CN115087093A - 一种面向海洋的水下节点迭代定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，属于水下无线传感器网络节点定位技术领域，包括：部署水面节点及水下节点；每个节点测量自身深度及感知周围邻居节点，将信息汇到水面中心；水面中心制定水下节点的定位顺序列表和定位发射功率；水下节点据定位信息依次定位，确定3个已定位的邻居节点辅助定位；水下节点同选定的邻居节点通信，获取邻居节点位置与信息接发时间间隔，利用传播时长计算节点间距离及节点位置，通知定位信息中的后一定位节点开始定位；所有标有定位序号的水下节点完成定位，节点定位完成。本发明整体网络完成定位的速度快，节点在定位时发生信息干扰与冲突概率小，节点能量消耗少、定位精度高，具有很好的可拓展性。

Description

一种面向海洋的水下节点迭代定位方法
技术领域
本发明涉及一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，属于水下无线传感器网络节点定位技术领域。
背景技术
近年来，世界各国越发重视海洋的价值，人们从不同的角度去开发、利用以及保护海洋。水下无线传感网络为海洋资源开发、海洋科学探索、海洋生态保护等提供了更多的、可能的解决方案。在这些应用中，水下传感器节点的位置信息显得非常重要，因为只有传感器节点收集的数据与节点的位置信息结合，水下无线传感网络才能发挥最大功效。同时，水下传感器节点的位置信息也是水下网络拓扑控制、覆盖控制以及路由决策的重要依据。目前，研究人员在水下无线传感网络节点定位方面开展了大量的工作，提出了许多基于非测距和基于测距的定位方法。而基于测距的定位方法的定位精度更高，应用范围更广。因此，设计一种基于测距的水下无线传感器网络节点定位方法更有利于水下无线传感网络在海洋领域的应用。
由于水下无线传感网络中浮标节点相对较少，难以为大量的水下传感器节点直接提供位置参考，因此需要一些已定位节点辅助其他未定位的节点进行定位，以降低整体定位成本，完成更多的水下传感器节点定位任务。目前的定位方法为了完成自身定位任务，未知节点需要一直处于工作状态，不断探寻周围是否具有足够量的、已完成定位的节点，进而请求它们帮助自身定位。在这类无序的定位方法中，对节点的能量消耗很大，并且所有的节点都在同一时间段内通信会引起信息干扰，信息堵塞等问题，不利于水下无线传感网络的生存与定位。水下传感器节点自身携带能量有限，水声通信对于节点的能量消耗也是很大的。因此，为保证网络长期有效运行，需要减少节点不必要的能量消耗。未知节点仅在满足辅助定位节点数量的简单要求下，就开始定位无法有效保证节点定位精度。并且随着网络节点定位的不断进行，更多的已定位节点辅助其他未定位的节点定位，随之而来的是误差积累问题。定位误差的积累对于后续节点的数据融合与利用都将造成很大的困难。在节点迭代定位过程中，参考点信息的准确性对于最终定位精度影响巨大。因此，研究一种基于节点选择的有序定位方法十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，用来减少网络定位能量消耗与信息冲突，降低水下传感器节点迭代定位的误差。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，包括如下步骤：
步骤S1，在目标海域随机部署3个以上的水面节点以及多个水下节点，所有节点组成一个水下网络；
步骤S2，每个节点测量自身深度以及感知周围邻居节点，并将信息汇聚到水面中心；
步骤S3，根据步骤S2获取的信息，水面中心制定水下节点的定位顺序列表以及确定水下节点的定位发射功率；
步骤S4，水下节点根据存储的定位信息依次进行定位，定位时通过已定位的邻居节点的剩余能量比率、辅助定位信息可信度以及信息传输概率确定3个已定位的邻居节点进行辅助定位；
步骤S5，水下节点同选定的邻居节点通信，获取邻居节点位置与信息接发时间间隔信息，利用传播时长计算节点间距离以及节点位置，然后通知定位信息中的后一定位节点开始定位；
