CN110087307B - 基于测距修正的水下传感器网络定位方法 - Google Patents

基于测距修正的水下传感器网络定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于测距修正的水下传感器网络定位方法，主要包括以下步骤：(1)节点预定位，通过测距算法得到信标和节点间的距离，再利用多边定位算法得到节点的预定位位置；(2)基于测距修正的精确定位，利用节点间的几何关系减少测距误差，计算得到节点的准确位置；本方案突破传统定位算法局限于节点移动导致的误差修正，从定位过程中最开始的测距误差入手，先通过基本节点定位算法获得节点的预定位位置，再利用节点位置间的几何关系修正测距误差，得到节点的准确位置，有效提高定位精度。

Description

基于测距修正的水下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技术领域，具体涉及一种基于测距修正的水下传感器网络定位方法。
背景技术
近年来，随着海洋经济的迅速发展，水下无线传感器网络备受关注，为海洋资源探测提供了充足的技术支持，其广泛应用于海洋环境治理、自然灾害预防和军事防御等领域。定位技术是水下无线传感器网络的关键技术之一；由于水下无线传感器网络采用不同于陆地通信的水声通信方式，而且水下环境复杂，地面节点定位方法不能直接应用于水下无线传感器网络。
在水下无线传感器网络中，由于水下环境复杂，导致产生节点定位误差的因素很多，比如测距误差、节点移动等；现有的水下无线传感器网络定位技术很多都是基于测距的定位技术，在水下无线传感器网络中，水声信道具有带宽窄、高传播延迟、严重的多径散射等特殊性，会导致较大的测距误差，从而极大影响基于测距的定位算法的精度，水下的压力、水温以及盐度对水声通信的影响很大，使得测距误差成为了定位算法中误差的主要来源；目前，大多数水下定位算法都没有考虑到测距误差这一影响因素，而是把重点放在了节点移动导致的误差研究上。
对于常用的TP-TSFLA算法和SLA算法来说，这两种算法在实际应用时，需要测量信标节点和未知节点之间或信标节点与信标节点之间的距离，众所周知，只要是测量距离就会出现测距误差，然而上述两种算法均没有考虑测距误差这一因素，进而导致测距误差较大；为了解决水下传感器网络中测距误差导致的测量精度差的问题，亟待提出一种能够修正测距误差的新定位方法，通过研究信标节点的位置、未知节点含有测距误差的位置以及未知节点的真实位置之间的几何关系来修正测距误差，以提高定位精度。
发明内容
本发明为解决在水下传感器网络定位过程中的测距误差、提高定位精度，提出一种基于测距修正的水下传感器网络定位方法。
本发明是采用以下的技术方案实现的：基于测距修正的水下传感器网络定位方法，包括以下步骤：
步骤a、节点预定位：
设水下传感器网络位于一立方体区域中，以立方体的一个顶角为圆心建立空间直角坐标系o-xyz，通过测距算法获得信标和节点N之间的距离，并基于多边定位算法得到节点N的预定位位置坐标N1；
其中，信标的位置已知，且信标的数量为四个以上，设为信标A、B、C、D……；
b、基于测距修正的精确定位：
所述节点N配设有压力传感器，通过压力传感器获得节点N的z轴的精确坐标zN，基于精确坐标zN修正测距误差；设对于信标A来说，具有精确z轴坐标的节点位置设为NA，测距误差导致NA(xNA,yNA,zNA)位于A和N1的连线或延长线上，zN＝zNA；
根据步骤a所获得的预定位位置坐标N1、具有精确z轴坐标的节点坐标NA以及信标坐标A之间的位置关系，确定N1、NA以及信标A之间的几何关系式，进而求解得到节点NA的坐标(xNA,yNA,zNA)；
针对其它信标B、C、D……重复上述过程以获得NB(xNB,yNB,zNB)、NC(xNC,yNC,zNC)、ND(xND,yND,zND)……的坐标；
c、得到节点N的准确位置(xN,yN,zN)：
根据步骤b所获得的NA(xNA,yNA,zNA)、NB(xNB,yNB,zNB)、NC(xNC,yNC,zNC)、ND(xND,yND,zND)……的位置坐标，根据质心法得到节点N的x轴、y轴的坐标：
