CN109905846A - 一种基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法。其包括设定水下定位系统；建立三维坐标系；自主水下航行器从各个位置向待测节点发送信息；待测节点对自身坐标进行计算等步骤。本发明提供的基于水下自主航行器的水下无线传感器网络定位方法是将TDOA定位方法和水下自主航行器结合起来，通过水下自主航行器能够在水域中自由移动的特性，利用水下自主航行器在不同位置对待测节点进行基于信号到达时间差(TDOA)的距离测算，由此得出待测节点的坐标，不需要节点进行时钟同步。本方法能够显著提升定位精度，同时由于使用了水下自主航行器，因此在水下的定位覆盖范围也显著扩大，耗能也相对减少。

Description

一种基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法

技术领域

本发明属于水下无线传感器网络的水下定位技术领域，特别是涉及一种基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法。

背景技术

在水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks，UWSN)中，自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle，AUV)拥有相对于传统固定节点在移动性、覆盖范围和存储容量方面等明显的优势，所以被广泛应用。同时由于UWSN特性，传统的电磁信号在水下会快速衰减，光信号由于折射会在水下发散，因此这两种方式只能在短距离时进行传输，对于长距离通信造成不利影响。相对于前两者，声信号衰减的更慢，并且能够传播更长的距离，因此成为了水下无线传感器网络首选的传输载体。

除此之外，由于水下环境复杂，水下定位作为水下无线传感器网络搭建的重要步骤，对标签收集的水底数据、跟踪水下节点、检测水下传感器移动以及完善传输路由协议及传播路径起着重要作用。目前定位技术广泛地应用在各个领域，并且根据应用场景不同，出现了很多种不同的定位方法。

常用的定位方法有基于测距和无需测距的定位方法。其中基于测距的定位方法又分为基于信号测角和距离的定位方法，例如常用的基于信号到达角度(AOA)、基于信号到达时间(TOA)、基于信号到达时间差(TDOA)定位以及以上三种定位方法的混合定位方法，具体如何选择取决于实际应用情况，同时要保证足够高的定位精度。但目前尚未发现基于自主水下航行器的，以信号到达时间差为测距方式的水下无线传感器网络定位方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于自主水下航行器水下无线传感器网络定位方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一：设定适用于水下环境的水下定位系统；所述的水下定位系统包括待测节点S和自主水下航行器，其中自主水下航行器已知自身位置并能够根据内置的测速仪和深度计修正自身在水中的位置信息，会周期性地进行定位，设每一个周期的间隔时间为I，同时能够发送信息；待测节点S位于水下，通常处于周期睡眠状态，在收到自主水下航行器发送的信息时会被唤醒并计算自身位置；

步骤二：在水下以水域中心位置为原点建立三维坐标系，其中水域纵向为x轴方向，横向为y轴方向，深度方向为z轴方向；

步骤三：当定位船只行驶到待测节点S所在水域时，将自主水下航行器投放到水面，并根据GPS确定出自主水下航行器在上述三维坐标系中的当前坐标；然后使自主水下航行器下潜到与待测节点S大致深度的位置A，并开始向待测节点S发送信息；信息中含有当前位置A的坐标(x_a，y_a，z_a)；待测节点S在t₁时刻收到自主水下航行器从位置A发送的信息；

发送信息结束后，自主水下航行器在t_b时刻围绕待测节点S从位置A开始移动到位置B(x_b，y_b，z_b)，自主水下航行器自身携带的测速器可以确定出移动过程中自身的速度v，到达位置B的时刻为t′_b，则时间差Δt_b为：

Δt_b＝t′_b-t_b

由此可以计算出位置A和位置B之间的距离d_ab为：

d_ab＝Δt_b×v

同时自主水下航行器在t′_b时刻将信息继续向待测节点S发送，此时待测节点S在t₂时刻收到该信息；

之后，自主水下航行器围绕待测节点S相继移动到位置C(x_c，y_c，z_c)和位置D(x_d，y_d，z_d)，并在这两个位置继续向待测节点S发送信息；

步骤四：当待测节点S收到自主水下航行器从上述各个位置发来的信息后，利用上述信息开始对自身坐标进行计算；

步骤五：待测节点S对上述计算出的自身坐标进行二次测算。

在步骤四中，所述的当待测节点S收到自主水下航行器从上述各个位置发来的信息后，利用上述信息开始对自身坐标进行计算的方法是：

待测节点S分别在t_i时刻，j∈{1，2，3，4}收到来自自主水下航行器从位置A，B，C，D处发送的信息，且t₁＜t₂＜t₃＜t₄，设以Δt_j，j∈{1，2，3，4}代表j与j+1时刻的时间差，那么可得：

