一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，屬于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。1)AUV逐層移動(dòng)，每隔相同時(shí)間廣播發(fā)送信標(biāo)信號(hào)，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到AUV發(fā)射信號(hào)的順序，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行編碼。2)未知節(jié)點(diǎn)收到的相鄰路徑上的信號(hào)覆蓋范圍的幾何模型相交產(chǎn)生最內(nèi)相交體，估計(jì)最內(nèi)相交體的質(zhì)心作為自身位置。本發(fā)明是一種三維分布式的定位方法，通過計(jì)算最內(nèi)相交體的質(zhì)心，來確定未知節(jié)點(diǎn)的位置。實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明有較高的節(jié)點(diǎn)定位準(zhǔn)確率和節(jié)點(diǎn)定位覆蓋率。
【專利說明】
一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下 網(wǎng)絡(luò)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著海洋資源的開發(fā)和利用成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)也成為各 個(gè)國家的研究熱點(diǎn)，并在環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難預(yù)報(bào)、資源開發(fā)等各個(gè)方面得到應(yīng)用。二十世紀(jì)末， 美國開展的Seaweb年度實(shí)驗(yàn)，對(duì)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念進(jìn)行了論證并探究了它的實(shí)際應(yīng)用 價(jià)值。如今已經(jīng)有越來越多的學(xué)校和研究所加入研究，如:美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)、麻省理工學(xué)院、 康涅狄格州大學(xué)、伍茲霍爾海洋研究所(WH0I)、佐治亞理工學(xué)院和新加坡國立大學(xué)等。"十 一五"期間我國863中的海洋技術(shù)主題和國家自然科學(xué)基金都支持了許多這方面技術(shù)。同陸 上傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣，定位方法是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究內(nèi)容之一，其目的是利用已知 節(jié)點(diǎn)的位置來獲得未知節(jié)點(diǎn)的位置。目前陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法已經(jīng)得到了很大的發(fā) 展。但是，由于水下的通信環(huán)境具有信道帶寬低、數(shù)據(jù)傳輸率低、高衰減、高延遲、高誤碼率、 能量消耗大及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，與陸地環(huán)境存在很大的區(qū)別，大部分陸上無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)定位方法不適合水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，針對(duì)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)高效的定 位方法對(duì)于推動(dòng)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重大意義。
[0003] 針對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性差、能量利用率低等特點(diǎn)，很多研究者在水下傳 感器網(wǎng)絡(luò)定位方法方面已取得一定的成果。Zhong Zhou等提出的大規(guī)模定位法(Efficient localization for large-scale underwater sensor networks，LSL)是一種靜態(tài)水環(huán)境 中的分布式分層定位機(jī)制，錨節(jié)點(diǎn)通過浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位自身坐標(biāo)后周期發(fā)送自身坐標(biāo)為未知 節(jié)點(diǎn)定位，算法最大的缺陷在于能耗過高，通信開銷過大，并且需要時(shí)間同步。
[0004] Melike Erol等提出的水下自主航行器輔助定位法(AUV-Aided Localization for Underwater Sensor Networks，AAL)利用水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在水下航行來定位未知節(jié)點(diǎn)，AUV周期的浮出水面獲取GPS坐標(biāo)然后在水下通 過船位推算法追蹤自身位置并廣播喚醒消息，未知節(jié)點(diǎn)收到消息后通過雙向T0A(Time Of Arrival)測距算法獲取距離。AUV的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其位置不停的改變，在未知節(jié)點(diǎn)獲取多個(gè)與 AUV發(fā)射不同信號(hào)坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的距離后，節(jié)點(diǎn)即可定位。該算法使用雙向Τ0Α測距避免了時(shí) 間同步，但是通信開銷較高并且定位延遲較大。
