CN110161461A - 一种水下传感网络节点自定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下传感网络节点自定位方法。本方法先设计出水面信标建模并利用事件触发机制提高其定位精度。在对水下锚节点建模后，进行分阶段定位算法，首先对能够得到四个及以上的信标间距离的水下锚节点定位，再利用已定位的锚节点信息对未定位锚节点定位，直至所有锚节点完成定位。最后为了定位更为精准，运用粒子群优化算法对位置进行进一步优化，并设计水下锚节点事件触发机制来提高实用性。

Description

一种水下传感网络节点自定位方法

技术领域

本发明涉及一种水下节点定位方法，尤其涉及一种水下传感网络节点自定位的算法。

背景技术

在当前人们对江河、湖海的探索利用中，都需要利用水下锚节点定位的信息。由于水面的波动性等因素，设计一种基于事件触发机制及模糊置信度的水下传感网络节点自定位方法可以有效减少水波流动等不确定因素，提高人们利用网络节点定位信息的精准度，具有实用价值。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种水下传感网络节点自定位算法，该方法包括以下步骤：

步骤1：水面信标建模及定位，设置水面信标的三维坐标，设计一种事件触发机制来随时调整水面信标的精准度。

步骤2：水下锚节点建模，利用水下传感锚节点的三维位置和三维速度建立三维位置状态向量。

步骤3：水下锚节点定位算法，采用分阶段定位算法，第一阶段统计能够得到4个及以上信标间距离的水下锚节点，对其进行定位，第二阶段利用第一阶段已定位锚节点信息对未定位锚节点进行定位。

步骤4：锚节点位置进一步的优化，达到目标函数预定阀值。

步骤5：水下锚节点事件触发机制设计，利用此设计增加实用性。

在实际应用过程中，水下传感网络由于应用场景的特殊性，其节点会随洋流、潮汐等因素不断运动，并不是固定不变的。而若频繁对其自定位则会极大增加能耗负担，减少工作时长，影响其实用性。本发明提出了一种事件触发机制判断实际应用时各节点的位置置信度。事件触发机制可依据实际现场中的各项因素，综合考虑，设计其置信度条件，各节点通过判断其置信度是否满足实际需求来决定是否需要自定位过程。在保障定位精度的同时，减少了次数，降低了能耗，增加了工程应用中的实用性。

附图说明

图1水面信标及水下锚节点定位流程图。

图2是水下传感网络目标定位系统组成及布局。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步详细的说明。

步骤1：水面信标建模及定位。水面信标i的状态向量

其中表示信标i的三维坐标。φ_xbi为信标i的位置置信度，定义为其中a_xb1固定参数，可由先期大量实验确定，k_xbi为上一时刻信标与GPS等通信定位的时刻。

在实际应用中，水面信标由GPS、北斗等系统对其进行定位操作。但是在实际应用过程中，由于洋流等因素的干扰，水面信标是不断运动的，如果采用定周期的方式，无法保证其实时定位精度，本文设计一种对于判断信标i置信度的事件触发机制如下：

其中r_xbi,k表示信标是否需与GPS、北斗等通讯确定自身位置，1表示需要，0 表示不需要。δ_xb为预设阈值，可根据整个系统定位精度进行设立。只有当信标i 当前位置置信度低于一定阈值，影响整体系统定位精度时，才会对其再次进行定位。

步骤2：水下锚节点建模。水下传感网络锚节点i在k时刻的三维位置状态向量

其中表示其x、y、h方向的三维位置；表示其 x、y、h方向的三维速度，其运动模型依欧拉模型可建立为：

综合上式，记作x_k,i＝f(x_k-1,i)。

其中△为两个采样时刻间的采样间隔。k₁、k₂、k₃、λ、v为与锚节点所处水文环境相关的参数。w_x、w_y、w_h为x、y、h方向的速度的噪声，假设其均符合高斯假定，期望为0，方差分别为Q_x、Q_y、Q_h。

步骤3：水下锚节点定位算法。由于电磁波在水下衰减严重本方案采用基于声音信号的测距方法测定锚节点与通讯范围内的水面信标间的相互距离，再利用距离信息对其进行定位操作。由于部分水下锚节点位于深海，因此，本文拟采用分阶段定位算法。第一阶段，统计能够得到4个及以上信标间距离的水下锚节点，对其进行定位操作；第二阶段，利用第一阶段已定位锚节点信息对尚未定位锚节点进行定位，并不断重复此阶段，直至所有水下锚节点均完成定位操作。