Figure BDA0002043566000000021
其中n为信标数量；
进而获得节点N修正后的坐标(xN,yN,zN)。
进一步的，所述步骤a具体通过以下方式：
(1)获得信标与节点之间距离：
在节点预定位阶段，待定位节点N发出定位请求，信标A、B、C、D收到该定位请求后将它们的对应的坐标(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB)、(xC,yC,zC)、(xD,yD,zD)发送给节点N，并计算获得节点N与信标A、B、C、D之间的距离dA，dB，dC，dD；
(2)基于多边定位算法得到节点的预定位位置坐标：
基于多边定位原理：
qX＝g (1)
其中，
Figure BDA0002043566000000022
Figure BDA0002043566000000031
Figure BDA0002043566000000032
求解式(1)即可得到节点N的预定位位置坐标N1(xN1,yN1,zN1)。
进一步的，所述步骤b中，以z轴作为标尺，分别由预定位坐标N1和具有精确z轴位置的节点坐标NA向信标A所在的z轴和其所在的yz平面作垂线，得到两组相似三角形，再根据节点位置之间的几何关系求出具有精确z轴位置的节点NA(xNA,yNA,zNA)的坐标，具体的：
(1)由信标A所在位置向xy轴所在平面做垂线AP1，由N1向AP1做垂线，再由具有准确z轴坐标的节点NA向AP1做垂线，最后得到ΔAP1N1和ΔAP2NA的对应角相等，ΔAP1N1和ΔAP2NA是相似三角形，得到：
Figure BDA0002043566000000033
(2)由N1向yz轴所在平面做垂线N1P3，由NA向yz轴所在平面做垂线NAP5，再由P3向xy轴所在平面做垂线P3P4，由N1向xy轴所在平面做垂线N1P6，ΔP2P4P6和ΔP2P5NA是相似三角形，得到：
Figure BDA0002043566000000034
由于，P1N1＝P2P6，代入等式(3)可得，
Figure BDA0002043566000000035
联立等式(2)和(4)，可得，
Figure BDA0002043566000000036
即，
Figure BDA0002043566000000037
解等式(6)可以的到节点位置NA关于xy轴的坐标(xNA,yNA)，其z轴坐标已由压力传感器测量得到，所以，NA位置为(xNA,yNA,zNA)。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案所提出的基于测距修正的水下传感器网络定位方法，突破传统定位算法局限于节点移动导致的误差修正，从定位过程中最开始的测距误差入手，先通过基本节点定位算法获得节点的预定位位置，再利用节点位置间的几何关系修正测距误差，以得到节点的准确位置，并有效提高定位精度；该方法不需要额外的硬件辅助，不需要特殊部署，也没有增加通信能量消耗，可行性强，是一种具有较高实用价值的水下传感器网络定位方式。
附图说明
图1为本发明实施例预定位示意图；
图2为本发明实施例测距修正示意图；
图3为本发明实施例测距修正定位示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚的理解本发明的上述目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细地描述：
本实施例采用基于测距修正的水下传感器网络定位方法来对测距误差进行修正，主要包括以下步骤：
1、节点预定位：
通过测距算法获得信标和节点之间的距离，并基于多边定位算法得到节点的预定位位置，具体的，设水下传感器网络位于一立方体区域中，以立方体的一个顶角为圆心，建立空间直角坐标系；如图1所示，本实施例以信标A、B、C、D为例进行介绍，信标的位置是已知的，其他节点则需要通过信标来定位。
