CN111800202B - 一种基于Labview平台的水声网络节点测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Labview平台的水声网络节点测距方法，由N个节点构成的水声网络，进行N轮测距，在测距请求信号开始发送时，测距发起节点Labview平台的RT模块计时等待，待各测距应答节点完成信号接收后，各节点将所采集信号与本地存储的线性调频测距信号进行自相关运算，计算测距请求信号的到达时间，待测距发起节点完成测距应答信号的接收后，测距发起节点将所采集信号与本地存储的线性调频测距信号进行自相关运算，计算各测距应答信号的到达时间，待测试N轮后，结束整个测距过程。本发明提高了测距过程的稳定性，提高了测距精度，具备良好的测距精度。

Description

一种基于Labview平台的水声网络节点测距方法

技术领域

本发明涉及水下通信组网领域，具体涉及水声学，信号检测，网络接入协议，测距技术等，尤其是一种水声网络节点的测距方法。

背景技术

地球上海洋总面积约为3.6亿平方公里，约占地球表面积的71％，海洋中蕴含着丰富的生物、医药、矿产等资源。在陆地资源日益饱和的情况合理开发并利用海洋资源对人类的生存发展和社会活动起到至关重要的作用。为了满足人类对水下空间的探索，水声网络(UAN,Underwater Acoustic Networks)逐渐得到发展。其中，网络节点测距技术是最基础、最重要的技术之一，高精度的节点距离信息是实现水下目标精确定位、跟踪等应用的基本保障，对海洋资源的开发利用具有积极意义。

基于时间的水下节点测距技术主要是通过测量测距信号在节点间的传播时延来完成，测距精度通常取决于对测距信号传播时延的测量精度。常用的测距方法有TOA、TDOA等。在双向TOA测距中，对测距信号到达时刻的测量、对预定延迟时间的控制精度主要影响着测距性能。

一方面，目前对测距信号通常采用先检测后存储的接收方法，通过信号检测算法(如FFT)对信道持续监测，当信号满足接收门限规则后，才开始接收、进一步处理信号、计算信号到达时刻，这不仅需要硬件具有较高的实时处理能力，而且信号检测过程也存在一定的开销，需要以一定的信号长度为代价换取信号检测的通过，进而导致信号到达时刻记录不准确，带来测距误差。另外，这种接收方法也会由于检测算法本身性能的影响导致虚警与漏检现象，从而影响测距过程成功进行。

另一方面，在硬件系统中，常采用单片机、DSP芯片、FPGA芯片、Labview平台等完成信号处理、程序逻辑控制等功能。但单片机、DSP芯片及FPGA芯片的程序开发周期较长，且调试手段单一，无法在线更新程序；Labview平台程序开发周期短，可在线实时调试程序，且其特有的顶层RealTime模块和底层FPGA模块独立运行设计，可以实现在FPGA模块把数据接收并传输数据到实时处理器RT的功能。但RT模块时间精度低，仅为毫秒级，在该模块中进行定时控制会造成毫秒级的时间误差，进而导致米级的测距误差，FPAG模块计时精度高，可达微秒级，但处理能力有限，不足以负担复杂的程序结构，需与RT模块配合才能精确控制双向TOA测距中的预定延迟时间。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于Labview平台的水声网络节点测距方法。利用Labview平台模块功能强大、程序开发周期短、可在线调试的优势，针对先检测后接收方法易导致数据接收时刻记录不准确，以及Labview平台中RT模块时间精度较低，从而造成测距误差的现象，进行基于Labview平台的水声网络节点测距。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的详细步骤如下：

步骤1：由N个节点构成的水声网络，各节点按照ID顺序0,1,2,…,N-1，从0号节点开始依次充当测距发起节点，发送测距请求信号，以双向TOA的方式测量与其余节点间的距离，此时其余节点作为测距应答节点，回复测距应答信号；共需进行N轮测距，每轮测距周期为T；

