳数达到预先设定的跳数阈值H时，停止传递，每一条传递链路上存在H个参考节点；

（6-2）以该普通节点为起点，将一跳参考节点、第H个参考节点以及每隔3跳的参考节点标记为标识节点，根据DV-Hop算法，标识节点计算平均每跳距离，并将标识节点的信息和计算出的平均每跳距离反馈给该普通节点；

（6-3）根据标识节点计算出的平均每跳距离，该普通节点计算平均每跳距离的平均值，估计该普通节点到两跳参考节点的距离；

（6-4）选择4-(m+k)个两跳参考节点，结合一跳参考节点和一跳升级参考节点，根据四边测量法计算该普通节点的坐标、定位误差δ和信任值η；若信任值η大于阈值K，则该普通节点定位成功，成为升级参考节点，否则定位失败。

5.根据权利要求1或4所述的水下传感器网络定位方法，其特征在于：所述步骤（6）中，选取c₂值最大的一个或两个以上两跳参考节点参与计算，c₂值的计算公式为：

c₂=E_resigual×d_trust

其中，d_trust为估计距离可信度，d_estimate为该普通节点与该两跳参考节点的估计距离，φ和

为加权值，φ≥0、

且满足

6.根据权利要求1或4所述的水下传感器网络定位方法，其特征在于：所述步骤（6）中，选取4-(m+k)个两跳参考节点参与计算。

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