專利名稱：基于節(jié)點簇的分布式傳感器自定位系統(tǒng)及定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大水域環(huán)境下分布式傳感器的自定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著陸地資源開發(fā)日益增長造成陸地資源日益匱乏、生態(tài)環(huán)境惡化，人類逐漸將戰(zhàn)略目光投向占有地球總面積達70%的海洋。目前，各個國家對于海洋資源的開發(fā)處于上升期，每個國家對海洋領(lǐng)域的利用、爭奪與保衛(wèi)都十分重視。根據(jù)需求，我國在海域中進行武器效能試驗的次數(shù)日益增加，海下探測與參數(shù)測試問題顯得十分突出。另外，海洋中具有各種豐富的能源，海底石油、甲烷以及其它大量的海洋資源等待人類利用和開采；海下考古、尋找海下文物、發(fā)掘古代文明；海下靶場的建立、武器效能的測試等都需要建立傳感器陣列，以實現(xiàn)對海洋中溫度、壓力等參數(shù)進行探測后進行進一步分析。因此，在海洋中通過傳感器陣列建立水下探測與參數(shù)測試系統(tǒng)，實時監(jiān)測海洋情況勢在必行。大水域環(huán)境下進行的各種探測與參數(shù)測試，需要通過建立傳感器陣列獲取水下的各類信息。大水域環(huán)境下的傳感器，測量范圍廣，在水流作用下，傳感器節(jié)點坐標更新具有隨機性，在水下探測過程中，傳感器探測到水下目標時，如果沒有定位技術(shù)支持，傳感器自身定位則無法實現(xiàn)，那樣，水下探測就如同盲人摸象，探測到水下目標后，無法對目標進行進一步分析或者采樣。例如，水下振動在較短時間內(nèi)會在水中產(chǎn)生瞬間沖擊波，隨后由于沖擊對水域造成某些影響，水域中還會在一段時間內(nèi)產(chǎn)生幾次脈沖，在水下振動效能場的測試中，傳感器陣列與水下振動發(fā)生點間的相對位置與振動參數(shù)存在重要的聯(lián)系，如果無法獲取傳感器陣列的精確定位，那么水下振動的測試位置將無法確定，測試數(shù)據(jù)也就失去意義。因此，只有獲取了傳感器陣列的自身位置，才能精確測得探測區(qū)域位置，傳感器陣列的精確自定位，對于水下探測與參數(shù)測試有重要意義，水下傳感器節(jié)點陣列的導航定位，是水下探測與參數(shù)測試研究的可靠保證與前提。通過此技術(shù)，可以反應出海洋中的各類信息，在海洋石油探測，海洋防護監(jiān)測與海洋地震預測，水下武器效能分布，水下靶場試驗實時分析等調(diào)查研究中，分布式傳感器導航定位技術(shù)扮演了重要角色。大水域環(huán)境下現(xiàn)有的傳感器定位方法有以下三種:1.采用全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星定位導航技術(shù)對水下目標定位使用電纜將水下目標與船舶連接固定，通過船舶位置的定位與電纜長度對水下目標進行定位。這種方法由于電纜放出長度誤差、GPS誤差、水深誤差以及船舶運動方向與水流方向間誤差會造成導航總誤差非常大。由于與陸地定位不同，水中目標在水中是動態(tài)的、實時移動的，當船舶沒有發(fā)生移動時，水下目標可能已經(jīng)隨著水流方向發(fā)生偏移。水下導航定位精度對GPS的要求較高，如果GPS定位刷新速率慢，水下目標隨水流已發(fā)生偏移，GPS在目標偏移時未同步刷新，瞬時定位精度將有很大誤差，定位實效性較低。2.固定傳感器節(jié)點采取到達時間(TOA)定位方法對水下目標定位將傳感器節(jié)點固定布置于海底，通過無線方式與基站、地面控制中心通信，采取TOA定位技術(shù)，建立固定的節(jié)點位置坐標系，得到各節(jié)點間的相對位置坐標。這種方法將傳感器固定于海底，避免了傳感器節(jié)點受水流影響，但是傳感器節(jié)點續(xù)航供電難度增加，低功耗要求下，傳感器節(jié)點射頻功率受限，測試區(qū)域面積受限，傳感器節(jié)點的固定布局降低了定位系統(tǒng)的靈活性。3.自組織傳感器節(jié)點采取TOA定位方法對水下目標定位將傳感器節(jié)點通過電纜與浮漂相連接，采用多發(fā)多收機制，節(jié)點與基站間通過水聲器的相互通信，獲取兩點間水聲波傳輸時間，推算出節(jié)點與基站的距離，以某一點為坐標原點建立二維或者三維坐標系，從而得出傳感器陣列的相對位置坐標。