一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，屬于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位【技術(shù)領(lǐng)域】，包括以下步驟：步驟一、錨節(jié)點在線評估自身聲明位置坐標(biāo)的準(zhǔn)確度；步驟二、待定位節(jié)點構(gòu)建動態(tài)可更新定位群；步驟三、定位群進行偏差自適應(yīng)校正的多跳距離估計；步驟四、求解待定位節(jié)點位置可容空間；步驟五、待定位節(jié)點坐標(biāo)估計及精度評估。本發(fā)明通過對錨節(jié)點聲明位置坐標(biāo)的準(zhǔn)確度在線評估及標(biāo)定，降低了錨節(jié)點位置誤差對定位性能的不利影響，通過偏差自適應(yīng)校正的多跳距離估計，提高了多跳距離估計的準(zhǔn)確性，增強了傳感網(wǎng)節(jié)點對復(fù)雜定位環(huán)境的在線認(rèn)知及動態(tài)自適應(yīng)能力，提高了水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位性能。
【專利說明】 一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是面向復(fù)雜海洋環(huán)境應(yīng)用的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自定位，具體為一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002]水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Wireless Sensor Networks)是海洋信息感知及應(yīng)用領(lǐng)域的一場革命，大規(guī)模隨機部署于復(fù)雜海洋環(huán)境中執(zhí)行信息感知、采集、處理和傳輸?shù)热蝿?wù)是其典型的應(yīng)用，例如海戰(zhàn)場態(tài)勢感知、海洋環(huán)境監(jiān)測、水下目標(biāo)定位跟蹤等。節(jié)點自定位是水下傳感網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，也是此類應(yīng)用的前提，因為被感知的信息通常需要有節(jié)點的位置信息相伴隨。在自定位過程中，待定位節(jié)點需要依靠相應(yīng)的參考信息，如參考節(jié)點的坐標(biāo)、待定位節(jié)點到參考節(jié)點的距離等。理想情況下，通常假定錨節(jié)點位置和節(jié)點間的量測距離等參考信息準(zhǔn)確。但在實際應(yīng)用中，定位過程所需的參考信息會不可避免地受到復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，多源未確知噪聲的出現(xiàn)將會嚴(yán)重降低定位系統(tǒng)的性能，具體來講有:受自身性能限制和環(huán)境干擾出現(xiàn)的錨節(jié)點位置偏差，受節(jié)點測距能力限制和多徑效應(yīng)等造成的測距誤差，受參考鏈路的網(wǎng)絡(luò)狀況影響出現(xiàn)的多跳累積誤差等。
[0003]現(xiàn)有定位算法大多依據(jù)中心極限定理假定錨節(jié)點位置誤差與測距誤差服從正態(tài)分布，或者直接假定服從理想的零均值高斯分布，進而采用最小二乘法思想進行誤差處理，以期減小對定位精度的影響。但在復(fù)雜海洋環(huán)境定位中這類方法的實際效果往往不甚理想。原因有三:第一、對于水下傳感網(wǎng)的部署環(huán)境，我們很難事先獲取所有噪聲準(zhǔn)確的分布規(guī)律及特征參數(shù)，在先驗信息不足的情況下直接假定誤差服從正態(tài)分布甚至標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布是不合理的；第二、部分學(xué)者考慮到先驗信息不足的問題，采用蒙特卡洛法進行噪聲特征參數(shù)的統(tǒng)計推斷，但這類基于傳統(tǒng)統(tǒng)計方法在線提取噪聲特征的定位算法需要依賴大量有效的測量樣本，而對于資源嚴(yán)重受限的水下傳感網(wǎng)節(jié)點來說，通過重復(fù)測量來獲取大量樣本的方式其代價是無法承受的；第三、上述兩種方法都是基于多源噪聲服從高斯分布這樣一個假設(shè)，但實際上伴隨復(fù)雜環(huán)境定位過程的多種噪聲并不嚴(yán)格服從高斯分布，如多跳距離估計誤差、多徑效應(yīng)導(dǎo)致的測距誤差、受環(huán)境干擾出現(xiàn)的錨節(jié)點位置誤差等，顯然，將所有誤差都假定為高斯噪聲來處理是不合理的。