Δt₁＝t₂-t₁

Δt₂＝t₃-t₂

Δt₃＝t₄-t₃

由于水下声速为c，将每次定位信息发送间隔推广到I个定位周期，d_mn为m与n位置间的距离，m，n∈{a，b，c，d}，设：

为简化表述形式，设：

β＝2(A_xB_x+A_yB_y+A_zB_z)

其中变量A_x，B_x，A_y，B_y，A_z，B_z分别为：

由此可得待测节点S和位置A的距离d_sa为：

由坐标距离公式可知待测节点S与位置A、B、C、D的距离d_sa，d_sb，d_sc，d_sd为：

而其中：

解上述等式则可知：

进而求出待测节点S的自身坐标(x，y，z)。

在步骤五中，所述的待测节点S对上述计算出的自身坐标进行二次测算的方法是：

设

当即α＞0时，距离d_sa会出现两个结果即与则无法对待测节点S进行唯一定位，此时待测节点S向自主水下航行器发送信息，要求自主水下航行器从位置D围绕待测节点S移动到一个新位置E(x_e，y_e，z_e)并继续向待测节点S发送信息进行定位；

设：

A_xx_e+A_yy_e+A_zz_e＝k₄

d_ae为位置A与位置E的距离，即：

当且满足：

根据公式：

则可以求出距离d_sa，进而解出待测节点S的自身坐标(x，y，z)。

本发明提供的基于水下自主航行器的水下无线传感器网络定位方法是将TDOA定位方法和水下自主航行器结合起来，通过水下自主航行器能够在水域中自由移动的特性，利用水下自主航行器在不同位置对待测节点进行基于信号到达时间差(TDOA)的距离测算，由此得出待测节点的坐标，不需要节点进行时钟同步。本方法能够显著提升定位精度，同时由于使用了水下自主航行器，因此在水下的定位覆盖范围也显著扩大，耗能也相对减少。

附图说明

图1为本发明提供的基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法的工作原理示意图。

图2为本发明提供的基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供的基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一：设定适用于水下环境的水下定位系统；所述的水下定位系统包括待测节点S和自主水下航行器，其中自主水下航行器已知自身位置并能够根据内置的测速仪和深度计修正自身在水中的位置信息，会周期性地进行定位，设每一个周期的间隔时间为I，同时能够发送信息；待测节点S位于水下，通常处于周期睡眠状态，在收到自主水下航行器发送的信息时会被唤醒并计算自身位置；

步骤二：在水下以水域中心位置为原点建立三维坐标系，其中水域纵向为x轴方向，横向为y轴方向，深度方向为z轴方向；

步骤三：当定位船只行驶到待测节点S所在水域时，将自主水下航行器投放到水面，并根据GPS确定出自主水下航行器在上述三维坐标系中的当前坐标；然后使自主水下航行器下潜到与待测节点S大致深度的位置A，并开始向待测节点S发送信息；信息中含有当前位置A的坐标(x_a，y_a，z_a)；待测节点S在t₁时刻收到自主水下航行器从位置A发送的信息；

发送信息结束后，自主水下航行器在t_b时刻围绕待测节点S从位置A开始移动到位置B(x_b，y_b，z_b)，自主水下航行器自身携带的测速器可以确定出移动过程中自身的速度v，到达位置B的时刻为t′_b，则时间差Δt_b为：

Δt_b＝t′_b-t_b

由此可以计算出位置A和位置B之间的距离d_ab为：

d_ab＝Δt_b×v

同理可知位置A与位置C之间的距离d_ac，位置A与位置D之间的距离d_ad。

同时自主水下航行器在t′_b时刻将信息继续向待测节点S发送，此时待测节点S在t₂时刻收到该信息。

之后，自主水下航行器围绕待测节点S相继移动到位置C(x_c，y_c，z_c)和位置D(x_d，y_d，z_d)，并在这两个位置继续向待测节点S发送信息；

步骤四：当待测节点S收到自主水下航行器从上述各个位置发来的信息后，利用上述信息开始对自身坐标进行计算；

由上可知，待测节点S分别在t_i时刻，j∈{1，2，3，4}收到来自自主水下航行器从位置A，B，C，D处发送的信息，且t₁＜t₂＜t₃＜t₄，设以Δt_i，j∈{1，2，3，4}代表j与j+1时刻的时间差，那么可得：

Δt₁＝t₂-t₁，

Δt₂＝t₃-t₂，

Δt₃＝t₄-t₃，

由于水下声速为c，将每次定位信息发送间隔推广到I个定位周期，d_mn为m与n位置间的距离，m，n∈{a，b，c，d}，设：

为简化表述形式，设：

β＝2(A_xB_x+A_yB_y+A_zB_z)

