一種適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法領(lǐng)域，其特征是能夠較好地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)固有 的移動(dòng)性，提高定位精度。本發(fā)明的定位方法中，首先通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算出不同參考節(jié) 點(diǎn)集合所產(chǎn)生的定位誤差，進(jìn)而選擇定位誤差最小的最優(yōu)參考節(jié)點(diǎn)集合，然后建立數(shù)學(xué)模 型，利用最大化被定位節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)收到所有不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文的概率來(lái)優(yōu) 化不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文發(fā)射時(shí)刻，提高定位精度。
【背景技術(shù)】
[0002] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有聲學(xué)通信與計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的水下監(jiān)測(cè)網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)，其部署在海洋等水下環(huán)境，在實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境的污染監(jiān)控，水下生物樣本采集，自然 災(zāi)害預(yù)防，輔助導(dǎo)航等方面具備廣闊的應(yīng)用前景。在很多實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)需要結(jié)合其地理 位置信息才具有實(shí)際意義，因此定位技術(shù)是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)和支撐技術(shù)，對(duì)水 聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用至關(guān)重要。
[0003] 研究及設(shè)計(jì)出適合水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)的，能量高效、簡(jiǎn)單精確、可擴(kuò)展的節(jié) 點(diǎn)定位方法是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。定位方法好壞的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則一般有定位精度（平 均定位誤差）、錨節(jié)點(diǎn)部署比例、網(wǎng)絡(luò)平均連接度、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及能量和計(jì)算開(kāi)銷等，其中定位 精度是衡量定位方法性能的最重要的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。
[0004] 在定位水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)位置過(guò)程中，選擇不同的參考節(jié)點(diǎn)集合所產(chǎn)生的定 位誤差范圍將有所不同。假設(shè)每個(gè)長(zhǎng)度的定位誤差范圍是相同的，并用一個(gè)橢圓表示，則實(shí) 際定位誤差范圍為被定位節(jié)點(diǎn)處三個(gè)長(zhǎng)度的定位誤差范圍的重疊區(qū)域（如圖1所示），從圖 中可看出由于參考節(jié)點(diǎn)選擇的不同，1〇1(實(shí)例1)中的誤差范圍要大于1〇2(實(shí)例2)。本發(fā) 明提出如何選擇最適合的參考節(jié)點(diǎn)集合，以提高定位精度。
[0005] 由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中較長(zhǎng)的傳輸距離和傳播延遲，被定位節(jié)點(diǎn)在等待接收參考 節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文時(shí)所發(fā)生的移動(dòng)會(huì)對(duì)定位精度造成影響。水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，被定位節(jié)點(diǎn) 在接收到第一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)到最后一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文時(shí)間間隙內(nèi)，所發(fā)生的移動(dòng)會(huì)直 接影響定位精度（如圖2所示）。理想情況下，被定位節(jié)點(diǎn)希望能夠同時(shí)接收到所有參考節(jié) 點(diǎn)的參考報(bào)文以減少節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的影響。本發(fā)明提出優(yōu)化參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送參考報(bào)文的發(fā)射時(shí) 亥IJ，以提高定位精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的：
[0007] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，定位精度是衡量定位方法性能的最重要的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，而節(jié)點(diǎn) 固有的移動(dòng)性會(huì)影響定位精度，進(jìn)而影響定位方法的性能。
[0008] 本發(fā)明通過(guò)選擇適合節(jié)點(diǎn)固有移動(dòng)性的參考節(jié)點(diǎn)集合及優(yōu)化不同參考節(jié)點(diǎn)的參 考報(bào)文發(fā)射時(shí)刻來(lái)提高水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位方法的定位精度及性能。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0010] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于被定位節(jié)點(diǎn)而言，其參考節(jié)點(diǎn)集合的選擇方案有多種，而 選擇不同的參考節(jié)點(diǎn)集合所產(chǎn)生的定位誤差范圍是不同的（如圖1所示），且由于水聲傳感 器節(jié)點(diǎn)價(jià)格昂貴，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目通常不會(huì)很多。
[0011] 本發(fā)明提出通過(guò)遍歷所有可能的參考節(jié)點(diǎn)集合，比較不同參考節(jié)點(diǎn)集合的誤差范 圍，找到最優(yōu)參考節(jié)點(diǎn)集合的定位方法，并給出了一種數(shù)學(xué)建模方案，以降低定位誤差，提 高定位精度。
