CN108627802A - 多信源海洋物联网定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种多信源海洋物联网定位方法，包括，设置浮标、航标、建筑物、不同位置的船为信标节点，水下节点N为待定位节点；水下节点N向信标节点广播定位请求，信标节点测得自身与水下节点N之间的距离，信标节点将自身的属性信息、位置信息和与水下节点N之间的距离发送到水下节点N，水下节点N根据多边定位原理确定其自身位置。本发明的多信源海洋物联网定位方法，简单、成本低、定位精度高。

Description

多信源海洋物联网定位方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种多信源海洋物联网定位方法。

背景技术

定位技术是海洋物联网的关键技术之一，在航海管理、目标追踪、资源勘测等方面发挥着巨大作用。海洋物联网采用水声通信，比陆地无线通讯复杂得多，具有通信传播延迟长，延迟方差大，传播损失大，多途现象和多普勒频散严重，误码率高等特点。现阶段，关于海洋物联网定位技术的研究非常有限，多数处于探索阶段，是一项亟待研究开发的重要技术。

水下定位算法主要包括水下声学定位、水下传感器网络定位。水下声学定位系统主要分为超短基线定位系统(USBL/SSBL)、短基线定位系统(SBL)和长基线定位系统(LBL)。水下传感器网络定位的研究主要可以分为基于测距的定位算法和无需测距的定位算法。基于测距的定位算法较为常用，DNR算法利用信标节点在水中的起伏发送位置变化的定位信息，待定位节点通过监听定位信标节点的信息实现定位。Auv-aided Localization利用自控水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)周期性地发送位置信息进行定位。无需测距的LDB算法利用移动信标节点进行定位，适用于三维稀疏网络的定位。

由于海洋环境的不同特点，陆地物联网的定位技术不能直接用于水下，现有的水下定位算法还有许多不足之处。超短基线定位的缺陷之处在于定位精度与斜距有关，距离越远定位精度越低；短基线定位由于存在坐标系之间的偏差，需与外接辅助设备配合使用；长基线定位布阵、测阵与回收操作十分复杂、耗时，成本较高。基于测距的定位算法依赖于信标节点，而海洋中的信标节点难以精确部署，其位置具有不确定性；无需测距的定位算法精度较低，有更大的能量消耗与通信开销。基于上述可知现有技术中的定位算法，要么定位精度低，要么复杂成本高。

发明内容

为了解决水下信标节点难以精确部署、位置不确定、定位精度低、能量和通信开销大的问题，本发明提供一种多信源海洋物联网定位方法，该定位方法简单、成本低、定位精度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：多信源海洋物联网定位方法，包括，

设置浮标、航标、建筑物、不同位置的船为信标节点，水下节点N为待定位节点；

水下节点N向信标节点广播定位请求，信标节点测得自身与水下节点N之间的距离，信标节点将自身的属性信息、位置信息和与水下节点N之间的距离发送到水下节点N，水下节点N根据多边定位原理确定其自身位置。

进一步地，当信标节点的数目大于等于4时，设置浮标、航标、建筑物和第一次通信的船为静态信标节点，设置一次以上通信的船为动态信标节点，设置静态信标节点的数目为m；

当m＞4时，水下节点N在确定其自身位置时，优先选用距离其位置最近的4个静态信标节点。

进一步地，当m＜4时，水下节点N在确定其自身位置时，优先选用静态信标节点，然后再选择距离其最近的船作为动态信标节点。

进一步地，当m＜4时，水下节点N连续发送4-m次点对点定位请求。

进一步地，当信标节点的数目小于4时，水下节点N通过相邻已经定位的节点进行定位。

进一步地，所述多边定位原理具体包括，

设置信标节点A、B、C和D，其位置分别为(x_A,y_A,z_A)、(x_B,y_B,z_B)、(x_C,y_C,z_C)和(x_D,y_D,z_D)，水下节点N与标节点A、B、C和D之间的距离分别为d_AN、d_BN、d_CN和d_DN，则水下节点N的位置(x_N,y_N,z_N)可由以下方程解得：

本发明的多信源海洋物联网定位方法，是专门针对海洋物联网的定位方法，采用位置精确的舰船、浮标、建筑物等作为信标节点，解决水下信标节点难以精确部署，位置不确定的问题，定位精度高，能量和通信开销低，不需要特殊的部署和额外的硬件设备，简单可靠，成本低，适用性强，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为静态信标节点的定位示意图；

图2为静态、动态信标节点的定位示意图；

图3为当动态信标节点属于同一艘船时节点的定位示意图；

图4为图3中动态信标节点定位信息交换示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前，海洋物联网技术是当前海洋开发活动和海洋信息获取的主要手段，在海底环境监测、海洋工程、海洋资源开发、海洋科学发展、以及海洋灾害预警预报与急救等多方面都发挥着极其重要的作用，而定位技术作为海洋物联网技术的先驱部分，有着不可或缺的作用。