[0005] Han j iang Luo等人提出 了信標(biāo)方向角（Local izat ion wi th Direct ional Beacons，LDB)定位算法，該算法是一種分布式三維定位算法，采用了AUV作為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)來 幫助未知節(jié)點(diǎn)定位，這樣可以有效克服未知節(jié)點(diǎn)失效問題，但是當(dāng)AUV發(fā)射信號(hào)的間隔變大 時(shí)，節(jié)點(diǎn)覆蓋率迅速降低，平均定位誤差迅速變大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)點(diǎn)定位覆蓋率高，平均定位誤差小的吧，基于移動(dòng)信 標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法。
[0007] 一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，包括以下步驟，
[0008] 步驟一 :AUV獲得指令后下潛到指定深度，在此深度平面上沿既定路徑移動(dòng)，每隔 相同時(shí)間間隔廣播發(fā)送信標(biāo)信號(hào)，信號(hào)中包含AUV的位置信息，信號(hào)覆蓋范圍的形狀是下半 球狀；當(dāng)AUV的移動(dòng)軌跡覆蓋了此層水域后，它上升到水面校正自身的位置，然后再次下潛 到另一指定深度，繼續(xù)發(fā)送信標(biāo)信號(hào)；
[0009]步驟二:未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到AUV發(fā)射信號(hào)的順序，對(duì)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型進(jìn)行 編碼；當(dāng)收到第一條路徑上的信號(hào)時(shí)，將其編碼為Tn，T12......Tln，當(dāng)收到第二條路徑上的 信號(hào)時(shí)，編碼為T21、Τ22......Τ2η，當(dāng)收到第η條路徑上的信號(hào)時(shí)，編碼為Τ η1、Τη2......Τηη；
[0010] 步驟三:在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，未知節(jié)點(diǎn)選擇每條路徑上能夠收到的第一個(gè)信號(hào)和最后 一個(gè)信號(hào)，這些信號(hào)的覆蓋區(qū)域的幾何模型相交，產(chǎn)生的公共部分，為最內(nèi)相交體;如果未 知節(jié)點(diǎn)利用兩個(gè)信號(hào)定位，則計(jì)算這兩個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型組成的最內(nèi)相交體的質(zhì) 心，作為自身位置;如果未知節(jié)點(diǎn)利用三個(gè)信號(hào)定位，則計(jì)算這三個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模 型組成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心，作為自身位置;如果未知節(jié)點(diǎn)利用四個(gè)信號(hào)定位，則計(jì)算這四 個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型組成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心，作為自身位置;如果未知節(jié)點(diǎn)沒收 到信號(hào)或只收到一個(gè)信號(hào)，則不執(zhí)行定位計(jì)算過程。
[0011] 本發(fā)明一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，還可以包括：
[0012] 1、未知節(jié)點(diǎn)利用兩個(gè)信號(hào)定位，這兩個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型組成的最內(nèi)相交 體為：
[0014]其中（111，711，211)和(乂111，7111，21 11)是未知節(jié)點(diǎn)收到的第一個(gè)和最后一個(gè)信標(biāo)信號(hào) 的球心坐標(biāo)，R是信號(hào)的半徑；
[0015]聯(lián)立兩個(gè)半球上表面的方程，得到方程組I:
[0017]如果方程組I只有一個(gè)解，則這兩個(gè)信標(biāo)信號(hào)的位置相切，切點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)間的 位置；
[0018] 如果方程組I有兩個(gè)解
個(gè)解是最內(nèi)相交體的上頂點(diǎn)坐標(biāo)；
[0019] 最內(nèi)相交體最低點(diǎn)坐標(biāo)到球心所在球面的垂直距離為：
[0022] 根據(jù)最內(nèi)相交體頂點(diǎn)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。