[0012] 本發(fā)明提出利用最大化被定位節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)收到所有不同參考節(jié)點(diǎn)的參 考報(bào)文的概率來(lái)優(yōu)化不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文發(fā)射時(shí)刻的方法，并給出了一種數(shù)學(xué)建模方 案，以降低被定位節(jié)點(diǎn)在接收到第一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文到最后一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào) 文的時(shí)間間隙內(nèi)，節(jié)點(diǎn)固有移動(dòng)性所產(chǎn)生的影響，提供定位精度。
[0013] 本發(fā)明的有益效果：
[0014] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，定位精度是衡量定位方法性能的最重要的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，定位精 度的影響因素有多種，如水下節(jié)點(diǎn)固有的移動(dòng)性、參考節(jié)點(diǎn)的選擇等。
[0015] 1)本發(fā)明通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)比較不同參考節(jié)點(diǎn)集合的定位誤差范圍，找到定位 誤差范圍最小的最優(yōu)參考節(jié)點(diǎn)集合，能夠有效地降低定位誤差，提高定位方法的定位精度 及性能。
[0016] 2)本發(fā)明通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)利用最大化被定位節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)收到所有 不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文的概率以優(yōu)化不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文得發(fā)射時(shí)刻，能夠有效地 降低節(jié)點(diǎn)固有的移動(dòng)性的影響，提高定位精度。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1參考節(jié)點(diǎn)集合選擇示意圖
[0018] 圖2發(fā)射時(shí)刻優(yōu)化示意圖
[0019] 圖1中，101為實(shí)例1，102為實(shí)例2,103表示實(shí)例1中的定位誤差范圍，104表示 實(shí)例2中的定位誤差范圍，105為參考節(jié)點(diǎn)圖例，106為被定位節(jié)點(diǎn)圖例。
[0020] 圖2中，201為實(shí)例1，202為實(shí)例2, 203為參考節(jié)點(diǎn)圖例，204為被定位節(jié)點(diǎn)圖例。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面給出了一種通過(guò)比較不同參考節(jié)點(diǎn)集合的定位誤差范圍大小來(lái)確定最優(yōu)參 考節(jié)點(diǎn)集合的數(shù)學(xué)模型方案以及一種通過(guò)最大化被定位節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)收到所有不 同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文的概率來(lái)優(yōu)化不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文的發(fā)射時(shí)刻的數(shù)學(xué)模型方 案，用以有效地降低水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)固有移動(dòng)性的影響，提高定位精度。
[0022] 本發(fā)明不僅限于該數(shù)學(xué)模型方案，凡是在進(jìn)行水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法研究 時(shí)，利用本發(fā)明的定位方法思路，即通過(guò)建立定位誤差范圍的目標(biāo)函數(shù)來(lái)選擇最優(yōu)的參考 節(jié)點(diǎn)集合或利用目標(biāo)函數(shù)來(lái)優(yōu)化不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文發(fā)射時(shí)刻，均在本發(fā)明的保護(hù)范 圍之內(nèi)。
[0023] 數(shù)學(xué)模型方案的【具體實(shí)施方式】描述如下：
[0024] a)建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算不同參考節(jié)點(diǎn)集合所產(chǎn)生的定位誤差范圍大小，選擇最優(yōu) 參考節(jié)點(diǎn)集合。
[0025] 本方案的定位測(cè)量方法以TDOA(Time Difference ofArrival)為例，計(jì)算不同參 考節(jié)點(diǎn)集合的定位誤差大小的CRLB(Cramer_Rao Lower Bound):
[0026] 假設(shè)，被定位節(jié)點(diǎn)的位置向量為η = [\，yj，參考節(jié)點(diǎn)的位置向量為ξη= [Xn， yj，n為參考節(jié)點(diǎn)索引。目標(biāo)函數(shù)測(cè)量量用表示，Λ?η?表示第1個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的 參考報(bào)文與第η個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文到達(dá)被定位節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，ω η表示測(cè)量噪聲，則 能夠表示為，
[0028] 公式（1-1)可轉(zhuǎn)化為一個(gè)向量矩陣形式，如下所示：
[0029]
[0030] 要解決公式（1-2)的非線性估計(jì)問(wèn)題，可采用迭代最小二乘法估計(jì)方法，假設(shè)基 于在第i次迭代的估計(jì)值η \在第i+i次的估計(jì)值η1+1可被更新為：
[0031]
[0032] 其中，公式（1-3)中的R是ω的協(xié)方差矩陣，J為雅克比矩陣，其為：
[0034] J可以被擴(kuò)展為：
[0036]
足夠數(shù)量的迭代以后，均方誤差（MSE)矩陣可被求得，如公式（1-6)所示：
[0037] E[(n1-n)T(n1-n)] = (/R'J) 1 (1-6)
[0038] 假設(shè)每次定位需要r參考節(jié)點(diǎn)，而共需要s個(gè)節(jié)點(diǎn)可作為參考節(jié)點(diǎn)（若定位空間 為η維，則需要n+1個(gè)參考節(jié)點(diǎn)）
對(duì)于每一種組合，計(jì)算每個(gè)被定位節(jié) 點(diǎn)定位誤差的MSE并求得均值，均值最小的組合將被選擇作為參考節(jié)點(diǎn)集合。