這種方法利用了水聲器、水聽器與TOA定位技術(shù)，節(jié)點與基站間的通信限制于水聲器本身功率，測量范圍大小也受到限制，節(jié)點與基站通信無法克服遠近效應，增加了不必要功耗，整個系統(tǒng)效率較為低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對大水域環(huán)境下現(xiàn)有傳感器定位方法所存在的上述問題和不足，提供一種可擴充性強、穩(wěn)定性好、功耗低、可精確定位的基于節(jié)點簇的分布式傳感器自定位系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種大水域環(huán)境下基于節(jié)點簇的分布式傳感器自定位系統(tǒng)及定位方法，其特征在于系統(tǒng)包括被定位傳感器節(jié)點、基站、中繼浮標以及地面控制中心，其中:所述的被定位傳感器節(jié)點包含傳感器節(jié)點電源、A微控制器、A水聲器、A水聽器、被定位傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊以及傳感器節(jié)點浮標；所述的傳感器節(jié)點電源、A微控制器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊搭載在傳感器節(jié)點浮標上；信號調(diào)理模塊、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊通過控制信號線與A微控制器連接；被定位傳感器和A水聽器通過電纜與信號調(diào)理模塊連接；A水聲器通過電纜與A微控制器連接，被定位傳感器節(jié)點隨機分布在水下；所述的基站包含基站電源、B微控制器、B水聲器、B水聽器、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊以及基站浮標；基站電源、B微控制器、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、指令譯碼與控制模塊搭載在基站浮標上；時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊以及指令譯碼與控制模塊通過控制信號線與B微控制器連接；B水聽器通過電纜與信號調(diào)理模塊連接；B水聲器通過電纜與B微控制器連接，基站在水下是隨機分布的；所述的中繼浮標包括浮標和與其搭載的無線收發(fā)模塊，中繼浮標布設在水域岸邊，通過其無線收發(fā)模塊實現(xiàn)基站與地面控制中心的數(shù)據(jù)交換；所述的地面控制中心包含無線收發(fā)模塊、時間統(tǒng)一模塊、調(diào)制與指令編碼系統(tǒng)、解調(diào)/解碼系統(tǒng)、指令集系統(tǒng)以及信號分析處理系統(tǒng)；時間統(tǒng)一模塊包括無線定位系統(tǒng)授時主站，通過發(fā)送無線定位系統(tǒng)授時信號實現(xiàn)基站的同步授時或時間校準。采用基于節(jié)點簇的分布式傳感器自定位系統(tǒng)的定位方法:I)確定簇首
A水聽器接收其它基站A水聲器產(chǎn)生的定位信標信號，通過無線模塊發(fā)送到地面控制中心，地面控制中心接收這些定位信標信號，并采用到達時間定位技術(shù)基于信號到達時差計算基站間的相對距離，相鄰最近的四個基站組成一個簇首；2)建立簇基站向被定位傳感器節(jié)點發(fā)送水聲信號，B水聽器接收水聲信號后采用無線收發(fā)模塊將信號發(fā)送到地面控制中心，采用到達時間定位技術(shù)基于信號到達時差計算基站與被定位傳感器節(jié)點間的相對距離，相對距離在100米之內(nèi)的被定位傳感器節(jié)點屬于一個簇群；地面控制中心通過無線收發(fā)模塊在同一時刻通知被定位傳感器節(jié)點屬于哪一個簇群；3)建立水下傳感陣列坐標首先確定簇內(nèi)坐標系的坐標原點與軸向:簇群形成后，簇內(nèi)各被傳感器節(jié)點通過B水聲器產(chǎn)生水聲信號，B水聽器接收其它簇內(nèi)成員產(chǎn)生的水聲信號并存儲為相鄰節(jié)點信息，比較每個被定位傳感器節(jié)點所存儲的相鄰被定位傳感器節(jié)點信息，將存儲信息量最大的被定位傳感器節(jié)點設為坐標原點，對于同時存在的存儲信息量相同的多個被定位傳感器節(jié)點，選擇與簇首距離最小的被定位傳感器節(jié)點作為簇內(nèi)坐標原點；向右和向上分別作為坐標x，y的軸向；坐標原點確定后，選擇相鄰簇數(shù)最多的子簇作為整體相對坐標參照系，依次對其他各簇進行坐標變換，得到節(jié)點與基站的全局相對坐標；4)確定被定位傳感器節(jié)點的局部坐標根據(jù)測量到被定位傳感器節(jié)點間的距離，求出所有被定位傳感器節(jié)點坐標的初值，然后計算出各被定位傳感器節(jié)點間相對距離，用最小梯度迭代法，最終獲取各被定位傳感器節(jié)點的坐標值。