[0023] 2、未知節(jié)點(diǎn)利用三個(gè)信號(hào)定位，（Xll，yil，Zll)、（Xln，yin，Zln)和（X21，y21，Z21)是未知 節(jié)點(diǎn)用于定位的信標(biāo)信號(hào)的球心坐標(biāo)，R是信號(hào)的半徑;根據(jù)球心坐標(biāo)與半徑的關(guān)系，判斷 是否有兩個(gè)信號(hào)的位置相切，如果有，則切點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置；
[0024]如果沒有，最內(nèi)相交體為：
[0026] 建立方程組II:
[0028]如果方程組II只有一組解，三個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交于一點(diǎn)，這個(gè)解就是未知節(jié)點(diǎn)的位 置；
[0029] 如果方程組II無解，三個(gè)信標(biāo)信號(hào)兩兩相交，根據(jù)形成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心估計(jì) 未知節(jié)點(diǎn)的位置;利用方程組II，計(jì)算得到最內(nèi)相交體的三個(gè)上頂點(diǎn)坐標(biāo)然后聯(lián) 立方程組II的前三個(gè)方程，得到兩個(gè)交點(diǎn)，由于信標(biāo)信號(hào)是下半球形狀，保留Z軸坐標(biāo)較小 的解，這個(gè)解就是最內(nèi)相交體的下頂點(diǎn)；此時(shí)，計(jì)算出三個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交時(shí)，產(chǎn)生的最內(nèi)相 交體的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo);根據(jù)最內(nèi)相交體頂點(diǎn)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。
[0030] 3、未知節(jié)點(diǎn)利用四個(gè)信號(hào)定位，（111，711，211)、（義111，71 11，2111)、（121，721，221)和(叉211， y2n，Z2n)是未知節(jié)點(diǎn)用于定位的信標(biāo)信號(hào)的球心坐標(biāo)，R是信號(hào)的半徑，根據(jù)球心坐標(biāo)與半 徑的關(guān)系，判斷是否有兩個(gè)信號(hào)的位置相切，如果有，則切點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置；
[0031] 如果沒有，最內(nèi)相交體為：
[0033]三個(gè)信標(biāo)信號(hào)Tn、T12和T21覆蓋區(qū)域的幾何模型相交產(chǎn)生最內(nèi)相交體ωι， ωι的三 個(gè)上頂點(diǎn)是A!，Α2，和Α3;如果A!，Α3，和Α3都在第四個(gè)信號(hào)Τ 2η內(nèi)，利用ω :的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn) 的位置;如果Ai，A2,和A3中有兩個(gè)在第四個(gè)信號(hào)T 2n內(nèi)，則用這四個(gè)信標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的最內(nèi)相交 體的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置，
[0034] 建立方程組III:
[0036] 計(jì)算出最內(nèi)相交體的四個(gè)上頂點(diǎn)坐標(biāo)，，Β2，Β3和Β4;
[0037] 再聯(lián)立方程組III的前四個(gè)方程，得到兩組解，保留Ζ軸坐標(biāo)較小的解，這個(gè)解的值 就是最內(nèi)相交體的下頂點(diǎn)坐標(biāo);至此，計(jì)算得出四個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交產(chǎn)生最內(nèi)相交體的五個(gè) 頂點(diǎn)坐標(biāo);最后，根據(jù)最內(nèi)相交體頂點(diǎn)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置；
[0038] 如果Al，A2,和A3中只有一個(gè)在第四個(gè)信號(hào)T2n內(nèi)，貝IJ用Tl2、T21和T2n產(chǎn)生的最內(nèi)相交 體的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置。
[0039] 4、根據(jù)最內(nèi)相交體頂點(diǎn)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置為：
[0041 ]其中xi、y i、z i分別是最內(nèi)相交體頂點(diǎn)的X軸坐標(biāo)，Υ軸坐標(biāo)，Ζ軸坐標(biāo);Ν是頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。 [0042] 有益效果：
[0043] 通過AUV按既定路徑移動(dòng)，逐層地對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維定位。定位過程是分布式 的，增強(qiáng)了定位的實(shí)時(shí)性;定位方法減少了能量消耗;通過分類計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置，提高 了定位準(zhǔn)確率和定位覆蓋率。
【附圖說明】
[0044] 圖1是本發(fā)明過程的流程圖。
[0045] 圖2是本發(fā)明的AUV移動(dòng)路徑策略的示意圖。
[0046] 圖3是本發(fā)明的未知節(jié)點(diǎn)收到AUV在一條水平路徑移動(dòng)發(fā)射信號(hào)的示意圖。
