CN108882167A - 一种基于水声通信网络中利用信号强度的导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信网络中基于信号强导航定位方法，主要应用于水下定位。本发明提出了一种利用定位实体与节点间信号传播损失进行测距的方法，根据节点间接收定位实体信号的信号强度，在目标海域环境中，测量传播损失系数，与背景环境噪声，可以利用接收信号快速求得定位实体与固定节点间距离，进行快速定位。该方法摆脱了传统时间定位方法对于时钟及同步过程的依赖，降低了网络对定位实体设备及节点的需求，可以利用通信信号进行强度计算，通信过程中实时测量定位实体与节点间距，实现水下通信网络中的低功耗快速定位。

Description

一种基于水声通信网络中利用信号强度的导航定位方法

技术领域

本发明涉及水声定位领域，特别涉及一种利用网络通信信号接收信号强度的导航定位方法。

背景技术

经过几十年的发展，水下通信网络已经具备了一定规模，而水下通信网络中的定位技术广泛应用于潜艇，水下无人潜航器UUV，水下自主潜航器AUV中。传统水下定位方法主要有基于信号到达角度的AOA定位方法，基于信号到达时间的TOA方法，与基于信号到达时间差的TODA定位方法，在水下通信组网中，考虑到通信节点的体积空间及设备功耗等需求，通常采用单换能器进行收\发信号，节点间对于合作目标的定位方式通常采用基于TDOA定位方法。利用TDOA方法可以获得较高定位精度的精确定位，但是需要在每次定位前对目标与节点间进行时钟同步。现有的时钟同步方法主要有2种：(1)利用时钟同步：该方法是利用目标与节点都装置精确的时钟，在定位前，发送信号进行时钟校准，时钟同步后，利用目标与节点间时钟信息进行同步、同步补偿，可以较为精确的测量时延差。但该方法对于长期测量会累计出比较高的时钟误差，可以利用精度更高的原子钟提高定位精度，但这就提高了对目标与每个节点的设备成本，同时提高了系统功耗；(2)利用同步过程进行时钟同步：利用同步过程可以不依赖高精度时钟进行时钟同步，但现有同步方法在间断性长期定位过程中，每次定位前都需要目标与每个节点间多次发射同步信号，在长距离定位情况下，同步过程会需要大量时间。

基于上述条件，为了解决以上问题，在不需要高精度定位的条件下，本发明提出了一种基于信号强度的定位方法。该方法具有的显著优势是，解决了定位实体与固定节点间对时钟定位的依赖，降低设备成本；同时，该方法可以利用通信网络中的通信信号，根据其强度测量进行定位，可以实时确定目标位置，实现目标快速定位。

中国专利CN201310340518.5提出了一种基于集中式拓扑结构的水下通信网络的周期性快速定位方法，该方法利用某一时间间隔开始，普通节点向中心节点发送定位信号，中心节点接收到定位信号后记录接收时间，根据该时间与最近的时间间隔起始点计算中心节点与各个普通节点之间的距离。该方法可以实现网络中快速定位过程，但需要节点间不断发送时间间隔信号，设备功耗较大，同时依旧依赖同步时钟。

本发明提出了一种利用定位实体与节点间信号传播损失进行测距的方法，根据节点间接收定位实体信号的信号强度，在目标海域环境中，测量传播损失系数，与背景环境噪声，可以利用接收信号快速求得定位实体与固定节点间距离，进行快速定位。该方法摆脱了传统时间定位方法对于时钟及同步过程的依赖，降低了网络对定位实体设备及节点的需求，可以利用通信信号进行强度计算，通信过程中实时测量定位实体与节点间距，实现水下通信网络中的低功耗快速定位。

发明内容

为了提供一种基于信号强度指示的通信网络中的导航定位方法，本发明提出了一种基于水声通信网络中利用通信信号强度的导航定位方法，本发明的目的是这样实现的：

本发明具体包括如下步骤：

(1)环境指数测量过程：首先进行坐标位置已知的固定节点的布放，所布放的节点不少于三个；测量每个固定节点周围的背景环境噪声RL，以及通信信号频率下的传播损失系数α；

(2)定位实体距离计算过程：固定节点接收到目标实体的发送信号，进行相关处理，并求出相关功率谱密度，计算信号接收强度，再通过放大，发射，将接收强度信息回传给目标实体；利用过程(1)测量的背景噪声RL与传播损失计算传播损失系数α，计算目标实体与每个节点间距离；

(3)定位实体位置计算过程：利用过程(2)计算的目标与节点间距离，利用球面定位算法，求解目标实际坐标。

所述的步骤(1)具体包括：

(1.1)节点布放：在系统开始工作之前，首先进行固定节点布放，在布放固定节点时，以所布放的节点建立坐标基准，利用GPS设备记录各个固定节点的GPS经纬度坐标；所布放的固定节点不小于3个；