在第k轮测距周期的初始时刻，其中，k＝0,1,2,...,N-1，由测距发起节点i发送测距请求信号，i＝k，记录发送时刻T₀，同时，其余测距应答节点j直接存储接收测距信号，其中j＝0,1,2,...,N-1；j≠i，记录初始接收时刻

接收持续时长为1个接收窗长W；

接收窗长的确定规则为：在N节点水声网络中，设网络所允许的节点间最大单跳距离为D(单位为米)，则可确定接收窗长为：

其中，v_s为水中声速，T_LFM为线性调频测距信号时间长度，ΔT_W＞0，为接收窗冗余保护时间；

步骤2：在测距请求信号开始发送时，测距发起节点i在Labview平台的RT模块计时等待，分别在第T₀+(j+1)×τ时刻直接存储接收应答信号，记录开始接收时刻T_j+1，接收持续时长为1个接收窗长W；其中j＝0,1,2,...,N-1；j≠i，τ为预定应答前等待时间；

预定应答延时τ由接收窗长W确定，需满足τ＝W+ΔT_τ，ΔT_τ＞0为应答冗余保护时间；

步骤3：待各测距应答节点j完成1个接收窗长W的信号接收后，各节点将所采集信号与本地存储的线性调频测距信号进行自相关运算，计算测距请求信号的到达时间Δt'_j，也即，各应答节点从开始接收时刻起，至真正收到测距请求信号时的等待时间间隔；接着在Labview平台的FPGA模块，按预定的延迟时间计时等待，各节点分别等待

后，回复测距应答信号；

步骤4：待测距发起节点分别在第T₀+(j+1)×τ+W时刻完成测距应答信号的接收后，测距发起节点将所采集信号与本地存储的线性调频测距信号进行自相关运算，计算各测距应答信号的到达时间Δt_j，即测距发起节点从各开始接收时刻起，至真正收到各测距应答信号时的等待时间间隔；测距发起节点i可根据公式(1)计算出与各节点j的距离：

其中，T_j+1为测距发起节点i开始存储接收来自应答节点j的应答信号的时刻，Δt_j为测距发起节点i从开始接收应答信号时刻T_j+1起，至真正收到测距应答信号时的等待时间间隔，T₀为测距发起节点初始发送测距请求信号的时刻，(j+1)×τ为应答节点j的预定延迟时间；

步骤5：待第k轮测距时长经过T(单位为s)后，第k轮测距过程结束，令k加1，再跳转到步骤1进行循环，开始第k+1轮测距，直到k＝N时，结束整个测距过程；其中，各轮的测距时长T＝N×τ+W+ΔT，ΔT＞0为周期冗余保护时间。

本发明的有益效果在于：

1、采用一种基于时隙规划的高精度同步方法，通过设置合适的接收窗长、预定延迟时间参数，按照本发明的时隙规划方法进行测距信号的收、发时刻控制，可确保各节点的测距信号可在接收窗口内被有效接收，通过对接收信号进行自相关运算实现高精度同步，精确测定数据开始时刻，改善了先检测后接收方法带来的接收时刻记录不准确问题，减小了测距误差。另外也规避了因信号检测带来的虚警与漏检问题，提高了测距过程的稳定性。

2、针对Labview平台RT模块时间精度较低，且双向TOA中测距应答节点的计时精度对测距精度的影响较大的特点，将测距应答节点的计时功能在具有微秒级计时精度的FPGA模块中实现，通过FPGA模块与RT模块相互配合，提高了测距精度；

这些特点赋予了本发明方法具备良好的测距精度，并能提高测距过程的稳定性。经过水池实验验证，本发明方法测距成功率为100％，平均测距误差为0.043(m)。在本发明方法所测距离的基础上，采用三边测量方法进行节点定位，定位结果如图5所示，定位误差小于5％。