[0047] 圖4是本發(fā)明的信標(biāo)信號(hào)構(gòu)成最內(nèi)相交體的示意圖。圖4(a)兩個(gè)信標(biāo)信號(hào)組成最 內(nèi)相交體示意圖，圖4(b)三個(gè)信標(biāo)信號(hào)組成最內(nèi)相交體示意圖，圖4(c)四個(gè)信標(biāo)信號(hào)組成 最內(nèi)相交體示意圖。
[0048] 圖5是本發(fā)明的未知節(jié)點(diǎn)用兩個(gè)信標(biāo)信號(hào)定位的平面示意圖。圖5(a)信標(biāo)信號(hào)相 切的平面示意圖，圖5(b)信標(biāo)信號(hào)相交的平面示意圖。
[0049]圖6是本發(fā)明的未知節(jié)點(diǎn)用三個(gè)信標(biāo)信號(hào)定位的平面示意圖。圖6(a)三個(gè)信標(biāo)信 號(hào)中有兩個(gè)相切平面示意圖，圖6(b)三個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交于一點(diǎn)平面示意圖，圖6(c)三個(gè)信 標(biāo)信號(hào)兩兩相交平面示意圖。
[0050] 圖7是本發(fā)明的未知節(jié)點(diǎn)用四個(gè)信標(biāo)信號(hào)定位的平面示意圖。圖7(a)三個(gè)信標(biāo)信 號(hào)中有兩個(gè)相切的示意圖，圖7(b)三個(gè)信號(hào)的三個(gè)交點(diǎn)在第四個(gè)信號(hào)內(nèi)的平面示意圖，圖7 (c)三個(gè)信號(hào)的兩個(gè)交點(diǎn)在第四個(gè)信號(hào)內(nèi)的平面示意圖，圖7(d)三個(gè)信號(hào)的一個(gè)交點(diǎn)在第 四個(gè)信號(hào)內(nèi)的平面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0052] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，該方法是 一種三維水下定位方法;無需時(shí)間同步；當(dāng)AUV發(fā)射信號(hào)時(shí)間間隔增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)定位覆蓋率 高，平均定位誤差小;不需要信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的部署，減少了通信開銷。
[0053] 圖1是本發(fā)明的流程圖，結(jié)合附圖，本發(fā)明的具體過程是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0054] (1 )AUV獲得指令后下潛到指定深度，在此深度平面上沿既定路徑移動(dòng)，每隔相同 時(shí)間間隔廣播發(fā)送信標(biāo)信號(hào)，信號(hào)中包含AUV的位置信息，信號(hào)所能覆蓋范圍的形狀是下半 球狀。
[0055] 當(dāng)AUV的移動(dòng)軌跡覆蓋了此層水域后，它可上升到水面校正自身的位置，然后再次 下潛到另一指定深度，繼續(xù)發(fā)送信標(biāo)信號(hào)。
[0056] (2)未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到AUV發(fā)射信號(hào)的順序，對(duì)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型進(jìn)行編 碼。當(dāng)收到第一條路徑上的信號(hào)時(shí)，將其編碼Tn，T12......Tln，當(dāng)收到第二條路徑上的信號(hào) 時(shí)，編碼為T21、Τ22......Τ2η，當(dāng)收到第η條路徑上的信號(hào)時(shí)，編碼為Τ η1、Τη2......Τηη
[0057] (3)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，未知節(jié)點(diǎn)選擇每條路徑上能夠收到的第一個(gè)信號(hào)和最后一個(gè) 信號(hào)，這些信號(hào)的覆蓋區(qū)域的幾何模型相交，產(chǎn)生的公共部分，叫做最內(nèi)相交體(Innermost Intersection Body，IIB)。如果未知節(jié)點(diǎn)利用兩個(gè)信號(hào)定位，則計(jì)算這兩個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域 的幾何模型組成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心，作為自身位置;如果未知節(jié)點(diǎn)利用三個(gè)信號(hào)定位，則 計(jì)算這三個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型組成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心，作為自身位置;如果未知 節(jié)點(diǎn)利用四個(gè)信號(hào)定位，則計(jì)算這四個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型組成的最內(nèi)相交體的質(zhì) 心，作為自身位置;如果未知節(jié)點(diǎn)沒收到信號(hào)或只收到一個(gè)信號(hào)，則不執(zhí)行定位計(jì)算過程。
[0058] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明提出的基于移動(dòng)信標(biāo)的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法：
[0059] (l)AUV 移動(dòng)過程：