步骤S6，重复步骤S4与步骤S5的操作，直至所有标有定位序号的水下节点完成定位，则整个水下网络的节点定位完成。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S1中，所述水面节点通过全球定位系统能够获知精确的位置信息，并能够适当移动；水下节点只能通过其他已知位置的节点辅助定位，均是未知节点；所述水下节点中部分水下节点能与3个或3个以上的水面节点通信。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S2中，每个节点均自带压力传感器以及水声通信系统，通过压力传感器获取节点所处深度，利用水声通信获取定位所需的相关信息。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S3中，水下节点均具有两种发射功率，分别是通信半径为r的Wr发射功率与通信半径为3r的W3r发射功率，水面中心获取的邻接矩阵信息是居于发射功率为Wr获取的，确定的定位顺序列表以及对应的定位发射功率会再传输回各水下节点；所述定位顺序列表中含有多条不相交的定位路径，1条定位路径包含1条主路径与数条支路路径，并且是根据根节点数量确定定位顺序列表中主路径的数量。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述根节点是指在定位初始时，节点一跳范围内有3个或3个以上的水面节点的水下节点。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述定位路径在根节点之后的节点选择需要根据水下节点的贡献度值Gi的大小以及节点深度确认：
Figure BDA0003682952600000031
其中，Si为未知节点一跳范围内的水面节点数量；
Figure BDA0003682952600000032
为未知节点一跳范围内的已排序的节点数量；N为网络含有的水下节点总数；Pj为已排序节点的顺序值。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S4中，所述水下节点接收到定位顺序列表后，会将由节点自身定位序号、节点所在路径最大定位序号、发射功率、前一定位节点ID以及后一定位节点ID构成的节点定位信息存储；水下节点按照各自存储的定位信息定位时，以定位信息中的发射功率寻找已定位节点，能够找到3个或3个以上的已定位节点。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S4中，定位辅助节点的选择是由剩余能量比率、辅助定位信息可信度以及信息传输概率构成的选择置信度大小决定的，所述的辅助定位信息可信度是指已定位的邻居节点所能提供的辅助定位信息的精确度；所述的信息传输概率由水声信号的误码率以及数据包大小决定：
Figure BDA0003682952600000041
其中，AIj为已定位节点j的辅助信息可信度，Omax为已定位邻居节点j所在路径的最大定位序号，Oj为已定位邻居节点j的定位序号。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S5中，水下节点同选定的邻居节点通信具有特定的定位请求信息格式以及反馈信息格式要求，定位请求信息包括信息的类型、请求者ID以及接收者ID，而接受者需要反馈的信息包括信息的类型、发送者ID、接收者ID、发送者位置坐标以及发送者接到定位请求到发出反馈信息的这段时间间隔，同时这些信息数据包都有固定的大小；节点发送信息时，硬件设备需过渡时间，存在一定传输延迟，因此两节点间的传播时长是根据节点接发信息时间差以及传输延迟计算得到的；同时，根据传播时长构建权值矩阵，将其应用至节点定位计算中，进一步保证节点定位精度；所述两节点间的传播时长为：
Figure BDA0003682952600000042
其中，Tτ两节点间的传播时长；t4-t1为未知节点的接发时间差；(t3-t2)为已定位的邻居节点的信息接发时间差；tr(1),tr(2)分别为未知节点与邻居节点的传输延迟。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S6中，水下节点对自身存储的定位信息进行分析，当前一定位节点ID项为空时，自行开始定位工作，定位完成后通过查验后一定位节点ID项通知后一定位节点开始定位，而当自身定位完成后查验后一定位节点ID项为空时，则代表此条路径的节点定位完成，并向水面中心传递此路径定位完成信号，水面中心收到所有路径的定位完成信号，则表示整个水下网络的节点定位完成；水下节点定位完成，通知定位信息中的后一定位节点开始定位后，会进入休眠状态，而其他未顺序执行到的水下节点也都处于休眠状态，不主动发送任何信息，除非有自身存储的定位信息中的前一定位节点的定位唤醒或是其他的正在定位的节点的定位请求，才会处于活动状态。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明实现了对三维海域内的大型水下无线传感网络节点的定位，相较于现有的节点定位方法，整体网络完成定位的速度更快，节点在定位时发生信息干扰与冲突的概率更小，节点的能量消耗更少，节点定位的精度更高，并且具有很好的可拓展性。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是水下节点存储的定位信息内容示意图；