附图说明

图1是本发明总体流程图。

图2是某水声网络系统节点布放示意图。

图3是本发明某单周期测距方案示意图。

图4是Labview平台硬件资源分配示意图。

图5是基于本发明方法的定位效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的总体流程图，更具体的，在图2所示的由4个节点构成的水声网络中，各节点按照ID顺序(0,1,2,3)，从0号节点开始依次充当测距发起节点，发送测距请求信号，以双向TOA的方式测量与其余节点间的距离，此时其余节点作为测距应答节点，回复测距应答信号；共需进行四轮测距。如图3所示为第3轮测距周期的时序示意图，以第3轮测距周期为例，介绍该轮测距过程。

步骤1：在第k＝3轮测距周期的初始时刻，由i＝k＝3号节点作为测距发起节点发送测距请求信号，记录发送时刻T₀，同时，其余测距应答节点j(j＝0,1,2；j≠i)直接存储接收测距信号，记录初始接收时刻

接收持续时长为1个接收窗长W。

设该网络所允许的节点间最大单跳距离为1500(m)，则接收窗长可按下式确定：

其中，v_s＝1500m/s为水中声速，本例中设线性调频测距信号时间长度T_LFM＝0.1s，接收窗冗余保护时间ΔT_W＝0.9s，则接收窗长W＝3s。由于接收窗长

即，接收持续时间大于最大单程传播时延与线性调频测距信号时长之和，且信号发送时刻T₀与信号初始接收时刻

几乎相等，则该接收窗长可保证各测距应答节点可靠接收测距请求信号。

步骤2：在测距请求信号开始发送时，测距发起节点i＝3在Labview平台的RT模块计时等待，分别在第T₀+(j+1)×τ时刻直接存储接收应答信号，记录开始接收时刻T_j+1，接收持续时长为1个接收窗长W；其中j＝0,1,2；j≠i，τ为预定应答前等待时间。

预定应答延时τ可由接收窗长W确定，需满足τ＝W+ΔT_τ，本例设应答冗余保护时间ΔT_τ＝7s，则τ＝10s。因此，测距发起节点3将分别在第T₀+10s、T₀+20s、T₀+30s时刻直接持续开始存储接收信号，持续接收时长为W＝3s。按照双向TOA的测距流程，各应答节点会从开始收到测距请求信号时刻开始计时，分别等待(j+1)×τ(s)后回复应答信号，由接收窗长设置规则

则可保证测距发起节点在该段时间内能可靠接收到应答信号。

步骤3：待各测距应答节点j完成1个接收窗长W的信号接收后，各节点将所采集信号与本地存储的线性调频测距信号进行自相关运算，计算测距请求信号的到达时间Δt'_j，也即，各应答节点从开始接收时刻起，至真正收到测距请求信号时的等待时间间隔；接着在Labview平台的FPGA模块，按预定的延迟时间计时等待，各节点分别等待

后，回复测距应答信号。此步骤在具有微秒级定时精度的FPGA模块对测距应答信号进行延时，并通过线性调频信号的自相关运算精准测定信号到达时刻，保证了应答节点预定延迟时间的高精度计时。

步骤4：待测距发起节点分别在第T₀+(j+1)×τ+W时刻完成测距应答信号的接收后，测距发起节点将所采集信号与本地存储的线性调频测距信号进行自相关运算，计算各测距应答信号的到达时间Δt_j，也即，测距发起节点从各开始接收时刻起，至真正收到各测距应答信号时的等待时间间隔；测距发起节点i可根据公式(1)计算出与各节点j的距离。

步骤5：待第k＝3轮测距时长经过T＝N×τ+W+ΔT＝4×10+3+ΔT(s)后，该轮测距过程结束，本例中，设周期冗余保护时间ΔT＝10s，即在第T₀+53s时，该轮测距过程结束，且由于k＝N-1，则全网各节点间测距结束。