本發(fā)明具有以下有益效果:1)可擴充性強:定位范圍不再受硬件與功耗限制，擴大定位范圍只需增加簇的個數(shù)與網(wǎng)絡級數(shù)增加網(wǎng)絡規(guī)模。2)具有良好的穩(wěn)定性:由于采用自組織、自適應的組網(wǎng)方式，單個簇的形成與消亡對整個系統(tǒng)運行的影響不大。大水域環(huán)境中，傳感節(jié)點會在水中產(chǎn)生運動，基于節(jié)點簇的形成方式，決定了簇的可更新、動態(tài)流動性，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定；水中信道的數(shù)據(jù)傳輸過程中對于傳輸信號采用的CDMA的擴頻調(diào)制技術(shù)與碼多分址接入技術(shù)，通過偽隨機碼對信號進行處理的方法區(qū)分在同一信道中的不同信號，杜絕了信道阻塞，降低了噪聲影響。3)具有低功耗效能:與傳統(tǒng)技術(shù)相比，節(jié)點間無論多遠距離都必須進行信息交換的情況不再出現(xiàn)。簇內(nèi)各節(jié)點都已保證是距離較近的，發(fā)射功率可以很低，在廣闊的測試水域中，簇間的數(shù)據(jù)交換，僅需要簇首間的數(shù)據(jù)交換，降低了系統(tǒng)功耗。4)具有精確定位能力:系統(tǒng)采用時間統(tǒng)一模塊，保證每一個簇群內(nèi)的成員在同一時刻啟動或者停止工作，在簇內(nèi)局部坐標系的確立中，采用最小梯度迭代算法，經(jīng)過多次迭代，降低了節(jié)點間距離的誤差，使得定位更為精確，在滿足測試精度的情況下，通過計算，引入了刷新速率滿足要求的GPS，導航定位既獲取了節(jié)點的相對坐標，又得到了其絕對坐標，使得對水下目標的定位能達到厘米甚至毫米級。5)定位刷新率高 與GPS定位技術(shù)一般采用的秒脈沖觸發(fā)定位相比,該技術(shù)能達到毫秒級刷新率。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)整體設計示意圖；圖2為本發(fā)明被定位傳感器節(jié)點組成示意圖；圖3為本發(fā)明地面控制中心組成示意圖；圖4為本發(fā)明定位系統(tǒng)工作原理示意圖；圖5為本發(fā)明定位工作流程示意圖；圖6為本發(fā)明被定位傳感器節(jié)點的定位坐標系建立示意圖。圖中，地面控制中心1，中繼浮標2，被定位傳感器節(jié)點3，基站4。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖介紹本發(fā)明詳細技術(shù)方案:如圖1所示，本發(fā)明的整套定位系統(tǒng)包括地面控制中心1、中繼浮標2、被定位傳感器節(jié)點3以及基站4。如圖1所示，被定位傳感器節(jié)點3和基站4中，水聲器產(chǎn)生水聲信號；水聽器接收水聲信號；信號調(diào)理模塊對水聽器和被定位傳感器感應產(chǎn)生的模擬信號在采樣前進行信號濾波等調(diào)理；數(shù)據(jù)采集模塊將信號調(diào)理模塊輸出的模擬信號采樣編碼，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號存儲；時間統(tǒng)一模塊接收GPS授時主站的授時命令、定時命令或者校準命令，實現(xiàn)被定位傳感器各節(jié)點時間同步或者時間校準；無線收發(fā)模塊接收指令和無線廣播信號并發(fā)送各節(jié)點水聽器接收到的水聲信號。地面控制中心中，無線收發(fā)模塊接收各被定位傳感器節(jié)點和基站發(fā)送的水聲信號；調(diào)制與指令編碼系統(tǒng)實現(xiàn)指令信號的調(diào)制與編碼；解調(diào)/解碼系統(tǒng)對接收到的所有信號進行解調(diào)與解碼；指令集系統(tǒng)匯聚系統(tǒng)工作所有的指令；信號分析處理系統(tǒng)對接收到的水聲信號解調(diào)后進行分析處理；時間統(tǒng)一模塊為測試節(jié)點與基站提供相對“零”時刻，保證所有節(jié)點基站定位測試精確性；定位信標信號的編碼中采用CDMA擴頻技術(shù)，減少碼間串擾與信道阻塞，保證定位信號傳輸?shù)木_。