图3是定位请求信息内容及数据大小示意图；
图4是选定的辅助节点需要反馈的信息内容及数据大小示意图；
图5是水下无线传感网络节点定位路径示意图；
图6是水下节点进行定位操作的流程图；
图7是水面中心确定水下节点定位顺序及定位发射功率的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
如图5所示，水面节点以及水面中心处于海面，大量的水下节点随机分布于位置不一的海水中。若水下节点无序的进行定位任务，所有的节点都一直需要执行监听、侦测、询问等工作，不可避免的给整个网络带来巨大的能量消耗与信息传输压力。对于底层的水下节点，需要长时间的等待，才有足量的已定位节点辅助定位，其定位精度由于上层的节点误差积累，也难以得到有效的保证。本发明提出一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，该方法适用于大型水下无线传感网络的定位任务，能够有效减少由于多信息传输引起的信息干扰与冲突问题，提高网络整体定位速率与定位精度，并且能耗较低，是一种高效、可行的定位方案。
一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1，水面节点与水下节点随机分布在一个三维海域，可以适当移动或增加水面节点，使得水下网络中存在能与3个或3个以上的水面节点通信的水下节点。这类水下节点的数量就是整个水下网络主路径的数量，主路径数量影响着整个网络定位的速度。所述水面节点通过全球定位系统能够获知精确的位置信息，水下节点只能通过其他已知位置的节点辅助定位，均是未知节点。
步骤S2，布置好的节点测量自身深度以及感知周围邻居节点，并将这些信息汇聚到水面中心。
每个节点均自带压力传感器以及水声通信系统，通过压力传感器获取节点所处深度，利用水声通信获取定位所需的相关信息。各节点测量计算自身深度，并以Wr的发射功率探寻、记录周围的邻居节点，各节点将记录的深度信息以及邻居节点信息转发到水面中心。
步骤S3，根据所述步骤S2获取的信息，水面中心制定水下节点的定位顺序列表以及确定水下节点的定位发射功率。所述定位顺序列表中含有多条不相交路径，每一条路径都包含一条主路径和数条支路路径，定位路径及其所含节点满足以下基本约束：
Figure BDA0003682952600000061
Figure BDA0003682952600000071
其中，v为节点；V为节点集合；e为链路；E为链路集合；Li是第i条定位路径。
水面中心处理收集到的节点邻居数据以及深度信息数据，并确定各节点的定位顺序与定位发射功率。发射功率的调整是为了保证每一个节点在定位时能有足够的参考点辅助定位，也是为了减少节点能量的消耗。如图7所示，水面中心利用收集的邻接矩阵以及节点的深度信息，首先确定主路径的数量，根据根节点的深度信息确定主路径顺序；然后选择主路径1的第2定位顺序节点，将第一定位顺序节点的未排序的邻居节点作为定位节点候选集；再对候选集内的各节点分别计算
Figure BDA0003682952600000072
值。如果
Figure BDA0003682952600000073
那么候选集中Gi+1最大的未知节点即被确定为第i+1位定位顺序。在这种情况下，候选集中如果存在最大Gi+1相同的多个节点，那么就将其中与第i位节点的深度差最小的未知节点作为第i+1位定位节点。并且将第i+1位定位节点的定位发射功率定为Wr。当
Figure BDA0003682952600000074