图4为Labview平台硬件资源分配示意图，RT模块具有较强的处理能力，承担测距流程的逻辑调度，负责测距周期的总时长计时，但计时精度较差，为毫秒级，毫秒级的误差会使接收窗的开始时刻提前或延迟数毫秒，由于接收窗长的设计，仍能保证信号在接收窗内被可靠接收；FPGA模块具备较高的计时精度，可达到微秒级，在该模块中进行信号收、发时刻的计时更加精确，由该模块计时产生的测距误差小于10^-3(m)，因此在该模块中进行应答前等待计时能更逼近预定的应答延时，减小因计时不理想带来的误差。

图2所示水声网络系统各节点的实测距离如表1所示，采用本发明方法所得的测距结果如表2所示，测距误差如表3所示：

表1各节点实测距离(m)

表2本发明方法的测距结果(m)

表3测距误差(m)

表4定位结果

测距成功率为100％，平均测距误差为0.043(m)，能稳定精确地完成测距过程。在本发明所测距离的基础上，采用三边测量方法进行节点定位，定位结果如图5和表4所示，相对定位误差小于5％。

Claims (1)

1.一种基于Labview平台的水声网络节点测距方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：由N个节点构成的水声网络，各节点按照ID顺序0,1,2,…,N-1，从0号节点开始依次充当测距发起节点，发送测距请求信号，以双向TOA的方式测量与其余节点间的距离，此时其余节点作为测距应答节点，回复测距应答信号；共需进行N轮测距，每轮测距周期为T；

在第k轮测距周期的初始时刻，其中，k＝0,1,2,...,N-1，由测距发起节点i发送测距请求信号，i＝k，记录发送时刻T₀，同时，其余测距应答节点j直接存储接收测距信号，其中j＝0,1,2,...,N-1；j≠i，记录初始接收时刻

接收持续时长为1个接收窗长W；

接收窗长的确定规则为：在N节点水声网络中，设网络所允许的节点间最大单跳距离为D，则可确定接收窗长为：

其中，v_s为水中声速，T_LFM为线性调频测距信号时间长度，ΔT_W＞0，为接收窗冗余保护时间；

步骤2：在测距请求信号开始发送时，测距发起节点i在Labview平台的RT模块计时等待，分别在第T₀+(j+1)×τ时刻直接存储接收应答信号，记录开始接收时刻T_j+1，接收持续时长为1个接收窗长W；其中j＝0,1,2,...,N-1；j≠i，τ为预定应答前等待时间；

预定应答延时τ由接收窗长W确定，需满足τ＝W+ΔT_τ，ΔT_τ＞0为应答冗余保护时间；

步骤3：待各测距应答节点j完成1个接收窗长W的信号接收后，各节点将所采集信号与本地存储的线性调频测距信号进行自相关运算，计算测距请求信号的到达时间Δt'_j，也即，各应答节点从开始接收时刻起，至真正收到测距请求信号时的等待时间间隔；接着在Labview平台的FPGA模块，按预定的延迟时间计时等待，各节点分别等待

后，回复测距应答信号；

步骤4：待测距发起节点分别在第T₀+(j+1)×τ+W时刻完成测距应答信号的接收后，测距发起节点将所采集信号与本地存储的线性调频测距信号进行自相关运算，计算各测距应答信号的到达时间Δt_j，即测距发起节点从各开始接收时刻起，至真正收到各测距应答信号时的等待时间间隔；测距发起节点i可根据公式(1)计算出与各节点j的距离：

其中，T_j+1为测距发起节点i开始存储接收来自应答节点j的应答信号的时刻，Δt_j为测距发起节点i从开始接收应答信号时刻T_j+1起，至真正收到测距应答信号时的等待时间间隔，T₀为测距发起节点初始发送测距请求信号的时刻，(j+1)×τ为应答节点j的预定延迟时间；

步骤5：待第k轮测距时长经过T后，第k轮测距过程结束，令k加1，再跳转到步骤1进行循环，开始第k+1轮测距，直到k＝N时，结束整个测距过程；其中，各轮的测距时长T＝N×τ+W+ΔT，ΔT＞0为周期冗余保护时间。

Images