用于海洋物联网定位技术的设备也是多种多样，例如，水下自主机器人AUV、水下信标定位仪、位置传感器等等，虽然这些设备定位精度高、效果好，但是它们造价高、通信成本大。为了解决这一问题，本发明提出一种多信源海洋物联网定位方法。

本发明的多信源海洋物联网定位方法，包括，

设置浮标、航标、建筑物、不同位置的船为信标节点，水下节点N为待定位节点；

水下节点N向信标节点广播定位请求，信标节点测得自身与水下节点N之间的距离，信标节点将自身的属性信息、位置信息和与水下节点N之间的距离发送到水下节点N，水下节点N根据多边定位原理确定其自身位置。

当信标节点的数目大于等于4时，设置浮标、航标、建筑物和第一次通信的船为静态信标节点，设置一次以上通信的船为动态信标节点，设置静态信标节点的数目为m；其中信标节点自身的属性信息即为其是否可以设置为动态信标节点。

在近海，船、航标、浮标、建筑物等较多，采用直接使用这些位置精确的船、航标、建筑物等作为信标节点。如图1所示，节点N为待定位节点，岸边建筑A、浮标B、帆船C、轮船D可以通过自身的定位设备确定自身的位置，可以将它们作为信标节点用于水下节点N的定位。水下节点N向岸边建筑A、浮标B、帆船C、轮船D发出定位请求，岸边建筑A、浮标B、帆船C、轮船D可以采用现有测距方法(例如：TOA、TDOA)测得自身和节点N之间的距离。岸边建筑A、浮标B、帆船C、轮船D将自身的属性、位置信息和其与节点N之间的距离发送到节点N。节点N利用这些信息，根据多边定位原理，可得：

其中，(x_A,y_A,z_A)是岸边建筑A的位置，(x_B,y_B,z_B)是浮标B的位置，(x_C,y_C,z_C)是帆船C的位置，(x_D,y_D,z_D)是轮船D的位置，(x_N,y_N,z_N)是待定位节点N的位置，d_AN是岸边建筑A和节点N之间的距离，d_BN是浮标B和节点N之间的距离，d_CN是帆船C和节点N之间的距离，d_DN是轮船D和节点N之间的距离。求解方程组即可得到节点N的位置。该方法精度高、计算量小，其对信标节点数目有最低要求，在三维空间里，信标节点数目不能少于4个。

当m＞4时，水下节点N在确定其自身位置时，优先选用距离其位置最近的4个静态信标节点。

在海洋环境中，当信标节点的数目大于4的时候，应选择离水下待定位节点最近的四个信标节点。原因是：在水下环境中，水声在传播的过程中，会受到各种因素的影响，而造成损耗，这些损耗会导致水声传播的速度变低。当信标节点与水下节点距离越近，水声损耗越小，则通信的时延就越短，所得的时间误差就越低。从而通过公式d＝ct(c表示的是水声速度，t表示水下节点N与信标节点之间的通信时延，d表示水下节点N与信标节点之间的距离)计算的两点之间的距离误差也就越小，利用多边定位的公式(1)所得到的水下待定位节点的位置误差也就会越低。

当m＜4时，水下节点N在确定其自身位置时，优先选用静态信标节点，然后再选择距离其位置最近的动态信标节点。

在远海，船、航标、建筑物等的分布相对稀疏，信标节点数目有限，当返回的位置信息数目不能达到使用定位算法信标节点数目下限时，待定位节点可以通过多次与移动的船舶进行信息交换收集定位信息。此时，应该优先选用静态信标节点，然后再选择距离其最近的船作为动态信标节点，这样能够使定位结果更加精确。

如图2所示，水下节点N广播定位请求，在其部署范围内有2艘轮船和1艘快艇正在沿航线行驶，并收到了该定位请求。此时，第一次通信的2艘轮船和1艘快艇都为静态信标节点，轮船1在位置A收到水下节点N的定位请求，计算出位置A与水下节点N之间的距离d_AN，将其属性、位置A和距离d_AN发送给水下节点N。同理，轮船2在位置B收到水下节点N的定位请求，计算出位置B与水下节点N之间的距离d_BN，将其属性、位置B和距离d_BN发送给水下节点N；快艇在位置C收到水下节点N的定位请求，计算出其与水下节点N之间的距离d_CN，将属性、位置C和距离d_CN发送给水下节点N。接下来，水下节点N发现其收到的位置信息不足以完成定位计算，由于d_CN最小，且其属性允许被设置为动态信标节点，水下节点N针对快艇点对点发送定位请求。快艇在位置D收到水下节点N的定位请求，计算出其当前位置与水下节点N之间的距离d_DN，将位置D和距离d_DN发送给水下节点N。水下节点N同样可以利用方程组(1)解得自身位置。

通常，水下节点在洋流等的影响下会随水流移动，随着时间的改变，不仅用作信标节点的船舶位置会改变，待定位节点的位置也随水流而变化。在近海，信标节点充足，待定位节点发送一次请求就能得到足够的定位信息，节点的移动不会影响算法性能。在远海，信标节点数目不足，需要船舶的不同位置信息，会给定位计算带来误差。