时，候选集中Gi+1值最大的未知节点被确定为第i+1号定位节点。这此情况下，如果候选集中多个未知节点都拥有最大Gi+1值，那么就将其中与第i位节点的深度差最小的未知节点作为第i+1位定位节点，并将确定的第i+1位定位节点的定位发射功率标为W3r。通过上述操作确定了主路径1的第2定位顺序节点及定位发射功率。在更新已排序节点集后，主路径2开始确定第2定位顺序节点，选择方法同主路径1的定位顺序节点选择一样，然后在确定主路径3的第2定位顺序节点，不断的循环，直至所有主路径的第2定位节点确定。然后确定主路径的第3定位顺序节点，重复上述步骤。一旦未排序候选集为空，则代表此主路径排序截止，等到所有的主路径的排序都截止，水面中心开始支路节点的确定。首先对主路径1上的第1排序节点进行查询，看其邻居节点是否还存在未排序节点，存在，则按上述节点选择方法确定节点；不存在，则对第2顺序节点查询，同样的操作。主路径1都查询完就对主路径2上的节点查询，依次查询。当所有主路径节点查询完，仍存在未排序节点，则对支路路径开始查询，直至网络中所有节点都有定位顺序以及定位发射功率。
步骤S4，各节点传递水面中心制定好的节点定位顺序表以及发射功率。水下节点根据图2所示的定位信息的要求存储相应信息。节点如图6所示，首先查询自身存储的定位信息中，前一定位ID项是否为空，为空则开始定位操作；不为空，则进入睡眠状态，等待定位开始信号。定位的节点首先按照自身存储的定位信息中发射功率项要求，调整发射功率，感知周围已定位的节点。通过已定位的邻居节点的剩余能量比率、辅助定位信息可信度以及信息传输概率构成的选择置信度，确定3个选择置信度最大的节点进行辅助定位。
步骤S5，水下节点同选定的邻居节点通信，获取邻居节点位置与信息接发时间间隔，利用传播时长计算节点间距离以及节点位置，然后通知定位信息中的后一定位节点开始定位。
水下节点按照图3所示的辅助定位请求信息格式向选定的3个节点发送定位请求。这三个节点接收到请求后，按照图4所示，返回相应信息。水下节点通过反馈回的信息计算传播时长，利用传播时长计算节点间距离，构建权值矩阵，利用加权最小二乘法计算节点位置，然后查验自身存储的定位信息中的后一定位节点ID项，若定位信息中的后一定位节点ID项为空，则向水面中心发送完成信号，然后进入休眠；不为空，则发送信息通知后一定位节点开始定位，然后进入休眠。
传播时长为：
Figure BDA0003682952600000081
Figure BDA0003682952600000082
其中，Tτ两节点间的传播时长；t4-t1为未知节点的接发时间差；(t3-t2)为已定位的邻居节点的信息接发时间差；tr(1),tr(2)分别为未知节点与邻居节点的传输延迟；Dsize为需要传输的数据包大小；Bwidth为带宽；Sficiency为频谱效率。
步骤S6，水下网络节点不断重复步骤S4与步骤S5的操作，直至水面中心收到与之前制定定位顺序列表中路径数等量的路径定位完成信号数，那么整个水下网络的节点定位工作也就完成。

Claims (10)

1.一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，在目标海域随机部署3个以上的水面节点以及多个水下节点，所有节点组成一个水下网络；
步骤S2，每个节点测量自身深度以及感知周围邻居节点，并将信息汇聚到水面中心；
步骤S3，根据步骤S2获取的信息，水面中心制定水下节点的定位顺序列表以及确定水下节点的定位发射功率；
步骤S4，水下节点根据存储的定位信息依次进行定位，定位时通过已定位的邻居节点的剩余能量比率、辅助定位信息可信度以及信息传输概率确定3个已定位的邻居节点进行辅助定位；
步骤S5，水下节点同选定的邻居节点通信，获取邻居节点位置与信息接发时间间隔信息，利用传播时长计算节点间距离以及节点位置，然后通知定位信息中的后一定位节点开始定位；
步骤S6，重复步骤S4与步骤S5的操作，直至所有标有定位序号的水下节点完成定位，整个水下网络的节点定位完成。
2.根据权利要求1所述的一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于：步骤S1中，所述水面节点通过全球定位系统能够获知精确的位置信息，并能够适当移动；水下节点只能通过其他已知位置的节点辅助定位，均是未知节点；所述水下节点中部分水下节点能与3个或3个以上的水面节点通信。
3.根据权利要求1所述的一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于，步骤S2中，每个节点均自带压力传感器以及水声通信系统，通过压力传感器获取节点所处深度，利用水声通信获取定位所需的相关信息。