[0060] AUV在水面上接收GPS信號(hào)獲取自身坐標(biāo)，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)沿特定軌跡移動(dòng)，并每隔 相同時(shí)間間隔向未知節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)射含有自身坐標(biāo)的信號(hào)。AUV的移動(dòng)軌跡覆蓋一層水域后， 上升到水面矯正自身坐標(biāo)，同時(shí)可以完成蓄電工作，然后再次下潛至設(shè)定好的深度繼續(xù)發(fā) 射信號(hào)。圖2描述了上述應(yīng)用的具體情況。
[0061] (2)信標(biāo)信號(hào)編號(hào)：
[0062] 未知節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽AUV發(fā)射的信號(hào)，收到信號(hào)則認(rèn)為它在AUV發(fā)射的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)。
[0063] 當(dāng)某未知節(jié)點(diǎn)收到第一條路徑上的信號(hào)時(shí)，將其編碼Tn，T12......Tln，圖3是上述 應(yīng)用的示意圖。未知節(jié)點(diǎn)收到第二條路徑上的信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)編碼為Τ21、Τ22......Τ 2η，類似 地，對(duì)收到的第η條路徑上的信號(hào)編碼為Τη1、Τη2......Τηη。同一條移動(dòng)路徑上，在規(guī)定時(shí)間 內(nèi)，如果未知節(jié)點(diǎn)不能收到其他信號(hào)，則它記錄此條路徑上收到的第一個(gè)和最后一個(gè)信號(hào)， 即 Τη 和 Tln，T21 和 Τ2η......WPTnn。
[0064] (3)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置：
[0065] 經(jīng)過步驟(2)后，可以確定用于定位的信標(biāo)信號(hào)，信號(hào)覆蓋范圍的幾何模型相交會(huì) 產(chǎn)生最內(nèi)相交體，具體分成以下三類進(jìn)行計(jì)算。
[0066] ①當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)用兩個(gè)信標(biāo)信號(hào)定位時(shí)，如圖4(a)所示，用不等式方程組（1)表示最 內(nèi)相交體，（111，711，211)和(11 11，7111，2111)是未知節(jié)點(diǎn)收到的第一個(gè)和最后一個(gè)信標(biāo)信號(hào)的球 心坐標(biāo)，R是信號(hào)的半徑。
[0068] 聯(lián)立兩個(gè)半球上表面的方程，
[0070]如果方程組(2)只有一個(gè)解，則這兩個(gè)信標(biāo)信號(hào)的位置相切，如圖5(a)所示，切點(diǎn) 就是未知節(jié)點(diǎn)間的位置。如果方程組（2)有兩個(gè)解，則這兩個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交產(chǎn)生最內(nèi)相交 體，用最內(nèi)相交體的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置，平面示意圖如圖5(b)所示。計(jì)算得到方程組 (2)的兩組解：
是最內(nèi)相交體的上頂點(diǎn)坐標(biāo)。用公式(3)可以計(jì)算出最內(nèi)相交體最低點(diǎn)坐標(biāo)到球心所在球 面的垂直距離，
[0072]則最內(nèi)相交體的最低點(diǎn)坐標(biāo)是
3利用公式 (4)計(jì)算最內(nèi)相交體的質(zhì)心，Xi、yi、Zi分別是最內(nèi)相交體頂點(diǎn)的X軸坐標(biāo)，Y軸坐標(biāo)和Z軸坐 標(biāo)。N是頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。
[0074] 該質(zhì)心坐標(biāo)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。
[0075] ②當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)用三個(gè)信標(biāo)信號(hào)定位時(shí)，（xii，yii，zn)、（xin，yi n，zinWP(X2i，y2i，Z2i) 是未知節(jié)點(diǎn)用于定位的信標(biāo)信號(hào)的球心坐標(biāo)，R是信號(hào)的半徑。根據(jù)球心坐標(biāo)與半徑的關(guān) 系，判斷是否有兩個(gè)信號(hào)的位置相切，如果有，則切點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置，如圖6(a)所示； 如果沒有，則用不等式方程組(5)表示相交部分，如圖4(b)所示，
[0077]聯(lián)立相關(guān)方程，
[0079]如果方程組(6)只有一組解，說明三個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交于一點(diǎn)，平面示意圖如圖6(b) 所示，且這個(gè)解就是未知節(jié)點(diǎn)的位置。如果方程組(6)無解，說明三個(gè)信標(biāo)信號(hào)兩兩相交，平 面示意圖入圖6(c)所示，則根據(jù)形成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的位置。利用方程 組(6)，計(jì)算得到最內(nèi)相交體的三個(gè)上頂點(diǎn)坐標(biāo)然后聯(lián)立方程組(6)的前三個(gè)方 程，得到兩個(gè)交點(diǎn)，由于信標(biāo)信號(hào)是下半球形狀，所以保留Z軸坐標(biāo)較小的解，這個(gè)解就是最 內(nèi)相交體的下頂點(diǎn)。此時(shí)，計(jì)算出三個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交時(shí)，產(chǎn)生的最內(nèi)相交體的四個(gè)頂點(diǎn)坐 標(biāo)。再利用(4)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。