(1.2)传播损失测量：某一固定节点向另一固定节点发与通信信号同频带范围信号，记录发射声源功率谱密度，接收节点接收信号，记录接收信号功率谱密度，则传播损失为发射信号功率谱密度与接收信号功率谱密度之差；

(1.3)背景噪声测量：用标准水听器测量各节点位置的背景噪声RL。

所述的步骤(2)具体包括：

(2.1)传播损失系数α计算：以布放三个固定节点A、B、C为例，首先利用GPS坐标计算出A，B节点间的实际地理距离L，再利步骤(1.2)测量的传播损失和(1.3)测量的背景噪声，使用如下公式计算出该信道条件下的传播损失系数α：

其中P_A为固定节点A的功率谱密度，P_B为固定节点B的功率谱密度，RL_B为固定节点B位置的背景噪声，L为A,B节点间的实际地理距离；

(2.2)目标实体与节点间距离解算：利用如下公式计算出目标实体与每个节点间距离：

其中TL为传播损失，r_A为合作目标与固定节点A的距离；重复上述步骤，分别计算出目标到节点B，C间的距离r_B,r_C。

步骤(3)中所述的球面算法具体包括：

以布放三个固定节点A、B、C为例，根据如下公式计算出合作目标实体到达每个固定节点间的距离：

其中x₁为固定节点A的横坐标，y₁为固定节点A的纵坐标；x₂为固定节点B的横坐标，y₂为固定节点B的纵坐标；x₃为固定节点C的横坐标，y₃为固定节点C的纵坐标；x_i为合作目标的横坐标，y_i为合作目标的纵坐标；r₁为合作目标到固定节点A的距离，r₂为合作目标到固定节点B的距离，r₃为合作目标到固定节点C的距离；

再计算出合作目标实体的坐标位置：

与现有技术相比，本发明具有的明显效果是：本发明是用信号强度指示进行的定位，无需知道目标与节点间的信号收发时间信息，完全不依赖对高精度时钟，降低了节点与定位实体间的设备功耗。同时，本方法可以利用通信信号进行定位，摆脱了由TDOA方法定位所需的同步过程，降低了同步步骤所需时间，对于远距离定位可以大幅度提高定位速度。

附图说明

图1本发明实例定位系统的定位原理示意图；

图2本发明信号强度计算传播距离原理示意图；

图3本发明实例定位系统的定位流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步描述：

本发明旨在提出一种分布式水下通信网络中利用信号强度定位的定位方法，节点可以分为固定节点和合作目标节点。本发明网络包括不少于3个接收水声信号的固定节点，一个位置未知的定位实体。其中，每个节点包括信号接收模块，功放模块，发射模块，收发合置换能器；定位实体携带距离解算程序和定位解算程序。定位实体在水中发送信号强度已知的通信信号，利用节点接收到信号的信号强度与发射信号强度相比较，解算出收发过程中的信号传播损失，再根据传播损失公式计算出发射定位实体与节点间的距离，根据几何关系，用球面定位的方法计算出合作目标的精确位置。

结合图1和图2，本发明的整个定位过程包括以下步骤：

(1)吸收系数测量：在实验海域中，选定定位实体发送信号频率，设定标准距离，用声源级已知的发射换能器选择固定频率范围发射信号，在接收端接收该信号，通过发送/接收信号强度差与传播距离计算，计算出该信道条件下的传播损失α；

(2)背景噪声测量：此过程为了测出节点周围环境的背景噪声，在接收信号前，在每个节点用标准水听器测量环境背景噪声，消除环境噪声对信号接收强度的干扰；

(3)信号收发过程：定位过程中，固定节点通过接收到定位实体发送信号，进行相关处理，并求出相关功率谱密度，计算信号接收强度，再通过放大，发射，将接收强度信息回传给目标；

(4)距离解算和定位解算过程：在目标接收到每个节点的信号强度信息后，减去测量到的该节点的背景噪声，计算出定位实体到节点间的传播损失，根据传播损失方程计算出定位实体到每个节点间传播距离，利用定位方程求解出最终结果。

结合图3，以3个接收点为例对具体实施方式进行进一步说明。根据RSSI定位的具体原

本发明的原理如下：水声信号传播损失主要分为扩展损失，吸收损失以及散射。在计算信号传播损失具体量时，由于散射损失远小于扩展，吸收损失，通常忽略不计。根据经验公式传播损失可写为：

TL＝20lgr+αr

其中α为海水的吸收系数，r为传播距离。根据传播损失可以分别计算出定位实体到达每个固定节点间的距离r₁，r₂，r₃，则：

由此计算出定位实体坐标位置为如下：

其中固定节点A，B，C为已知位置信息的布放基阵节点，定位实体为自带信号处理待定位节点。结合图3，具体实施步骤如下：

节点布放过程：在系统开始工作之前，首先进行固定节点布放，在布放固定节点A，B，C时，以A，B，C建立坐标基准，首先利用GPS设备记录各个固定节点的GPS经纬度坐标；

