CN103391615A

CN103391615A - 一种水下多级定位方法

Info

Publication number: CN103391615A
Application number: CN2013102821037A
Authority: CN
Inventors: 刘林峰; 朱志文; 管文冰
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明提出了一种水下多级定位方法，属于无线传感器网络定位技术领域。本方法是对传统三边测量算法和多级定位算法的改进，对于处于参考节点通信半径外的孤立节点，利用参考节点与待定位节点之间的其他未知节点作为路由节点转发参考节点的位置信息，再通过路由节点接收信号和发送信号之间的夹角，采用余弦定理进一步降低参考节点与待定位节点之间距离的误差，最后采用三边测量法完成定位。本发明方法提高了定位的覆盖率，并降低了定位误差。

Description

一种水下多级定位方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种水下多级定位方法。

背景技术

水下无线传感器网络与传统的陆上无线传感器网络有许多相似之处。它以水下传感器作为信息获取的媒介，节点通过声波相互通信，在海洋环境中采集所需的数据，将水下网络与常规网络相连接，将获得的数据传送给观测者。

在三维的水下无线传感器网络中，传感器节点由于水流等因素而经常移动，对这些移动节点的定位是非常必要的，这是因为一些应用如水下生物监测应用需要高精度的定位，而水下监视网络则需要确定大量节点的位置信息。

相较于陆地定位，水环境中的定位更为复杂，传统的陆地定位方法并不完全适用于水环境中。在陆地上一般采用无线电波定位和通信，而在水下，无线电波的传播距离非常短，光也因为在水中受到高衰减和散射的影响，不适用于水下环境，所以声波是唯一能在水介质中进行长距离传输的能量形式。由于声波在水中传播的速度较无线电波要小的多，时延较高，基于这种特性计算出连个节点之间的距离，从而可以利用三边测量法给节点定位。

目前主要的水下无线传感器网络节点的定位方法有GPS智能浮标GIB、USP、SLMP和水下APS系统。GIB是基于水面浮标的网络。每一个周期(通常为一秒),节点传送两种连续信号,一种用于GPS同步,另一种相应地由深度而延迟。每一个浮标分别测量两种信号的GPS到达时间,并通过RF信号把这些信息与自己的有差别的GPS位置传送给控制与显示单元。由于声波速度已知,传播时间直接转化为到浮标的距离。由于深度已知(由每一个浮标测得),节点的位置可以直接由三边测量法获得。

在USP方案中,深度信息对于水下节点来说是可知的,因此通过投影技术可以把三维空间定位转化为平面定位。

带移动预测的可扩展定位算法SLMP利用水下物体可预测移动模型来实现移动节点的定位。在SLMP中,节点分为两种：参考节点与普通节点。在定位开始阶段,四个或四个以上的浮标知道自己的位置,参考节点有很强的能源,能直接测量与浮标的距离。普通节点采用递归定位方法,在普通节点定位过程中引入参考节点概念,参考节点为知道自身位置的节点,随着定位过程的深入,越来越多的普通节点变成参考节点,则每一个普通节点都可以定位.在定位过程中,每个节点可以根据自己过去的位置信息预测将来的移动模型,并根据此模型估计自己将来的位置。

水下APS定位系统是指把APS定位系统应用到水下环境中。节点分为水面节点、参考节点与普通节点,水面节点通过某些方式能够知道自己的位置,而参考节点能够与水面直接通信从而知道自己的绝对位置,参考节点能够与普通节点通信并帮助它们定位。

以上几种定位方法应用与不同的环境中都有其各自的优势，但是遗憾的是，没有一种方法可以处理孤立节点无法定位的问题。基于这个原因提出了本专利中的水下无线传感器网络的多级定位方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对孤立节点难以定位的问题，提出一种水下多级定位方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种水下多级定位方法，包括步骤如下：

步骤1，获取自节点到相邻节点之间的距离:

每一个节点的天线在水平方向上逆时针周期性旋转，发送带有自身标识的信号，周围的节点接收到信号后回传一个带有自身标识的响应信号完成一次握手，根据声波在水下的速度和信号一次握手所需时长，计算出通信半径内所有与之相邻节点之间的距离；

步骤2，获取最短路径:

从已知坐标的参考节点开始使用贪心法选择一条到待定位节点的最短路径，将中间经过的未知节点加入路由表，记录参考节点到待定位节点最短路径的跳数，并将参考节点到待定位节点最短路径上所有节点顺序编号；

步骤3，参考节点选择:

待定位节点选择3个与其相隔跳数最少的参考节点，获取参考节点的坐标；

步骤4，距离修正：

将参考节点到待定位节点最短路径的逐跳最短路径折线距离修正成参考节点与待定位节点间的直线距离；具体为：

步骤4-1，将天线周期性逆时针旋转，记录入射信号与出射信号之间的夹角；

步骤4-2，根据三角形余弦定理，将参考节点与待定位节点最短路径的逐跳折线距离拟合成参考节点与待定位节点间的直线距离；

步骤5，使用三边测量法计算出待定位节点坐标。

本发明的有益效果：本发明提出了一种水下多级定位方法，属于无线传感器网络定位技术领域。本方法是对传统三边测量算法和多级定位算法的改进，对于处于参考节点通信半径外的孤立节点，利用参考节点与待定位节点之间的其他未知节点作为路由节点转发参考节点的位置信息，再通过路由节点接收信号和发送信号之间的夹角，采用余弦定理进一步降低参考节点与待定位节点之间距离的误差，最后采用三边测量法完成定位。本发明方法提高了定位的覆盖率，并降低了定位误差。