中繼浮標是被定位傳感器節(jié)點與基站和地面控制中心、時間統(tǒng)一模塊的樞紐，地面控制中心發(fā)送的時統(tǒng)信號、定位標識信號發(fā)送到基站與節(jié)點都需要通過中繼浮標，各節(jié)點基站的測量數(shù)據(jù)也將通過中繼浮標上傳到控制中心，完成定位。如圖2所示，被定位傳感器節(jié)點主要由傳感器節(jié)點電源、MCU-A、水聲器A、水聽器A、被定位傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊以及傳感器節(jié)點浮標組成，每一個傳感器節(jié)點或者基站都帶有水面浮標，浮標上搭載除傳感器之外所有模塊，水下傳感器與浮標通過電纜進行通信；所述中繼浮標由浮標與其搭載的無線收發(fā)模塊組成；所述地面控制中心包括無線收發(fā)模塊、調(diào)制與指令編碼系統(tǒng)、解調(diào)/解碼系統(tǒng)、指令集系統(tǒng)、信號分析處理系統(tǒng)、系統(tǒng)校準系統(tǒng)。所述時間統(tǒng)一模塊包括GPS授時主站、節(jié)點、基站嵌入式同步觸發(fā)電路。基站與被定位傳感器節(jié)點組成相同，由基站電源、MCU-B、水聲器B、水聽器B、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊以及基站浮標組成，基站電源、MCU-B、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、指令譯碼與控制模塊搭載在基站浮標上。
如圖3所示，地面控制中心主要由無線收發(fā)模塊、微控制器MCU、調(diào)制與指令編碼、解調(diào)/編碼、數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)、指令集系統(tǒng)、信號分析處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。定位系統(tǒng)具體的工作原理如圖4所示，定位工作流程流程如圖5所示:I)系統(tǒng)開始定位工作之前，通過地面控制中心向中繼浮標發(fā)射無線電時統(tǒng)命令，中級浮標再將指令轉(zhuǎn)發(fā)給各基站，保證每個基站在統(tǒng)一時間基準下工作。2)各基站將指令進行解碼后，觸發(fā)基站的水聲器，水聲器開始發(fā)出聲定位信標信號，定位信標信號寬度選擇一般在幾毫秒到幾百毫秒之內(nèi)，主控中心通過中繼浮標發(fā)出采集定位信標信號命令，基站上的水聽器被觸發(fā)，并開始接收定位信標信號并且將水聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集模塊將電信號存入存儲單元中。基站將數(shù)據(jù)通過中繼浮標上傳到控制中心，以時統(tǒng)信號為基準，計算出定位信標信號到各基站的時間差，根據(jù)TOA原理，推算出基站間距離，將距離最相近的四個基站組成一個簇首，用相同方法，得到節(jié)點與基站間的距離，則與簇首較近的節(jié)點與簇首形成一個簇群。3)簇群形成之后，確定簇內(nèi)局部的相對坐標系，根據(jù)節(jié)點間的距離信息計算簇內(nèi)節(jié)點的相對位置坐標。根據(jù)每個簇內(nèi)節(jié)點向控制中心上傳的與簇內(nèi)鄰節(jié)點進行通信后存儲的定位信標信號，將存儲信息量最大的節(jié)點選擇為該簇內(nèi)的局部坐標原點，如果同時存在多個節(jié)點存儲信息量相同的情況，則選擇節(jié)點ID最小節(jié)點為簇內(nèi)坐標原點。4)建立水下傳感陣列坐標設被定位傳感器節(jié)點i的坐標為(Xi, Yi), (i=0, I, 2,..., η_1, η),其中，η為簇內(nèi)被定位傳感器節(jié)點個數(shù)，根據(jù)節(jié)點間測得的距離D (ηXη)計算出被定位傳感器節(jié)點初值坐標P。(ηΧ2)，表示為:
權(quán)利要求