其中变量A_x，B_x，A_y，B_y，A_z，B_z分别为：

由此可得待测节点S和位置A的距离d_sa为：

由坐标距离公式可知待测节点S与位置A、B、C、D的距离d_sa，d_sb，d_sc，d_sd为：

而其中：

解上述等式则可知：

进而求出待测节点S的自身坐标(x，y，z)。

步骤五：待测节点S对上述计算出的自身坐标进行二次测算；

设

当即α＞0时，距离d_sa会出现两个结果即与则无法对待测节点S进行唯一定位，此时待测节点S向自主水下航行器发送信息，要求自主水下航行器从位置D围绕待测节点S移动到一个新位置E(x_e，y_e，z_e)并继续向待测节点S发送信息进行定位。

设：

A_xx_e+A_yy_e+A_zz_e＝k₄

d_ae为位置A与位置E的距离，即：

当且满足：

根据公式：

则可以求出距离d_sa，进而解出待测节点S的自身坐标(x，y，z)。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法，其特征在于：所述的基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一：设定适用于水下环境的水下定位系统；所述的水下定位系统包括待测节点S和自主水下航行器，其中自主水下航行器已知自身位置并能够根据内置的测速仪和深度计修正自身在水中的位置信息，会周期性地进行定位，设每一个周期的间隔时间为I，同时能够发送信息；待测节点S位于水下，通常处于周期睡眠状态，在收到自主水下航行器发送的信息时会被唤醒并计算自身位置；

步骤二：在水下以水域中心位置为原点建立三维坐标系，其中水域纵向为x轴方向，横向为y轴方向，深度方向为z轴方向；

步骤三：当定位船只行驶到待测节点S所在水域时，将自主水下航行器投放到水面，并根据GPS确定出自主水下航行器在上述三维坐标系中的当前坐标；然后使自主水下航行器下潜到与待测节点S大致深度的位置A，并开始向待测节点S发送信息；信息中含有当前位置A的坐标(x_a,y_a,z_a)；待测节点S在t₁时刻收到自主水下航行器从位置A发送的信息；

发送信息结束后，自主水下航行器在t_b时刻围绕待测节点S从位置A开始移动到位置B(x_b,y_b,z_b)，自主水下航行器自身携带的测速器可以确定出移动过程中自身的速度v，到达位置B的时刻为t′_b，则时间差Δt_b为：

Δt_b＝t′_b-t_b

由此可以计算出位置A和位置B之间的距离d_ab为：

d_ab＝Δt_b×v

同时自主水下航行器在t′_b时刻将信息继续向待测节点S发送，此时待测节点S在t₂时刻收到该信息；

之后，自主水下航行器围绕待测节点S相继移动到位置C(x_c,y_c,z_c)和位置D(x_d,y_d,z_d)，并在这两个位置继续向待测节点S发送信息；

步骤四：当待测节点S收到自主水下航行器从上述各个位置发来的信息后，利用上述信息开始对自身坐标进行计算；

步骤五：待测节点S对上述计算出的自身坐标进行二次测算。

2.根据权利要求1所述的基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤四中，所述的当待测节点S收到自主水下航行器从上述各个位置发来的信息后，利用上述信息开始对自身坐标进行计算的方法是：

待测节点S分别在t_j时刻，j∈{1,2,3,4}收到来自自主水下航行器从位置A,B,C,D处发送的信息，且t₁<t₂<t₃<t₄，设以Δt_j，j∈{1,2,3,4}代表j与j+1时刻的时间差，那么可得：

Δt₁＝t₂-t₁

Δt₂＝t₃-t₂

Δt₃＝t₄-t₃

由于水下声速为c，将每次定位信息发送间隔推广到I个定位周期，d_mn为m与n位置间的距离，m，n∈{a,b,c,d}，设：

为简化表述形式，设：

β＝2(A_xB_x+A_yB_y+A_zB_z)

其中变量A_x，B_x，A_y，B_y，A_z，B_z分别为：

由此可得待测节点S和位置A的距离d_sa为：

由坐标距离公式可知待测节点S与位置A、B、C、D的距离d_sa，d_sb，d_sc，d_sd为：

而其中：

解上述等式则可知：

进而求出待测节点S的自身坐标(x,y,z)。

3.根据权利要求1或2所述的基于自主水下航行器的水下无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤五中，所述的待测节点S对上述计算出的自身坐标进行二次测算的方法是：

设

当即α>0时，距离d_sa会出现两个结果即与则无法对待测节点S进行唯一定位，此时待测节点S向自主水下航行器发送信息，要求自主水下航行器从位置D围绕待测节点S移动到一个新位置E(x_e,y_e,z_e)并继续向待测节点S发送信息进行定位；

设：

A_xx_e+A_yy_e+A_zz_e＝k₄

d_ae为位置A与位置E的距离，即：

当且满足：

根据公式：

则可以求出距离d_sa，进而解出待测节点S的自身坐标(x,y,z)。