在预定位阶段，节点N发出定位请求，信标A、B、C、D收到该定位请求，将它们的坐标(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB)、(xC,yC,zC)、(xD,yD,zD)发送给节点N。节点N利用已知的测距算法(如TOA、TDOA等)，计算得到其与信标A、B、C、D之间的距离dA，dB，dC，dD，再利用多边定位原理：
qX＝g (1)
其中，
Figure BDA0002043566000000041
Figure BDA0002043566000000042
Figure BDA0002043566000000051
求解式(1)即可得到节点N的预定位位置N1(xN1,yN1,zN1)。
在水下传感器网络节点定位中，影响节点定位精度的因素很多，而测距误差是最大的影响因素。这是由于水下环境复杂多变，水下声速具有垂直分布特性，随深度、盐度、温度等因素的改变而改变，从而导致了较大的测距误差。为了使定位更精确，本方案从测距误差入手，基于所获得的已知节点的预定位位置坐标，提出基于测距修正的精确定位，也就是对预定位的结果进行修正，得到更准确的节点位置，具体如步骤2所示。
2、基于测距修正的精确定位：
基于步骤1所得到的节点的预定位位置，利用节点间的几何关系减少测距误差，以获得节点的准确位置；
每个节点都配设有压力传感器，通过压力传感器获得其z轴准确坐标，用来修正测距误差。以信标A为例，测距误差导致具有准确z轴坐标的节点NA(xNA,yNA,zNA)位于A和N1的连线(或延长线)上，如图2所示。
进而找出信标坐标A、预定位坐标N1、具有准确z轴位置的节点坐标NA之间的位置关系，即通过以已知的、精确的z轴坐标为标尺，确定三者之间的几何关系。
由于z轴是准确坐标，本方案以z轴作为标尺，分别由预定位坐标N1和具有准确z轴位置的节点坐标NA向信标A所在的z轴和其所在的yz平面作垂线，得到两组相似三角形，再根据节点位置之间的几何关系求出具有准确z轴位置的节点NA的坐标，具体如下：
由信标A所在位置向xy轴所在平面做垂线AP1，再由计算得到的节点位置N1向AP1做垂线，再由具有准确z轴坐标的节点NA向AP1做垂线，最后得到ΔAP1N1和ΔAP2NA的对应角相等，ΔAP1N1和ΔAP2NA是相似三角形，可得，
Figure BDA0002043566000000052
同理，由N1向yz轴所在平面做垂线N1P3，由NA向yz轴所在平面做垂线NAP5，再由P3向xy轴所在平面做垂线P3P4，由N1向xy轴所在平面做垂线N1P6。ΔP2P4P6和ΔP2P5NA是相似三角形，可得，
Figure BDA0002043566000000053
由于，P1N1＝P2P6，代入等式(3)可得，
Figure BDA0002043566000000061
联立等式(2)和(4)，可得，
Figure BDA0002043566000000062
即，
Figure BDA0002043566000000063
解等式(6)可以的到节点位置NA关于xy轴的坐标(xNA,yNA)，其z轴坐标已经由压力传感器测量得到，所以，NA位置为(xNA,yNA,zNA)。
针对信标B、C、D重复上述过程，以得到NB、NC、ND的坐标(xNB,yNB,zNB)、(xNC,yNC,zNC)、(xND,yND,zND)，如图3所示。
3、计算节点N的准确位置(xN,yN,zN)：
用质心法得到节点N的x轴、y轴的坐标：
Figure BDA0002043566000000064
节点N的z轴坐标zN＝zNA＝zNB＝zNC＝zND，进而获得节点N修正后的坐标(xN,yN,zN)。
按照上述方式，逐个定位网络中的节点，当信标数目不足的时候，已经完成定位的节点也可以作为信标，辅助定位计算，通过测距修正，进而实现了精确定位。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.基于测距修正的水下传感器网络定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、节点预定位：
设水下传感器网络位于一立方体区域中，以立方体的一个顶角为圆心建立空间直角坐标系o-xyz，通过测距算法获得信标和节点N之间的距离，并基于多边定位算法得到节点N的预定位位置坐标N1；