第一阶段，水下传感网络中的各锚节点按编号顺序依次发送广播消息，并等待水面信标回复，锚节点发出消息后，等待时长T₁后，统计所能收到信息的水面信标数量，若能与超过4个及以上信标完成通信，则按照收发信息的时刻，计算其到能通信水面信标间的距离，统计能够得到的4个及以上信标间距离的锚节点，对其进行定位。第二阶段，利用第一阶段已知的锚节点信息对未定位锚节点进行定位，当每一锚节点确定自身位置后，若能与水面信标直接通信，则直接发送定位完成指令，若不能，则通过其与之能通信的锚节点中继，发送信息至水面信标，水面信标信息汇总后，统计可定位锚节点数量，若与布撒锚节点数量相等，则说明所有锚节点均已完成定位，已完成定位的锚节点在收到未定位锚节点消息后进行回复，若不相等，则未定位锚节点继续广播消息。直至其可与4个及以上的已定位锚节点或水面信标节点通信，完成定位。定位后，通过中继方式向水面信标节点汇报，水面信标进行统计，直至已定位节点数目等于布撒数目，或满足系统指定已定位节点数目要求，至此得出所有锚节点定位。

量测模型如下：

设水面信标a的坐标为与水面信标a之间的距离为：

其中，为k时刻锚节点i的三维坐标，w_d为量测噪声，假设其满足高斯假定，期望为0，方差为Q_d。上式可记为

水下锚节点定位算法。设锚节点i可与n(n≥4)个水面信标或已定位锚节点 a₁…a_n进行通信，并可测得其与之间的距离，k时刻量测方程可建模为 y＝[y_a1 y_a2 … y_an]^T，其中总体可记为 y＝h(x_i)。

运用不敏卡尔曼滤波算法可得：

步骤31设定锚节点i的状态向量x_i的初始估计预测值为相应的方差为P_i ⁰。0 时刻时，P_k-1|k-1＝P_i ⁰。

步骤32依照预测值，计算2n+1个sigma点，公式为

相应权值参数为

其中n为x_i的状态维数，k通常取0，高斯假定下，β＝2，表示其第j列元素。

步骤33运用状态方程对其sigma点进行一步递推，可得：

则可得一步状态预测值为

步骤34Sigma点状态预测值对应的量测预测值为：

则量测预测值

步骤35最终位置估计值为：

相应估计误差协方差为

即为估计所得此时锚节点i的三维坐标。

步骤4：锚节点定位位置的进一步优化。

目标函数

为估计出来的锚节点i在k时刻的三维坐标。运用粒子群优化算法对定位出来的位置进行进一步优化。

步骤41以下述公式初始化粒子群中个粒子

其中κ为3行1列的符合随机向量，符合高斯假定，期望为0向量，方程为K。

步骤42对应每一粒子，计算相应的目标函数U(ζ_i,y)。

步骤43若当前的U(ζ_i,y)小于此前所得最优的U(ζ_i,y)，则进行替换，并记录相应的记为p_id。

步骤44比较粒子群中所有粒子，得到粒子群中的最优U(ζ_i,y)以及相应的记为p_gd。

步骤45以下述公式对下一步中各粒子进行更新：

步骤46将新粒子值代入，回到步骤(2)重新进行计算，并依此循环，直到达到最大循环次数，或目标函数符合预设阈值，则停止循环，此时得到的就是最终估计所得的锚节点位置。

步骤5：水下锚节点事件触发机制设计。

由于水下锚节点供能受限，更换电池等亦极不便利，因此，可设计一种事件触发机制来管理其的通信及定位行为，使得传感网络工作时长得到增加，增加实用性。首先，其置信度可运用如下规则计算得出：

设由与之定位相关的n个水面信标节点或已定位锚节点的置信度为

φ_xb1…φ_xbi…φ_xbn，则此锚节点位置置信度为

其实时位置置信度为其中为固定参数，可由先期大量实验确定，为上一定位时刻。管理水下锚节点的通信及定位行为事件触发机制设计为：

当r_mi,k为1时，表示此时位置精度已较低，影响整体系统定位精度，需重新进行定位操作。

Claims (4)

1.一种水下传感网络节点自定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：水面信标建模及定位

设置水面信标i的状态向量为其中表示信标i的三维坐标,φ_xbi为信标i的位置置信度，定义为其中a_xb1为固定参数，k_xbi为上一时刻信标与GPS等通信定位的时刻，e为常数，同时设计一种判断信标i置信度的事件触发机制为δ_xb为预设阈值，根据整个系统定位精度进行设立，当信标i当前位置置信度低于预定阈值，影响整体系统定位精度时，对其再次进行定位；

步骤2：水下锚节点建模

水下传感网络锚节点i在k时刻的三维位置状态向量其中表示其x、y、h方向的三维位置,表示其x、y、h方向的三维速度，其运动模型依欧拉模型经建立记为x_k,i＝f(x_k-1,i)；