1.一種大水域環(huán)境下基于節(jié)點簇的分布式傳感器自定位系統(tǒng)，其特征在于:包括被定位傳感器節(jié)點、基站、中繼浮標以及地面控制中心，其中: 所述的被定位傳感器節(jié)點包含傳感器節(jié)點電源、A微控制器、A水聲器、A水聽器、被定位傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊以及傳感器節(jié)點浮標； 所述的傳感器節(jié)點電源、A微控制器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊搭載在傳感器節(jié)點浮標上；信號調(diào)理模塊、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊通過控制信號線與A微控制器連接；被定位傳感器和A水聽器通過電纜與信號調(diào)理模塊連接；A水聲器通過電纜與A微控制器連接，被定位傳感器節(jié)點隨機分布在水下； 所述的基站包含基站電源、B微控制器、B水聲器、B水聽器、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、指令譯碼與控制模塊以及基站浮標；基站電源、B微控制器、時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、指令譯碼與控制模塊搭載在基站浮標上；時間統(tǒng)一模塊、無線收發(fā)模塊以及指令譯碼與控制模塊通過控制信號線與B微控制器連接；B水聽器通過電纜與信號調(diào)理模塊連接水聲器通過電纜與B微控制器連接，基站在水下是隨機分布的； 所述的中繼浮標包括浮標和與其搭載的無線收發(fā)模塊，中繼浮標布設在水域岸邊，通過其無線收發(fā)模塊實現(xiàn)基站與地面控制中心的數(shù)據(jù)交換； 所述的地面控制中心包含無線收發(fā)模塊、時間統(tǒng)一模塊、調(diào)制與指令編碼系統(tǒng)、解調(diào)/解碼系統(tǒng)、指令集系統(tǒng)以及信號分析處理系統(tǒng)；時間統(tǒng)一模塊包括無線定位系統(tǒng)授時主站，通過發(fā)送無線定位系統(tǒng)授時信號實現(xiàn)基站的同步授時或時間校準。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點簇的分布式傳感器自定位系統(tǒng)的定位方法: 1)確定簇首 A水聽器接收其它基站A水聲器產(chǎn)生的定位信標信號，通過無線模塊發(fā)送到地面控制中心，地面控制中心接收這些定位信標信號，并采用到達時間定位技術(shù)基于信號到達時差計算基站間的相對距離，相鄰最近的四個基站組成一個簇首； 2)建立簇 基站向被定位傳感器節(jié)點發(fā)送水聲信號，B水聽器接收水聲信號后采用無線收發(fā)模塊將信號發(fā)送到地面控制中心，采用到達時間定位技術(shù)基于信號到達時差計算基站與被定位傳感器節(jié)點間的相對距離，相對距離在100米之內(nèi)的被定位傳感器節(jié)點屬于一個簇群；地面控制中心通過無線收發(fā)模塊在同一時刻通知被定位傳感器節(jié)點屬于哪一個簇群； 3)建立水下傳感陣列坐標 首先確定簇內(nèi)坐標系的坐標原點與軸向:簇群形成后，簇內(nèi)各被傳感器節(jié)點通過B水聲器產(chǎn)生水聲信號，B水聽器接收其它簇內(nèi)成員產(chǎn)生的水聲信號并存儲為相鄰節(jié)點信息，比較每個被定位傳感器節(jié)點所存儲的相鄰被定位傳感器節(jié)點信息，將存儲信息量最大的被定位傳感器節(jié)點設為坐標原點，對于同時存在的存儲信息量相同的多個被定位傳感器節(jié)點，選擇與簇首距離最小的 被定位傳感器節(jié)點作為簇內(nèi)坐標原點；向右和向上分別作為坐標X，y的軸向；坐標原點確定后，選擇相鄰簇數(shù)最多的子簇作為整體相對坐標參照系，依次對其他各簇進行坐標變換，得到節(jié)點與基站的全局相對坐標；4)確定被定位傳感器節(jié)點的局部坐標 根據(jù)測量到被定位傳感器節(jié)點間的距離，求出所有被定位傳感器節(jié)點坐標的初值，然后計算出各被定位傳感器節(jié)點間相對距離，用最小梯度迭代法，最終獲取各被定位傳感器節(jié)點的坐標值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大水域環(huán)境下基于節(jié)點簇的分布式傳感器自定位系統(tǒng)及定位方法，該定位系統(tǒng)由被定位傳感器節(jié)點、基站、中繼浮標以及地面控制中心組成。定位方法首先基于TOA技術(shù)確定簇首并建立簇，而后建立水下傳感陣列坐標，結(jié)合最小梯度迭代法最終確定被定位傳感器節(jié)點的局部坐標。本發(fā)明公開的定位系統(tǒng)具有可擴充性強、穩(wěn)定性良好、功耗低、定位精確以及定位刷新率高等優(yōu)點。
文檔編號G01S5/18GK103152818SQ201310032099
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者王黎明, 王鑒, 王飛, 韓焱, 張丕壯, 姚金杰 申請人:中北大學