其中，信标的位置已知，且信标的数量为四个以上，设为信标A、B、C、D……；
步骤b、基于测距修正的精确定位：
所述节点N配设有压力传感器，通过压力传感器获得节点N的z轴的精确坐标zN，基于精确坐标zN修正测距误差；设对于信标A来说，具有精确z轴坐标的节点位置设为NA，测距误差导致NA(xNA,yNA,zNA)位于A和N1的连线或延长线上，zN＝zNA；
根据步骤a所获得的预定位位置坐标N1、具有精确z轴坐标的节点坐标NA以及信标坐标A之间的位置关系，确定N1、NA以及信标A之间的几何关系式，进而求解得到节点NA的坐标(xNA,yNA,zNA)；
针对其它信标B、C、D……重复上述过程以获得NB(xNB,yNB,zNB)、NC(xNC,yNC,zNC)、ND(xND,yND,zND)……的坐标；
步骤c、得到节点N的准确位置(xN,yN,zN)：
根据步骤b所获得的NA(xNA,yNA,zNA)、NB(xNB,yNB,zNB)、NC(xNC,yNC,zNC)、ND(xND,yND,zND)……的位置坐标，根据质心法得到节点N的x轴、y轴的坐标：
Figure FDA0002587056390000011
其中n为信标数量；分子中，xNA、xNB、xNC、xND…xNW的个数以及yNA、yNB、yNC、yND…yNW个数均与分母n对应；
节点N的z轴坐标zN＝zNA＝zNB＝zNC＝zND，进而获得节点N修正后的坐标(xN,yN,zN)。
2.根据权利要求1所述的基于测距修正的水下传感器网络定位方法，其特征在于：所述步骤a具体通过以下方式：
(1)获得信标与节点之间距离：
在节点预定位阶段，待定位节点N发出定位请求，信标A、B、C、D收到该定位请求后将它们的对应的坐标(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB)、(xC,yC,zC)、(xD,yD,zD)发送给节点N，并计算获得节点N与信标A、B、C、D之间的距离dA，dB，dC，dD；
(2)基于多边定位算法得到节点的预定位位置坐标：
基于多边定位原理：
qX＝g (1)
其中，
Figure FDA0002587056390000021
Figure FDA0002587056390000022
Figure FDA0002587056390000023
求解式(1)即可得到节点N的预定位位置坐标N1(xN1,yN1,zN1)。
3.根据权利要求1所述的基于测距修正的水下传感器网络定位方法，其特征在于：所述步骤b中，分别由预定位坐标N1和具有精确z轴位置的节点坐标NA向信标A所在的z轴和其所在的yz平面作垂线，得到两组相似三角形，再根据节点位置之间的几何关系求出具有精确z轴位置的节点NA(xNA,yNA,zNA)的坐标，具体的：
(1)由信标A所在位置向xy轴所在平面做垂线AP1，由N1向AP1做垂线，再由具有准确z轴坐标的节点NA向AP1做垂线，最后得到ΔAP1N1和ΔAP2NA的对应角相等，ΔAP1N1和ΔAP2NA是相似三角形，得到：
Figure FDA0002587056390000024
(2)由N1向yz轴所在平面做垂线N1P3，由NA向yz轴所在平面做垂线NAP5，再由P3向xy轴所在平面做垂线P3P4，由N1向xy轴所在平面做垂线N1P6，ΔP2P4P6和ΔP2P5NA是相似三角形，得到：
Figure FDA0002587056390000025
由于，P1N1＝P2P6，代入等式(3)可得，
Figure FDA0002587056390000026
联立等式(2)和(4)，可得，
Figure FDA0002587056390000027
即，
Figure FDA0002587056390000031
解等式(6)可以的到节点位置NA关于xy轴的坐标(xNA,yNA)，其z轴坐标已由压力传感器测量得到，所以，NA位置为(xNA,yNA,zNA)。
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