水下节点N在洋流等的影响下会随水流移动，当静态信标节点的数目大于等于4，水下节点N发送一次请求就能得到足够的定位信息，水下节点的移动不会影响算法性能。当静态信标节点数目不足，就需要动态信标节点补足数目，但是水下节点的移动会给定位计算带来误差。因此设计了，当m＜4时，水下节点N连续发送4-m次点对点定位请求。

静态信标节点收到水下节点N的定位请求后，将自身的属性、位置信息和与水下节点N之间的距离发送到水下节点N，水下节点N收到该信息后，立刻向距离其最近的船连续发送4-m次定位信息。该船收到这些定位信息，计算出其接收信息的位置与水下节点N之间的距离，再将其接收信息的位置和对应的距离信息发送给水下节点N。

水下节点N具有移动性，但是其在收到静态信标节点中的船的信息后，立刻连续发送4-m次点对点定位请求，时间间隔很短，在几秒内就能完成。水下节点N的移动速度较慢，在如此短的时间里，其位置改变极小，可以忽略不计，可以有效消除水下节点N具有移动性对定位精度的影响。

如图3所示，水下节点N随水流移动，一艘沿航线行驶的船舶在其部署范围内。节点N广播定位请求，船舶在位置A收到该请求，并将其属性、位置A、它与水下节点N之间的距离d_AN发送给水下节点N。水下节点N收到该信息后，立刻连续发送三次定位信息。船舶在位置B、C、D收到这些定位信息，计算出其接收信息的位置B、C、D与节点N之间的距离d_BN、d_CN、d_DN，再将船舶位置和对应的距离信息发送给水下节点N，其信息交换过程如图4所示。

当待定位节点部署区域内有多艘船舶经过时，依然可以采用本方法。每增加一艘船舶，就多运行一次定位运算，将不同的定位结果求均值，可以进一步提高定位精度。

当信标节点的数目小于4时，水下节点N可以将相邻已经定位的节点作为信标节点进行定位。在海洋物联网的应用中，待定位节点优先选择静态信标节点用于定位，当静态信标节点不足的时候，选择动态信标节点进行定位，即选择多次与移动的船舶通信得到足够的位置信息进行定位。对于处在信源覆盖范围外，无船舶可通信的节点，可以利用周围已经通过多信源定位的节点位置辅助定位，从而实现全网范围的定位。

在本发明中的建筑物是指海边或者岸边的建筑，例如房子、码头、灯塔、海上平台等。利用自带GPS设备的舰船、航标、浮标、建筑物等进行定位，舰船、航标、浮标、建筑物等不仅位置精确，而且花费成本较低，因为这些舰船、航标、浮标、建筑物等不是专门为节点定位建造，在用于节点定位的同时也进行其他的活动，例如载运货物、标示航道方向等等，这样就大大减少了定位的成本。除此之外，国家水下设备生产公司把目光都集中到了定位设备的研发，一味的将设备的定位精度做的精确，从而忽略了周围可以利用的定位设备。对于舰船、航标、建筑物等来说，只使用它们的一种功能，对于其他的功能利用基本为零。对于定位技术方面，更是没有涉及，这样造成了资源的严重浪费。所以使用舰船、航标、浮标、建筑物等作为信标节点去辅助定位，不仅让资源得到了充分利用，而且还节省了各个方面的成本。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.多信源海洋物联网定位方法，其特征在于，包括，

设置浮标、航标、建筑物、不同位置的船为信标节点，水下节点N为待定位节点；

水下节点N向信标节点广播定位请求，信标节点测得自身与水下节点N之间的距离，信标节点将自身的属性信息、位置信息和与水下节点N之间的距离发送到水下节点N，水下节点N根据多边定位原理确定其自身位置。

2.根据权利要求1所述的多信源海洋物联网定位方法，其特征在于，当信标节点的数目大于等于4时，设置浮标、航标、建筑物和第一次通信的船为静态信标节点，设置一次以上通信的船为动态信标节点，设置静态信标节点的数目为m；

当m＞4时，水下节点N在确定其自身位置时，优先选用距离其位置最近的4个静态信标节点。

3.根据权利要求2所述的多信源海洋物联网定位方法，其特征在于，当m＜4时，水下节点N在确定其自身位置时，优先选用静态信标节点，然后再选择距离其最近的船作为动态信标节点。

4.根据权利要求3所述的多信源海洋物联网定位方法，其特征在于，当m＜4时，水下节点N连续发送4-m次点对点定位请求。

5.根据权利要求4所述的多信源海洋物联网定位方法，其特征在于，当信标节点的数目小于4时，水下节点N通过相邻已经定位的节点进行定位。

6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的多信源海洋物联网定位方法，其特征在于，所述多边定位原理具体包括，

设置信标节点A、B、C和D，其位置分别为(x_A,y_A,z_A)、(x_B,y_B,z_B)、(x_C,y_C,z_C)和(x_D,y_D,z_D)，水下节点N与标节点A、B、C和D之间的距离分别为d_AN、d_BN、d_CN和d_DN，则水下节点N的位置(x_N,y_N,z_N)可由以下方程解得：

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