附图说明

图1为本发明中贪心法获取最短路径示意图。

图2为本发明中参考节点选择示意图。

图3是本发明节点表示图。

图4为本发明中2跳节点直线距离示意图。

图5为本发明中3跳节点直线距离距离示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，详细说明本发明一种水下多级定位方法。本发明包括以下步骤：

步骤1，获取自节点到相邻节点之间的距离，每一个节点的天线在水平方向上逆时针周期性旋转发送带有自身标识的信号来搜索周围的节点，周围的节点接收到信号后回传一个带有自身标识的响应信号完成一次握手，根据声波在水下的速度和信号一次握手所需时长来计算出通信半径内所有与之相邻节点之间的距离；

步骤2，贪心法获取最短路径路由表。从参考节点开始使用贪心法选择一条到待定位节点的最短路径，如图1所示，实线箭头即为最短路径。并且将中间经过的未知节点加入路由表，并给参考节点序号为1，依次经过的路由节点序号为2,3,4…，直至最后的待定位节点k。

步骤3，参考节点选择。待定位节点选择3个相隔跳数最少的参考节点，获取参考节点的坐标(x_j,y_j),其中1≤j≤3。如图2所示，O为待定位节点，参考节点A、B、C、D、E距离O节点的跳数分别为1、3、1、2、3，所以选择参考节点A、C、D。

步骤4，将步骤2中获取的折线型最短路径距离修正成直线距离。

说明：一条参考节点到待定位节点的最短路径路由表建立后，路由节点记为node_j(i)，i表示路由表中序号为i的节点,j表示参考节点(1≤j≤3)序号，如图3所示节点表示图，j取值为1时，1号参考节点到待定位节点路径上个路由节点的序号表示方法；node_j(i-1)与node_j(i)之间距离记为d_j(i-1,i);θ_i,j表示d_j(i-1,i)和d_j(i,i+1)之间夹角，d'_j(i-1,i+1)为修正后的node_j(i-1)与node_j(i+1)之间距离。

步骤4-1，node_j(i)天线周期性逆时针旋转，找到node_j(i-1)，开始记录角度，待找到node_j(i+1)时，计算天线所转过的角度θ_i,j，记入寄存器中。

步骤4-2，令j=1，表示先计算1号参考节点到待定位节点之间的直线距离。初始状态i=2，即从node_j(1)参考节点的下一跳路由节点开始运行递归算法进行距离修正，直到i=k为止距离计算公式递归结束，k即为待定位的目标节点，将最终的距离d'_j(1,k)发给待定位节点存入寄存器，d'_j(1,k)即为1号参考节点到待定位节点的直线距离。

步骤4-2-1，当i=2时，也就是计算node_j(1)路由节点（参考节点）与node_j(2)路由节点之间的距离,此时

d'_j(1,2)=d_j(1,2)

步骤4-2-2，如图4所示，当i=3时，计算1号路由节点(参考节点)与3号路由节点之间的距离，此时可以采用余弦定理：

若θ_i-1j<180°，

d_{j}^{'} (1,3) = \sqrt{d_{j} {(1,2)}^{2} + d_{j} {(2,3)}^{2} - 2 \times d_{j} (1,2) \times d_{j} (2,3) \times \cos θ_{i - 1, j}}

若θ_i-1j>180°，

步骤4-2-3，如图5所示，当4≤i≤k时，

d_{j}^{'} (1, i) = \sqrt{d {(i - 1, i)}^{2} + d {(i - 3, i - 1)}^{2} - 2 \times d (i - 1, i) \times d (i - 3, i - 1) \times \cos δ_{j}}

若θ_i-2j<180°&&θ_i-1j<180°，

δ_j=θ_i-1,j-α_i-1,j

若θ_ij-1<180°&&θ_ij>180°，

δ_j=360°-θ_i-1,j+α_i-1,j

若θ_i-1>180°&&θ_i<180°，

δ_j=360°-θ_i-1,j-α_i-1,j

若θ_i-1>180°&&θ_i>180°，

δ_j=θ_i-1,j+α_i-1,j

其中，

α_{i - 1 j} = \arccos \frac{d {(i - 3, i - 1)}^{2} + d {(i - 2, i - 1)}^{2} - d {(i - 3, i - 2)}^{2}}{2 \times d (i - 3, i - 1) \times d (i - 2, i - 1)}

步骤4-2-4，i自增1，重复步骤4-2-3。

步骤4-3，若j≤3，重复步骤4-2。

步骤5，三边测量法。使用三边测量法计算出待定位节点坐标。

综上所述，本方法先采用贪心法获取参考节点到孤立节点的最短路由路径，在计算参考节点与待定位节点之间的距离过程中，通过路由节点入射信号与出射信号之间的夹角使用三角形余弦定理将原本折线形的距离转换为直线距离，将该距离用在三边测量法上计算待定位节点的坐标。这样的方法可以有效提高系统定位的覆盖率，同时提高节点的定位精度。

Claims

1.一种水下多级定位方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1，获取自节点到相邻节点之间的距离:

步骤2，获取最短路径:

步骤3，参考节点选择:

步骤4，距离修正：

步骤5，使用三边测量法计算出待定位节点坐标。