[0080] ③當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)利用四個(gè)信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行定位時(shí)，（Xll，yil，Zll)、（Xln，yin，Zln)、（X21， y21，Z21)和(X2n，y2n，Z2n)是未知節(jié)點(diǎn)用于定位的信標(biāo)信號(hào)的球心坐標(biāo)，R是信號(hào)的半徑。根據(jù) 球心坐標(biāo)與半徑的關(guān)系，判斷是否有兩個(gè)信號(hào)的位置相切，如果有，則切點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的 位置，如圖7 (a)所示;如果沒有，用不等式方程組(7)表示最內(nèi)相交體，
[0082]假設(shè)其中三個(gè)信標(biāo)信號(hào)Tn、T12和T21覆蓋區(qū)域的幾何模型相交產(chǎn)生最內(nèi)相交體 ω i，ω :的三個(gè)上頂點(diǎn)是A!，A2，和A3。如果A!，A2，和A3都在第四個(gè)信號(hào)T 2n內(nèi)，平面示意圖如圖 7 (b)所示，則利用ω :的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置。如果Αι，Α2，和Α3中有兩個(gè)在第四個(gè)信號(hào) Τ2η內(nèi)，平面示意圖如圖7(c)所示，則用這四個(gè)信標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的最內(nèi)相交體的質(zhì)心作為未知 節(jié)點(diǎn)的位置，最內(nèi)相交體的示意圖如圖4(c)所示。
[0083]利用方程組(8)，計(jì)算出最內(nèi)相交體的四個(gè)上頂點(diǎn)坐標(biāo)，，Β2，Β3和Β4，
[0085]再聯(lián)立方程組(8)的前四個(gè)方程，得到兩組解，保留Ζ軸坐標(biāo)較小的解，這個(gè)解的值 就是最內(nèi)相交體的下頂點(diǎn)坐標(biāo)。至此，計(jì)算得出四個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交產(chǎn)生最內(nèi)相交體的五個(gè) 頂點(diǎn)坐標(biāo)。最后，根據(jù)(4)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。
[0086] 如果Αι，Α2，和A3中只有一個(gè)在第四個(gè)信號(hào)Τ2η內(nèi)，平面不意圖如圖7(d)所不，貝1J用 T12、T21和T2n產(chǎn)生的最內(nèi)相交體的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置。
[0087] 本發(fā)明公開了一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，屬于水下無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于:所述方法是在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中按以下步驟實(shí)現(xiàn)：1)AUV逐 層移動(dòng)，每隔相同時(shí)間廣播發(fā)送信標(biāo)信號(hào)，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到AUV發(fā)射信號(hào)的順序，對(duì)其信 號(hào)進(jìn)行編碼。2)未知節(jié)點(diǎn)收到的相鄰路徑上的信號(hào)覆蓋范圍的幾何模型相交產(chǎn)生最內(nèi)相交 體，估計(jì)最內(nèi)相交體的質(zhì)心作為自身位置。本發(fā)明是一種三維分布式的定位方法，通過計(jì)算 最內(nèi)相交體的質(zhì)心，來確定未知節(jié)點(diǎn)的位置。實(shí)驗(yàn)證明該方法有較高的節(jié)點(diǎn)定位準(zhǔn)確率和 節(jié)點(diǎn)定位覆蓋率。
[0088] -種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，包括以下步驟：
[0089] (1)信號(hào)模型編碼：
[0090] AUV獲得自身位置指令后下潛到指定深度，沿既定路徑移動(dòng)，每隔相同時(shí)間段廣播 發(fā)送自己的位置信息。當(dāng)AUV的移動(dòng)軌跡覆蓋了此層監(jiān)測水域后，它上升到水面校正自身的 位置，并完成蓄電工作，然后再次下降到另一指定深度，繼續(xù)移動(dòng)。