[0004]因此，有必要針對定位過程中存在的先驗信息不充分、多源噪聲分布規(guī)律未確知、有效測距樣本數(shù)不足等問題，探索一種能夠在小樣本條件下克服參考信息不準(zhǔn)確造成的不利影響且對復(fù)雜定位環(huán)境具有較強在線認(rèn)知及動態(tài)自適應(yīng)能力的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自定位新方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，解決多源未確知噪聲影響下同時存在錨節(jié)點位置誤差與多跳距離估計偏差的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自定位問題；在小樣本條件下，通過對錨節(jié)點聲明位置坐標(biāo)的準(zhǔn)確度進行在線評估及標(biāo)定，降低錨節(jié)點位置誤差對定位性能的影響，通過偏差自適應(yīng)校正的多跳距離估計，降低節(jié)點多跳距離估計偏差對定位性能的影響，增強節(jié)點復(fù)雜定位環(huán)境下的在線認(rèn)知及動態(tài)自適應(yīng)能力，提高水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位性能。
[0006]本發(fā)明提出一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，具體包括以下步驟:
[0007]步驟一、錨節(jié)點在線評估自身聲明位置坐標(biāo)的準(zhǔn)確度；
[0008](I)所有錨節(jié)點以初始時刻的聲明坐標(biāo)(或節(jié)點部署時經(jīng)標(biāo)定的初始坐標(biāo))為基準(zhǔn)，以在線評估時間內(nèi)的第η次更新坐標(biāo)與基準(zhǔn)坐標(biāo)之間的歐氏距離作為位置偏離樣本點，采集η次(通常情況η < 5)，構(gòu)建錨節(jié)點位置偏離樣本集；
[0009](2)按非參數(shù)放回抽樣的方法對位置偏離樣本集進行Bootstrap重抽樣；
[0010](3)相繼獨立的抽取B個容量不變的Bootstrap樣本；為滿足Bootstrap法的抽樣要求并控制節(jié)點計算量，通常情況B取200 ;
[0011](4)計算Bootstrap樣本均值,求取標(biāo)準(zhǔn)差式；
[0012](5)計算錨節(jié)點聲明位置坐標(biāo)的準(zhǔn)確度Jli =I7i=1-,其中R為節(jié)點的通訊半徑;
[0013](6)標(biāo)定錨節(jié)點的參考級別:準(zhǔn)確度高于預(yù)設(shè)精度閾值的錨節(jié)點，標(biāo)定為一級參考節(jié)點；低于預(yù)設(shè)精度閾值的，標(biāo)定為普通錨節(jié)點；預(yù)設(shè)精度閾值通常情況取[0.95，I]區(qū)間內(nèi)的實數(shù)；
[0014]步驟二、待定位節(jié)點構(gòu)建動態(tài)可更新定位群；
[0015](I)待定位節(jié)點統(tǒng)計自身一跳至多跳閾值范圍內(nèi)的一級參考節(jié)點數(shù)，達到坐標(biāo)估算的最低數(shù)量時，將所有一級參考節(jié)點及參與信息轉(zhuǎn)發(fā)的普通中間節(jié)點納入定位群，并轉(zhuǎn)步驟三；低于坐標(biāo)估算最低數(shù)量的，標(biāo)定為不滿足定位條件節(jié)點；多跳閾值通常情況取不大于5的自然數(shù)；坐標(biāo)估算的最低數(shù)量在三維部署情況下為4，在二維部署情況下為3 ；
[0016](2)當(dāng)一級參考節(jié)點的位置坐標(biāo)準(zhǔn)確度下降至低于預(yù)設(shè)精度閾值時，將其重新標(biāo)定為普通錨節(jié)點，并剔除出定位群；
