一種基于伽馬分布模型的水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互測距方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于伽馬分布模型的水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互測距方法，對于由N個子節(jié)點(diǎn)和1個主控節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的水聲通信網(wǎng)絡(luò)通過一定的時間分配策略，完成多次應(yīng)答機(jī)制的TDOA測距過程，最后基于伽馬模型進(jìn)行距離信息的修正。本發(fā)明對測距信息進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償，為進(jìn)一步提高定位精度提供了可靠保證。本發(fā)明充分利用聲音在水中傳播速度較慢的特性，采用對測距請求信號的多次應(yīng)答機(jī)制，提高了測距工作的精度和效率。
【專利說明】-種基于伽馬分布模型的水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互測距方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水聲通信領(lǐng)域，涉及水聲學(xué)、統(tǒng)計信號檢測及參數(shù)估計理論、概率論、 水聲通信等相關(guān)學(xué)科。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界各國海洋開發(fā)步伐的加快，海洋水聲通信的研究成了世界范圍內(nèi)的研究 熱點(diǎn)。水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的測距是其最基本也是最重要的功能之一，是實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的探測、 跟蹤任務(wù)的基礎(chǔ)。
[0003] 現(xiàn)在常用于工程中的水聲測距方法是基于請求測距端和應(yīng)答測距端的TDOACTime Difference of Arrival)方法，通過計算發(fā)射端和接收端的傳播時延，并根據(jù)水聲傳播速 度，得出距離信息，基本過程如下：
[0004] 請求測距端發(fā)送一個請求測距信號，并記錄發(fā)送時刻時間；當(dāng)該信號被應(yīng)答測距 端接收到后，延遲一個預(yù)定好的時間后返回一個應(yīng)答測距信號；當(dāng)應(yīng)答測距信號被請求測 距端檢測后，記錄當(dāng)前時刻時間，與發(fā)送請求測距信號時間相減，計算出往返傳播時延，根 據(jù)聲在水下的傳播速度，進(jìn)而計算出距離信息。
[0005] 上述方法有以下特征：
[0006] (1)測量的距離信息通常被認(rèn)為是服從高斯分布的樣本，如專利CN 103163386A 的內(nèi)容中所使用到的測距數(shù)學(xué)模型。但是在實(shí)際過程中，存在對于測距信號脈沖前沿檢測 誤差問題，造成距離信息的偏大，并不完全符合高斯分布特性，從而了影響網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位 精度。
[0007] (2)并未對測距信息進(jìn)行有效的修正?，F(xiàn)有方法為了提高測距精度，通常使用多次 測量求平均值的方法。但是在距離信息普遍偏大的情況下，這種方法并非是一種有效的修 正方法。
[0008] (3)使用單次的應(yīng)答機(jī)制。為了獲取多組距離信息，通常需要進(jìn)行多次的發(fā)送測距 請求信號-發(fā)送應(yīng)答測距信號的過程。由于聲音在水中傳播速度較慢（1500m/s)，每次測距 任務(wù)的時間周期相對較長，采用如此的單次應(yīng)答機(jī)制則無法充分利用有限的時間完成多次 的測距過程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于伽馬分布的水聲應(yīng)答式測距方 法，能夠有效的進(jìn)行水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相互測距工作，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的測距精度。
[0010] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0011] 對于由N個子節(jié)點(diǎn)（編號為1、2、…N)和1個主控節(jié)點(diǎn)（編號為0)構(gòu)成的水聲 通信網(wǎng)絡(luò)，該方法通過一定的時間分配策略，完成多次應(yīng)答機(jī)制的TDOA測距過程，最后基 于伽馬模型進(jìn)行距離信息的修正。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0012] 步驟一：全部節(jié)點(diǎn)距離信息的獲取
[0013] 1、在編號為1、2、…N的N個子節(jié)點(diǎn)和編號為0的1個主控節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的水聲通信 網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)〇、1、2、…N依次作為測距請求節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)作為測距應(yīng)答節(jié)點(diǎn)；
[0014] 2、測距請求節(jié)點(diǎn)號k向全網(wǎng)發(fā)出測距請求信號，并記錄信號開始發(fā)射時間點(diǎn)tk(l， 之后轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，對收到的信號進(jìn)行FFT運(yùn)算；所述的測距請求信號是頻率為的單頻 信號；
[0015] 3、測距應(yīng)答節(jié)點(diǎn)在接收端持續(xù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，一旦發(fā)現(xiàn)測距請求信號頻段內(nèi)的 頻譜分量大于全頻段的頻譜平均值的10倍時，等待一個tX (May時間后，連續(xù)發(fā)送3次頻率 為f2的測距應(yīng)答信號；其中tx delay = (x-l)*tblank，X為測距應(yīng)答節(jié)點(diǎn)號，tblank為設(shè)定的保 護(hù)間隔；
[0016] 4、測距請求節(jié)點(diǎn)持續(xù)對收到的信號進(jìn)行FFT運(yùn)算，一旦發(fā)現(xiàn)測距應(yīng)答信號f2頻 段內(nèi)的頻譜分量大于全頻段的頻譜平均值的10倍，根據(jù)所接到頻率為f2信號的順序（共 3* (N-I)次，每個應(yīng)答節(jié)點(diǎn)會回復(fù)3個應(yīng)答信號）判斷信號是否屬于X節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的應(yīng)答信 息，記錄接到頻率為f2信號的時刻為tkxl、tkx2和tkx3 ;