[0091]未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到AUV發(fā)射信號(hào)的順序，對(duì)信號(hào)模型進(jìn)行編碼:收到第一條路徑上 的信號(hào)時(shí)，將其編碼為Tn，T12......Tln，收到第二條路徑上的信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)編碼為Τ 21、 Τ22......Τ2η，收到的第η條路徑上的信號(hào)編碼為Τη1、Τη2......Τ ηη同一條移動(dòng)路徑上，在規(guī) 定時(shí)間內(nèi)，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)不能收到其他信號(hào)時(shí)，記錄收到的第一個(gè)和最后一個(gè)信號(hào)。
[0092] (2)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置:未知節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)覆蓋范圍的幾何模型相交產(chǎn)生最 內(nèi)相交體。根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)用于定位的信號(hào)個(gè)數(shù)對(duì)定位過程進(jìn)行分類，分別計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn) 的位置。
[0093]本發(fā)明提出的基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法是一種真正意義上的三 維水下定位方法，AUV分層移動(dòng)，逐層發(fā)射信號(hào)，通過分析信標(biāo)信號(hào)相交的情況計(jì)算出未知 節(jié)點(diǎn)的位置。AUV分層移動(dòng)的設(shè)計(jì)可以節(jié)省能量消耗，通過計(jì)算最內(nèi)相交體估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的 位置，提高了定位精度和節(jié)點(diǎn)覆蓋率。本方法是分布式的定位方法，未知節(jié)點(diǎn)自己進(jìn)行定 位，不僅減少了 AUV的計(jì)算量，也使定位具有實(shí)時(shí)性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟一 :AUV獲得指令后下潛到指定深度，在此深度平面上沿既定路徑移動(dòng)，每隔相同 時(shí)間間隔廣播發(fā)送信標(biāo)信號(hào)，信號(hào)中包含AUV的位置信息，信號(hào)覆蓋范圍的形狀是下半球 狀；當(dāng)AUV的移動(dòng)軌跡覆蓋了此層水域后，它上升到水面校正自身的位置，然后再次下潛到 另一指定深度，繼續(xù)發(fā)送信標(biāo)信號(hào)； 步驟二：未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到AUV發(fā)射信號(hào)的順序，對(duì)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型進(jìn)行編 碼；當(dāng)收到第一條路徑上的信號(hào)時(shí)，將其編碼為Tn，T12......Tln，當(dāng)收到第二條路徑上的信 號(hào)時(shí)，編碼為T21、T22......T2n，當(dāng)收到第η條路徑上的信號(hào)時(shí)，編碼為T nl、Tn2......Τηη； 步驟三:在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，未知節(jié)點(diǎn)選擇每條路徑上能夠收到的第一個(gè)信號(hào)和最后一個(gè) 信號(hào)，這些信號(hào)的覆蓋區(qū)域的幾何模型相交，產(chǎn)生的公共部分，為最內(nèi)相交體;如果未知節(jié) 點(diǎn)利用兩個(gè)信號(hào)定位，則計(jì)算這兩個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型組成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心， 作為自身位置;如果未知節(jié)點(diǎn)利用三個(gè)信號(hào)定位，則計(jì)算這三個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型 組成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心，作為自身位置;如果未知節(jié)點(diǎn)利用四個(gè)信號(hào)定位，則計(jì)算這四個(gè) 信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型組成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心，作為自身位置;如果未知節(jié)點(diǎn)沒收到 信號(hào)或只收到一個(gè)信號(hào)，則不執(zhí)行定位計(jì)算過程。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于： 未知節(jié)點(diǎn)利用兩個(gè)信號(hào)定位，這兩個(gè)信號(hào)覆蓋區(qū)域的幾何模型組成的最內(nèi)相交體為：其中（XII，yil，Zll )和(Xln，yin，Zln)是未知節(jié)點(diǎn)收到的第一個(gè)和最后一個(gè)信標(biāo)信號(hào)的球 心坐標(biāo)，R是信號(hào)的半徑； 聯(lián)立兩個(gè)半球上表面的方程，得到方程組I :如果方程組I只有一個(gè)解，則這兩個(gè)信標(biāo)信號(hào)的位置相切，切點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)間的位 置；如果方程組I有兩個(gè)解： 這兩個(gè)解是最內(nèi)相交體的上頂點(diǎn)坐標(biāo)； 