[0017](3)普通節(jié)點獲取了位置坐標(biāo)且精度高于預(yù)設(shè)精度閾值的，標(biāo)定為二級參考節(jié)點；在新的定位周期，不滿足定位條件節(jié)點將統(tǒng)計范圍擴大到二級參考節(jié)點，當(dāng)一、二級參考節(jié)點數(shù)之和達到坐標(biāo)估算的最低數(shù)量時，構(gòu)建定位群，并轉(zhuǎn)步驟三；否則，繼續(xù)等待下一個定位周期；
[0018]步驟三、定位群進行偏差自適應(yīng)校正的多跳距離估計；
[0019](I)構(gòu)建待定位節(jié)點與參考節(jié)點間的原始測距樣本集，并計算原始測距樣本的均值；通常情況原始測距樣本數(shù)不大于5 ；
[0020](2)對原始測距樣本集相繼獨立地進行B'次Bootstrap重抽樣，并計算其均值；重抽樣次數(shù)B'通常情況取200;
[0021](3)檢驗估計值偏差β.bias B = D' - Djll ,其中~為第j個Bootstrap樣本的均值，^為原始測距樣本的均值= 表明均值估計無偏；若射?表明均值估計偏高；若&^^<0,則表明均值估計偏低；
[0022](4)計算偏差校正的估計量

【權(quán)利要求】
1.一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，其特征在于:通過以下步驟來實現(xiàn): 步驟一、錨節(jié)點在線評估自身聲明位置坐標(biāo)的準(zhǔn)確度； (1)所有錨節(jié)點以初始時刻的聲明坐標(biāo)(或節(jié)點部署時經(jīng)標(biāo)定的初始坐標(biāo))為基準(zhǔn)，以在線評估時間內(nèi)的第η次更新坐標(biāo)與基準(zhǔn)坐標(biāo)之間的歐氏距離作為位置偏離樣本點，采集η次，構(gòu)建錨節(jié)點位置偏離樣本集； (2)按非參數(shù)放回抽樣的方法對錨節(jié)點位置偏離樣本集進行Bootstrap重抽樣； (3)相繼獨立的抽取B個容量不變的Bootstrap樣本； (4)計算Bootstrap樣本均值,求取標(biāo)準(zhǔn)差； (5)計算錨節(jié)點聲明位置坐標(biāo)的準(zhǔn)確度R為節(jié)點的通訊半徑； (6)標(biāo)定錨節(jié)點的參考級別:準(zhǔn)確度高于預(yù)設(shè)精度閾值的錨節(jié)點，標(biāo)定為一級參考節(jié)點；準(zhǔn)確度低于預(yù)設(shè)精度閾值的，標(biāo)定為普通錨節(jié)點； 步驟二、待定位節(jié)點構(gòu)建動態(tài)可更新定位群； (1)待定位節(jié)點統(tǒng)計自身一跳至多跳閾值范圍內(nèi)的一級參考節(jié)點數(shù)，達到坐標(biāo)估算的最低數(shù)量時，將所有一級參考節(jié)點及參與信息轉(zhuǎn)發(fā)的普通中間節(jié)點納入定位群，并轉(zhuǎn)步驟三；低于坐標(biāo)估算最低數(shù)量 的，標(biāo)定為不滿足定位條件節(jié)點； (2)當(dāng)一級參考節(jié)點的位置坐標(biāo)準(zhǔn)確度下降至低于預(yù)設(shè)精度閾值時，將其重新標(biāo)定為普通錨節(jié)點，并剔除出定位群； (3)將獲取了位置坐標(biāo)且精度高于預(yù)設(shè)精度閾值的普通節(jié)點標(biāo)定為二級參考節(jié)點；在新的定位周期，不滿足定位條件節(jié)點將統(tǒng)計范圍擴大到二級參考節(jié)點，當(dāng)一、二級參考節(jié)點數(shù)之和達到坐標(biāo)估算的最低數(shù)量時，構(gòu)建定位群，并轉(zhuǎn)步驟三； 步驟三、定位群進行偏差自適應(yīng)校正的多跳距離估計； (1)構(gòu)建待定位節(jié)點與參考節(jié)點間的原始測距樣本集，計算原始測距樣本的均值； (2)對原始測距樣本集相繼獨立地進行B'次Bootstrap重抽樣，并計算其均值； (3)檢驗估計值偏差‘biasB = D* -Dia ,其中為第j個Bootstrap樣本的均值，&?為原始測距樣本的均值； (4)計算偏差校正的估計量為將為自小到大排序，得到 SDm0 << D(V}''； (5)計算自適應(yīng)校正后的距離估計上下界，求取置信水平為l-α的多跳距離區(qū)間估計:取Q1SjTx!