4.根据权利要求1所述的一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于：步骤S3中，节点均具有两种发射功率，分别是通信半径为r的Wr发射功率与通信半径为3r的W3r发射功率，水面中心获取的邻接矩阵信息是节点居于发射功率为Wr获取的，确定的定位顺序列表以及对应的定位发射功率会再传输回各水下节点；所述定位顺序列表中含有多条不相交的定位路径，1条定位路径包含1条主路径与数条支路路径，并且是根据根节点数量确定定位顺序列表中主路径的数量。
5.根据权利要求4所述的一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于：所述根节点是指在定位初始时，节点一跳范围内有3个或3个以上的水面节点的水下节点。
6.根据权利要求5所述的一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于：所述定位路径在根节点之后的节点选择需要根据水下节点的贡献度值Gi的大小以及节点深度确认：
Figure FDA0003682952590000021
其中，Si为未知节点一跳范围内的水面节点数量；
Figure FDA0003682952590000022
为未知节点一跳范围内的已排序的节点数量；N为网络含有的水下节点总数；Pj为已排序节点的顺序值。
7.根据权利要求1所述的一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于：步骤S4中，所述水下节点接收到定位顺序列表后，会将由节点自身定位序号、节点所在路径最大定位序号、发射功率、前一定位节点ID以及后一定位节点ID构成的节点定位信息存储；水下节点按照各自存储的定位信息定位时，以定位信息中的发射功率寻找已定位节点，能够找到3个或3个以上的已定位节点。
8.根据权利要求1所述的一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于：步骤S4中，定位辅助节点的选择是由剩余能量比率、辅助定位信息可信度以及信息传输概率构成的选择置信度大小决定的，所述的辅助定位信息可信度是指已定位的邻居节点所能提供的辅助定位信息的精确度；所述的信息传输概率由水声信号的误码率以及数据包大小决定：
Figure FDA0003682952590000031
其中，AIj为已定位节点j的辅助信息可信度，Omax为已定位邻居节点j所在路径的最大定位序号，Oj为已定位邻居节点j的定位序号。
9.根据权利要求1所述的一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于：步骤S5中，水下节点同选定的邻居节点通信具有特定的定位请求信息格式以及反馈信息格式要求，定位请求信息包括信息的类型、请求者ID以及接收者ID，而接收者需要反馈的信息包括信息的类型、发送者ID、接收者ID、发送者位置坐标以及发送者接到定位请求到发出反馈信息的这段时间间隔，同时这些信息数据包都有固定的大小；节点发送信息时，硬件设备需过渡时间，存在一定传输延迟，因此两节点间的传播时长是根据节点接发信息时间差以及传输延迟计算得到的；同时，根据传播时长构建权值矩阵，将其应用至节点定位计算中，进一步保证节点定位精度；所述两节点间的传播时长为：
Figure FDA0003682952590000032
其中，Tτ两节点间的传播时长；t4-t1为未知节点的接发时间差；(t3-t2)为已定位的邻居节点的信息接发时间差；tr(1),tr(2)分别为未知节点与邻居节点的传输延迟。
10.根据权利要求1所述的一种面向海洋的水下节点迭代定位方法，其特征在于：步骤S6中，水下节点对自身存储的定位信息进行分析，当前一定位节点ID项为空时，自行开始定位工作，定位完成后通过查验后一定位节点ID项通知后一定位节点开始定位，而当自身定位完成后查验后一定位节点ID项为空时，则代表此条路径的节点定位完成，并向水面中心传递此路径定位完成信号，水面中心收到所有路径的定位完成信号，则表示整个水下网络的节点定位完成；水下节点定位完成，通知定位信息中的后一定位节点开始定位后，会进入休眠状态，而其他未顺序执行到的水下节点也都处于休眠状态，不主动发送任何信息，除非有自身存储的定位信息中的前一定位节点的定位唤醒或是其他的正在定位的节点的定位请求，才会处于活动状态。
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