最內(nèi)相交體最低點(diǎn)坐標(biāo)到球心所在球面的垂直距離為：根據(jù)最內(nèi)相交體頂點(diǎn)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于： 未知節(jié)點(diǎn)利用三個(gè)信號(hào)定位，（乂11，711，2：11)、（11 11，7111，2111)和(121，721，221)是未知節(jié)點(diǎn)用于定 位的信標(biāo)信號(hào)的球心坐標(biāo)，R是信號(hào)的半徑;根據(jù)球心坐標(biāo)與半徑的關(guān)系，判斷是否有兩個(gè) 信號(hào)的位置相切，如果有，則切點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置； 如果沒有，最內(nèi)相交體為：如果方程組II只有一組解，三個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交于一點(diǎn)，這個(gè)解就是未知節(jié)點(diǎn)的位置； 如果方程組II無解，三個(gè)信標(biāo)信號(hào)兩兩相交，根據(jù)形成的最內(nèi)相交體的質(zhì)心估計(jì)未知 節(jié)點(diǎn)的位置;利用方程組II，計(jì)算得到最內(nèi)相交體的三個(gè)上頂點(diǎn)坐標(biāo)AhAdPA3;然后聯(lián)立方 程組II的前三個(gè)方程，得到兩個(gè)交點(diǎn)，由于信標(biāo)信號(hào)是下半球形狀，保留Z軸坐標(biāo)較小的解， 這個(gè)解就是最內(nèi)相交體的下頂點(diǎn);此時(shí)，計(jì)算出三個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交時(shí)，產(chǎn)生的最內(nèi)相交體的 四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo);根據(jù)最內(nèi)相交體頂點(diǎn)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于： 未知節(jié)點(diǎn)利用四個(gè)信號(hào)定位，（Xll，yil，Zll)、（Xln，yin，Zln)、（121，721，221)和(義211，7211，2211)是未 知節(jié)點(diǎn)用于定位的信標(biāo)信號(hào)的球心坐標(biāo)，R是信號(hào)的半徑，根據(jù)球心坐標(biāo)與半徑的關(guān)系，判 斷是否有兩個(gè)信號(hào)的位置相切，如果有，則切點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置； 如果沒有，最內(nèi)相交體為：三個(gè)信標(biāo)信號(hào)Tn、T12和T21覆蓋區(qū)域的幾何模型相交產(chǎn)生最內(nèi)相交體ω ^ 〇^的三個(gè)上 頂點(diǎn)是Al，Α2，和A3;如果Al，Α2，和A3都在第四個(gè)信號(hào)Τ2η內(nèi)，利用ω i的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位 置;如果A^A2,和A3中有兩個(gè)在第四個(gè)信號(hào)T 2n內(nèi)，則用這四個(gè)信標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的最內(nèi)相交體的 質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置， 建立方程組III:計(jì)算出最內(nèi)相交體的四個(gè)上頂點(diǎn)坐標(biāo)，Bi，B2，B3和B4; 再聯(lián)立方程組III的前四個(gè)方程，得到兩組解，保留Z軸坐標(biāo)較小的解，這個(gè)解的值就是 最內(nèi)相交體的下頂點(diǎn)坐標(biāo);至此，計(jì)算得出四個(gè)信標(biāo)信號(hào)相交產(chǎn)生最內(nèi)相交體的五個(gè)頂點(diǎn) 坐標(biāo);最后，根據(jù)最內(nèi)相交體頂點(diǎn)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置； 如果Al，A2,和A3中只有一個(gè)在第四個(gè)信號(hào)T2n內(nèi)，則用Tl2、T21和T2n產(chǎn)生的最內(nèi)相交體的 質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置。5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的一種基于移動(dòng)信標(biāo)的分布式水下網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征 在于:所述的根據(jù)最內(nèi)相交體頂點(diǎn)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的位置為：其中Xi、yi、Z i分別是最內(nèi)相交體頂點(diǎn)的X軸坐標(biāo)，Y軸坐標(biāo)，Z軸坐標(biāo);N是頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。
【文檔編號(hào)】H04W4/02GK106028278SQ201610289418
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】馮曉寧, 王卓, 張文, 朱曉龍, 蔡紹濱, 曲立平, 孟宇龍
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)