[0039] b)建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)最大化被定位節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)的收到所有不同參考節(jié) 點(diǎn)的參考報(bào)文的概率來(lái)優(yōu)化不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文得發(fā)射時(shí)刻。
[0040] 假設(shè)確定被定位節(jié)點(diǎn)的位置需3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，且從3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)到所有節(jié)點(diǎn)的距 離，參考報(bào)文傳輸所需的時(shí)間為：
[0042] 假設(shè)3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文傳輸時(shí)間點(diǎn)為T(mén)= [tp t2, t3]，則3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的 參考報(bào)文在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的到達(dá)時(shí)間為：
[0044] 定義二進(jìn)制變量Θ i為：
[0045]
[0046] 因此不同參考報(bào)文的發(fā)射時(shí)刻優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)為最大化Θ問(wèn)題
[0048] 假設(shè)用λ表示3個(gè)參考報(bào)文到達(dá)被定位節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，則能夠得到公式（1-10) 如下所示：
[0050] 由于傳輸時(shí)間必須為正值，則從公式（1-9)、公式（1-10)能夠得到下述兩個(gè)約束 條件，如公式（1-11)及公式（1-12):
[0053] 其中公式（1-12)中的Μ為大正整數(shù)，對(duì)于公式（1-9)、公式（1-10)、公式（1-11) 及公式（1-12)可理解為：如果在時(shí)間段δ內(nèi)沒(méi)有收到所有的參考報(bào)文，則λ大于δ
將是一個(gè)小正數(shù)
，因此要約束公式（1-11)及公式（1-12)成立，Θ必須是〇， 這與Θ定義為0的條件符合。
[0054] 同樣，如果在時(shí)間段δ內(nèi)收到了所有參考消息， 此要使約束公式（ι-ll)及公式（1-12)成立，Θ可以是〇或1，而由于是做最大化處理，則 θ傾向于1，也與θ定義為1的條件符合，因此證明約束公式（1-11)及公式（1-12)是正 確并有意義的，因此可以作為約束條件。
[0055] 通過(guò)上述方法可將其優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性優(yōu)化問(wèn)題，可用標(biāo)準(zhǔn)線性優(yōu)化算法如 Branch-and-Cut來(lái)求解。該優(yōu)化問(wèn)題確定了每個(gè)參考消息的傳輸時(shí)刻，并減少了在傳輸過(guò) 程中移動(dòng)性的影響，能夠有效地提高定位精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于：提出利用最大化被定位 節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)收到所有不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文的概率來(lái)優(yōu)化不同參考節(jié)點(diǎn)的參 考報(bào)文發(fā)射時(shí)刻的方法，其能夠較好地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)固有的移動(dòng)性，提高定位精度。2. 如權(quán)利要求1所述的適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，本發(fā)明提出通過(guò)計(jì)算 不同參考節(jié)點(diǎn)集合所產(chǎn)生的定位誤差，選擇定位誤差最小的最優(yōu)參考節(jié)點(diǎn)集合的方法，其 能夠較好地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)固有的移動(dòng)性，提高定位精度。3. 如權(quán)利要求1所述的適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，本發(fā)明給出了一種優(yōu) 化不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文發(fā)射時(shí)刻的數(shù)學(xué)建模方案，通過(guò)該數(shù)學(xué)建模方案能夠獲取到不 同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文發(fā)射時(shí)刻，減少節(jié)點(diǎn)固有移動(dòng)性的影響，提高定位精度。4. 如權(quán)利要求2所述的適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)定位方法，本發(fā)明給出了一種通過(guò) 計(jì)算不同參考節(jié)點(diǎn)集合所產(chǎn)生的定位誤差，選擇最優(yōu)參考節(jié)點(diǎn)集合的數(shù)學(xué)建模方案，通過(guò) 該數(shù)學(xué)建模方案能夠獲取到最優(yōu)參考節(jié)點(diǎn)集合，提高定位精度。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適應(yīng)移動(dòng)性的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。本發(fā)明屬于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法領(lǐng)域，其特征是能夠較好地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)固有的移動(dòng)性，提高定位精度。本發(fā)明的定位方法中，首先通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算出不同參考節(jié)點(diǎn)集合所產(chǎn)生的定位誤差，進(jìn)而選擇定位誤差最小的最優(yōu)參考節(jié)點(diǎn)集合，然后建立數(shù)學(xué)模型，利用最大化被定位節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)收到所有不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文的概率來(lái)優(yōu)化不同參考節(jié)點(diǎn)的參考報(bào)文發(fā)射時(shí)刻，提高定位精度。
【IPC分類】G01S5/18
【公開(kāi)號(hào)】CN105572636
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410553083
【發(fā)明人】劉軍, 韓計(jì)海
【申請(qǐng)人】寧波中國(guó)科學(xué)院信息技術(shù)應(yīng)用研究院, 寧波中科集成電路設(shè)計(jì)中心有限公司
【公開(kāi)日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2014年10月10日