步骤3：水下锚节点定位算法

本方法采用分阶段定位算法，第一阶段，水下传感网络中的各锚节点按编号顺序依次发送广播消息，并等待水面信标回复，锚节点发出消息后，等待时长T₁后，统计所能收到信息的水面信标数量，若能与超过4个及以上信标完成通信，则按照收发信息的时刻，计算其到能通信水面信标间的距离，统计能够得到的4个及以上信标间距离的锚节点，对其进行定位，第二阶段，利用第一阶段已知的锚节点信息对未定位锚节点进行定位，当每一锚节点确定自身位置后，若能与水面信标直接通信，则直接发送定位完成指令，若不能，则通过其与之能通信的锚节点中继，发送信息至水面信标，水面信标信息汇总后，统计可定位锚节点数量，若与布撒锚节点数量相等，则说明所有锚节点均已完成定位，已完成定位的锚节点在收到未定位锚节点消息后进行回复，若不相等，则未定位锚节点继续广播消息，直至其可与4个及以上的已定位锚节点或水面信标节点通信，完成定位，之后，通过中继方式向水面信标节点汇报，水面信标进行统计，直至已定位节点数目等于布撒数目，或满足系统指定已定位节点数目要求，至此得出所有锚节点定位，量测模型中设水面信标或已定位锚节点记为a₁…a_n，其坐标为待定位锚节点与水面信标或已定位锚节点之间的距离为 为k时刻锚节点i的三维坐标，w_d为量测噪声，假设其满足高斯假定，期望为0，方差为Q_d，上式记为

设锚节点i可与n(n≥4)个水面信标或已定位锚节点a₁…a_n进行通信，并测得其与之间的距离，k时刻量测方程可建模为y＝[y_a1 y_a2 … y_an]^T，其中总体记为y＝h(x_i)，运用不敏卡尔曼滤波算法得最终位置估计值为于此相对应的估计误差协方差为 即为估计所得此时锚节点i的三维坐标：

步骤4：锚节点位置进一步的优化

目标函数其中

为估计出来的锚节点i在k时刻的三维坐标，运用粒子群优化算法对定位出来的位置进行进一步优化，对每一个粒子进行计算，若优于最优U(ζ_i,y)则替换，直至找出最优U(ζ_i,y)，并利用公式

进行更新，直到得到最佳锚节点位置；

步骤5：水下锚节点事件触发机制设计

设计一种管理水下锚节点通信及定位行为的事件触发机制，与之定位相关的n个水面信标节点或已定位锚节点的置信度为φ_xb1…φ_xbi…φ_xbn，则此锚节点位置置信度为其实时位置置信度为 为固定参数，为上一定位时刻，管理水下锚节点通信及定位行为的事件触发机制可设计为当r_mi,k为1时，表示此时位置精度已较低，影响整体系统定位精度，需重新进行定位操作。

2.如权利要求1所述的一种水下传感网络节点自定位方法，其特征在于，步骤2中水下锚节点建模的具体过程为：水下传感网络锚节点i在k时刻的三维位置状态向量其中表示其x、y、h方向的三维位置，表示其x、y、h方向的三维速度，其运动模型依欧拉模型可建立为

综合上式，记作x_k,i＝f(x_k-1,i)。

其中△为两个采样时刻间的采样间隔，k₁、k₂、k₃、λ、v为与锚节点所处水文环境相关的参数；w_x、w_y、w_h为x、y、h方向的速度的噪声，假设其均符合高斯假定，期望为0，方差分别为Q_x、Q_y、Q_h。

3.如权利要求1所述的一种水下传感网络节点自定位方法，其特征在于，步骤3，水下锚节点定位算法的具体步骤为，运用不敏卡尔曼滤波算法可得：

步骤31—设定锚节点i的状态向量x_i的初始估计预测值为相应的方差为P_i ⁰，k为0时刻时，P_k-1|k-1＝P_i ⁰

步骤32依照预测值，计算2n+1个sigma点，公式为

相应权值参数为

其中n为x_i的状态维数，k通常取0，α通常等于1，高斯假定下，表示其第j列元素；

步骤33运用状态方程对其sigma点进行一步递推，可得

则可得一步状态预测值为

步骤34Sigma点状态预测值对应的量测预测值为

则量测预测值

步骤35最终位置估计值为

相应估计误差协方差为

即为估计所得此时锚节点i的三维坐标。

4.如权利要求1所述的一种水下传感网络节点自定位方法，其特征在于，步骤4的具体过程为：

步骤41初始化粒子群中每个粒子

其中κ为3行1列的符合随机向量，符合高斯假定，期望为0向量，方程为K，

步骤42对应每一粒子，计算相应的目标函数U(ζ_i,y)，

步骤43若当前的U(ζ_i,y)小于此前所得最优的U(ζ_i,y)，则进行替换，并记录相应的记为p_id，

步骤44比较粒子群中所有粒子，得到粒子群中的最优U(ζ_i,y)以及相应的记为p_gd，

步骤45以下述公式对下一步中各粒子进行更新

v_id(l+1)＝wv_id(l)+c₁r_1d(p_id(l)-ζ_id(l))+c₂r_2d(l)(p_gd(l)-ζ_id(l))

ζ_id(l+1)＝ζ_id(l)+v_id(l+1)

步骤46将新粒子值代入，回到步骤(2)重新进行计算，并依此循环，直到达到最大循环次数，或目标函数符合预设阈值，则停止循环，此时得到的就是最终估计所得的锚节点位置。