传播损失测量：节点A向节点B发与通信信号同频带范围信号，记录发射声源级SL₀，节点B接收信号，记录接收信号强度SL₁，则传播损失为SL₀-SL₁；

背景噪声测量：用标准水听器测量A、B、C节点位置的背景噪声RL_A、RL_B、RL_C。

传播损失系数计算：如图2所示，利用GPS坐标计算出A，B节点间的实际地理距离L，再利步骤(2)，(3)测量的传播损失与背景噪声，计算出该信道条件下的传播损失系数α，

目标与节点间距离解算：由合作目标发送信号强度为P₀的同频率信号，节点A接收到目标信号后做相关处理，求出功率谱密度P_A，减去A节点的背景噪声强度，计算出信号接收强度，再将该强度信息以数据的形式回传给合作目标；目标在接收到A点回传信号后，由上位机根据步骤(4)测量的传播损失系数α，计算出目标到A点的信号实际传播损失，传播损失公式为TL＝20lgr+αr，再由公式：

计算出目标与节点A的距离r_A。重复上述步骤，可以分别计算出目标到节点B，C间的距离r_B,r_C；

目标位置解算：在计算出目标到A、B、C节点距离后，由数据处理模块过程序用球面定位原理计算出定位实体距离位置。

根据传播损失可以分别计算出定位实体到达每个固定节点间的距离r₁，r₂，r₃，则：

由此计算出定位实体坐标位置为

在通信组网中，通信节点间不需要利用时间测距，可以利用通信过程中通信信号的发射强度与节点间接收信号强度进行计算传播损失，利用传播损失计算距离的测距，再进行距离定位的定位方法。该方法的主要特征是不依赖系统时钟，而是在通信过程中，实时利用通信信号计算距离，实现低功耗，快速定位。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于水声通信网络中利用信号强度的导航定位方法，具体包括如下步骤：

(1)环境指数测量过程：首先进行坐标位置已知的固定节点的布放，所布放的节点不少于三个；测量每个固定节点周围的背景环境噪声RL，以及通信信号频率下的传播损失系数α；

(2)定位实体距离计算过程：固定节点接收到目标实体的发送信号，进行相关处理，并求出相关功率谱密度，计算信号接收强度，再通过放大，发射，将接收强度信息回传给目标实体；利用过程(1)测量的背景噪声RL与传播损失计算传播损失系数α，计算目标实体与每个节点间距离；

(3)定位实体位置计算过程：利用(2)中计算的目标与节点间距离，利用球面定位算法，求解目标实际坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于水声通信网络中利用信号强度的导航定位方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括：

(1.1)节点布放：在系统开始工作之前，首先进行固定节点布放，在布放固定节点时，以所布放的节点建立坐标基准，利用GPS设备记录各个固定节点的GPS经纬度坐标；所布放的固定节点不小于3个；

(1.2)传播损失测量：某一固定节点向另一固定节点发与通信信号同频带范围信号，记录发射声源功率谱密度，接收节点接收信号，记录接收信号功率谱密度，所测的传播损失为发射信号功率谱密度与接收信号功率谱密度之差；

(1.3)背景噪声测量：用标准水听器测量各节点位置的背景噪声RL。

3.根据权利要求1所述的一种基于水声通信网络中利用信号强度的导航定位方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括：

(2.1)传播损失系数α计算：以布放三个固定节点A、B、C为例，首先利用GPS坐标计算出A，B节点间的实际地理距离L，再利步骤(1.2)测量的传播损失和(1.3)测量的背景噪声，使用如下公式计算出该信道条件下的传播损失系数α：

其中P_A为固定节点A的功率谱密度，P_B为固定节点B的功率谱密度，RL_B为固定节点B位置的背景噪声，L为A,B节点间的实际地理距离；

(2.2)目标实体与节点间距离解算：利用如下公式计算出目标实体与每个节点间距离：

其中TL为传播损失，r_A为合作目标与固定节点A的距离；重复上述步骤，分别计算出目标到节点B，C间的距离r_B,r_C。

4.根据权利要求1所述的一种基于水声通信网络中利用信号强度的导航定位方法，其特征在于，步骤(3)中所述的球面算法具体包括：

以布放三个固定节点A、B、C为例，根据如下公式计算出合作目标实体到达每个固定节点间的距离：

其中x₁为固定节点A的横坐标，y₁为固定节点A的纵坐标；x₂为固定节点B的横坐标，y₂为固定节点B的纵坐标；x₃为固定节点C的横坐标，y₃为固定节点C的纵坐标；x_i为合作目标的横坐标，y_i为合作目标的纵坐标；r₁为合作目标到固定节点A的距离，r₂为合作目标到固定节点B的距离，r₃为合作目标到固定节点C的距离；

再计算出合作目标实体的坐标位置，公式如下：