的整數(shù)部分，即取ft= ^xfl I，提取出%/和%/作為多跳距離區(qū)間估計的下界和上界； 步驟四、求解區(qū)間化的待定位節(jié)點位置可容空間； (I)提取由待定位節(jié)點與相鄰參考節(jié)點之間的距離估計區(qū)間上下界所構(gòu)成的一類約束空間；(2)提取由待定位節(jié)點與多跳參考節(jié)點間的多跳距離估計所構(gòu)成的二類約束空間； (3)將定位群內(nèi)所有一類、二類約束空間用區(qū)間數(shù)代替；求取所有區(qū)間數(shù)的交集，將其作為待定位節(jié)點區(qū)間化的位置可容空間； 步驟五、待定位節(jié)點坐標(biāo)估計及精度評估； (1)掃描區(qū)間化后的位置可容空間，求取空間內(nèi)的每個區(qū)間數(shù)子集的中心位置，將其作為待定位節(jié)點坐標(biāo)的樣本集；求取待定位節(jié)點坐標(biāo)的最優(yōu)點估計； (2)對節(jié)點的估計坐標(biāo)進行精度評估；定位精度高于預(yù)設(shè)精度閾值的，標(biāo)定為二級參考節(jié)點，并轉(zhuǎn)步驟二 ；否則，標(biāo)定為已完成定位節(jié)點，本次估計坐標(biāo)即為最終坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，其特征在于: 所述步驟一中(I)的錨節(jié)點位置偏離樣本數(shù)η通常情況不大于5 ; (3)中的重抽樣次數(shù)B通常情況取200次；(6)中的預(yù)設(shè)精度閾值通常情況取[0.95，I]區(qū)間內(nèi)的實數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，其特征在于: 所述的步驟二(I)中的多跳閾值通常情況取不大于5的自然數(shù)，坐標(biāo)估算的最低數(shù)量在三維部署情況下為4，在二維部署情況下為3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，其特征在于: 所述的步驟三(I)中的原始測距樣本數(shù)通常情況不大于5 ; (2)中的重抽樣次數(shù)B'通常情況取200 ； (3)中若J = O,判定均值估計無偏，若Irfas5>O,判定均值估計偏高，若biasβ<0,判定均值估計偏低。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，其特征在于: 所述的步驟四(2)中的二類約束空間其上界為多跳距離估計區(qū)間的上界，其下界為通訊半徑和多跳距離估計區(qū)間下界之間較小的一個，提取公式為:
其中，S>(x)為待定位節(jié)點Na與參考節(jié)點％所構(gòu)成的二類約束空間，R為節(jié)點的通訊半徑，為多跳距離估計區(qū)間的下界，I IXj-XJ I2為Na與Nj間的歐氏距離，Dja^為多跳距離估計區(qū)間的上界。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，其特征在于: 所述的步驟五(I)中的求取待定位節(jié)點坐標(biāo)最優(yōu)點估計的公式為:.Σ參!4)-
其中，Ifl為待定位節(jié)點Na坐標(biāo)的最優(yōu)點估計，為待定位節(jié)點坐標(biāo)樣本集中的一個樣本，Xi為定位群內(nèi)參考節(jié)點Ni的坐標(biāo)，0- ai為自適應(yīng)校正后的距離估計中值.?* 03是區(qū)間化后的位置可容空間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)定位方法，其特征在于: 所述的步驟五(2)中對節(jié)點估計坐標(biāo)進行精度評估的公式為:
其中，ηa為定位節(jié)點Na估計坐標(biāo)的評估精度，nk為定位群內(nèi)參與定位的k個參考節(jié)點的定位精度，Xa = [Xa, ya, ZJt為待定位節(jié)點Na的估計坐標(biāo),Xi = [Xi, Yi, Zi]τ為參考節(jié)點的坐標(biāo)，
【文檔編號】H04W84/18GK104080169SQ201410328637
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】任永吉, 鐘建林, 黃雋, 宋艷波, 劉濤, 王偉亞, 郭海燕 申請人:中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院