[0017] 5、各節(jié)點(diǎn)判斷N節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)作為過測距請求節(jié)點(diǎn)進(jìn)行過上述過程，若是則進(jìn)行 第二步；若不是則回到步驟1選擇下一個節(jié)點(diǎn)號作為測距請求節(jié)點(diǎn)；
[0018] 步驟二：全部測距信息的修正
[0019] 1、全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)計算當(dāng)自身作為測距請求節(jié)點(diǎn)時測距請求信號和應(yīng)答信號在水 中的傳播時延，即tkxl' =tkxl-tkQ- tx_delay ? ^kx2 - tkx2_tk〇_t x_delay ^interval J ^kx3 - tkx3_tk〇_tx- delay-2tinterval，tkxl'、tkx2'、t kx3'表示節(jié)點(diǎn)號k作為測距請求節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)x作為應(yīng)答節(jié)點(diǎn)時，測 距請求信號和應(yīng)答第一、第二、第三次信號在水下環(huán)境中傳播的時間；
[0020] 2、通過水下聲速c = 1500m/s將節(jié)點(diǎn)k存儲的N-I組tkxl'、tkx2'、tkx3'時間數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)，即 dkxl = c*tkxl'，dkx2 = c*tkx2'，dkx3 = c*tkx3'，dkxl，dkx2, dkx3 表示表示節(jié) 點(diǎn)號k作為測距請求節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號為x應(yīng)答節(jié)點(diǎn)時，測距請求信號和應(yīng)答第一、第二、第三次 信號在水下環(huán)境中傳播的雙程距離之和；

【權(quán)利要求】
1. 一種基于伽馬分布模型的水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互測距方法，其特征在于包括下述步驟： 步驟一：全部節(jié)點(diǎn)距離信息的獲取 1) 在編號為1、2、"·Ν的N個子節(jié)點(diǎn)和編號為O的1個主控節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的水聲通信網(wǎng)絡(luò) 中，節(jié)點(diǎn)0、1、2、…N依次作為測距請求節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)作為測距應(yīng)答節(jié)點(diǎn)； 2) 測距請求節(jié)點(diǎn)號k向全網(wǎng)發(fā)出測距請求信號，并記錄信號開始發(fā)射時間點(diǎn)tk(l，之后 轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，對收到的信號進(jìn)行FFT運(yùn)算；所述的測距請求信號是頻率為的單頻信號； 3) 測距應(yīng)答節(jié)點(diǎn)在接收端持續(xù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，一旦發(fā)現(xiàn)測距請求信號頻段內(nèi)的頻譜 分量大于全頻段的頻譜平均值的10倍時，等待一個t X (May時間后，連續(xù)發(fā)送3次頻率為f2 的測距應(yīng)答信號；其中tx_delay = (x-l)*tblank，X為測距應(yīng)答節(jié)點(diǎn)號，tblank為設(shè)定的保護(hù)間 隔； 4) 測距請求節(jié)點(diǎn)持續(xù)對收到的信號進(jìn)行FFT運(yùn)算，一旦發(fā)現(xiàn)測距應(yīng)答信號f2頻段內(nèi)的 頻譜分量大于全頻段的頻譜平均值的10倍，根據(jù)所接到頻率為f 2信號的順序判斷信號是 否屬于X節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的應(yīng)答信息，記錄接到頻率為f2信號的時刻為t kxl、tkx2和tkx3 ; 5) 各節(jié)點(diǎn)判斷N節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)作為過測距請求節(jié)點(diǎn)進(jìn)行過上述過程，若是則進(jìn)行第二 步；若不是則回到步驟1)選擇下一個節(jié)點(diǎn)號作為測距請求節(jié)點(diǎn)； 步驟二：全部測距信息的修正 1) 全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)計算當(dāng)自身作為測距請求節(jié)點(diǎn)時測距請求信號和應(yīng)答信號在水中 的傳播時延，即tkxl' = tkxl-tk(l- tx-delay，tkx2 - ^kx2 ^kO ^x_delay ^ interval? ^kx3 - ^kx3 ^kO ^x_ delay-2tinterval，tkxl'、tkx2'、t kx3'表示節(jié)點(diǎn)號k作為測距請求節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)X作為應(yīng)答節(jié)點(diǎn)時，測 距請求信號和應(yīng)答第一、第二、第三次信號在水下環(huán)境中傳播的時間； 2) 通過水下聲速c = 1500m/s將節(jié)點(diǎn)k存儲的N-I組tkxl'、tkx2'、tkx3'時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 為距離數(shù)據(jù)，即 dkxl = c*tkxl'，dkx2 = c*tkx2'，dkx3 = c*tkx3'，dkxl，dkx2, dkx3 表示表示節(jié)點(diǎn)號 k作為測距請求節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號為x應(yīng)答節(jié)點(diǎn)時，測距請求信號和應(yīng)答第一、第二、第三次信號 在水下環(huán)境中傳播的雙程距離之和； 3) 按照公式
確定dkx，即節(jié)點(diǎn)k作為測距請求節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)X作為 應(yīng)答節(jié)點(diǎn)時，根據(jù)伽馬模型修正后的單程通信距離；其中dkx表示雙程應(yīng)答測距Dkx統(tǒng)計量 的采樣樣本值，dkx表示對Dkx/2即單程距離估計，即最終獲得的修正后的距離信息；β表示 對β的估計，β為伽馬概率分布參數(shù)；η表示對D kx的觀測采樣次數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于伽馬分布模型的水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互測距方法，其特征在 于：所述的η為3。
【文檔編號】G01S5/18GK104391275SQ201410674363
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】王海燕, 房偉, 申曉紅, 高婧潔, 何軻, 趙瑞琴, 姜喆, 白衛(wèi)崗, 閆永勝, 花飛 申請人:西北工業(yè)大學(xué)