一種反向水下定位方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種反向水下定位方法和系統(tǒng)，方法包括如下步驟：A1.在定位區(qū)域內(nèi)部署錨點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)；A2.普通節(jié)點(diǎn)經(jīng)觸發(fā)變?yōu)樵垂?jié)點(diǎn)；A3.源節(jié)點(diǎn)向錨點(diǎn)廣播信息；A4.錨點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)信息，更新信息并轉(zhuǎn)發(fā)至信宿匯點(diǎn)；A5.信宿匯點(diǎn)計(jì)算每一錨點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所有路徑的距離及權(quán)值；A6.信宿匯點(diǎn)采用所有錨點(diǎn)的所有路徑進(jìn)行求解，定位源節(jié)點(diǎn)。該方法將權(quán)值與基于測(cè)距的定位算法進(jìn)行結(jié)合，有效減小多徑效應(yīng)產(chǎn)生的距離測(cè)量誤差，提高定位精度，極好地改善定位性能。
【專利說(shuō)明】
一種反向水下定位方法和系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域，特別涉及以移動(dòng)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的反 向定位方法和系統(tǒng)（Reverse Localization Scheme，RLS)〇
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年，由于低功耗無(wú)線傳感器的廣泛應(yīng)用，水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)迅速發(fā)展，在水下環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋取樣、災(zāi)害預(yù)警、導(dǎo)航 協(xié)助等科研方面有非常積極的應(yīng)用。在這些通用應(yīng)用中，水下定位是一個(gè)重要的組成部分。 由于水下環(huán)境復(fù)雜多樣，電磁波在水下衰減較大，無(wú)法使用GPS有效定位，且海洋信道隨時(shí) 間、空間變化較大，因此主要利用聲音通信進(jìn)行水下節(jié)點(diǎn)的定位。
[0003] 由于水下信道與陸上信道存在明顯的區(qū)別，因此水下聲通信仍存在很多挑戰(zhàn)。首 先，水下聲速較低，約為1500m/s，且受到水溫、深度和鹽度的影響，因此傳播具有很大延時(shí)。 除此之外，傳播損耗、海面散射、波導(dǎo)效應(yīng)、海雜波、多徑效應(yīng)和多普勒頻移等會(huì)影響距離測(cè) 量的準(zhǔn)確性;較大的傳播延時(shí)、窄帶寬和高誤碼率也是使得水下聲通信定位的主要缺陷。
[0004] 由于水中聲通信具有速度可變性和多徑散射效應(yīng)，因此很有可能沿著某曲線傳播 的聲音相比視距傳播的聲信號(hào)更快的到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)。同樣的，信號(hào)最強(qiáng)的路徑也不一定是 視距路徑。所以本發(fā)明假設(shè)在節(jié)點(diǎn)間聲通信存在多條路徑傳播的情況下，為每條路徑賦予 權(quán)值，表示該路徑為視距路徑的可能性，減小多徑效應(yīng)產(chǎn)生的距離測(cè)量誤差。
[0005] 目前的節(jié)點(diǎn)定位方法主要可以分為基于距離的測(cè)距方法和無(wú)需距離的測(cè)距方法， 其中基于距離的測(cè)距方法定位準(zhǔn)確性更高，主要采用距離或方位信息，可以分為基于到達(dá) 時(shí)間（Time of Arrival ,ΤΟΑ)，基于到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TD0A)，基 于到達(dá)角度（Angle of Arrival，A0A)和基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI)四種。
[0006] Τ0Α技術(shù)通過(guò)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)發(fā)送時(shí)間與接收時(shí)間的差值進(jìn)行距離測(cè)量和定 位，該技術(shù)依賴于節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘的同步才能獲得精確的距離數(shù)據(jù);TD0A技術(shù)采用兩個(gè)不同信 號(hào)的到達(dá)時(shí)間差值進(jìn)行測(cè)量節(jié)點(diǎn)間距離，該技術(shù)則改進(jìn)了 Τ0Α技術(shù)嚴(yán)重依賴節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步 的缺陷;Α0Α通過(guò)測(cè)量帶定位節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)信號(hào)到達(dá)角度的直線方向的交點(diǎn)進(jìn)行定位，其定 位精度受到天線部署和測(cè)量精度的影響，較小的測(cè)量角誤差會(huì)導(dǎo)致較大的定位偏差;RSSI 技術(shù)通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)已知的信號(hào)損耗模型，計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離，之 后采用三邊定位等方法進(jìn)行定位。
[0007] 基于距離的測(cè)距定位方法主要通過(guò)處理多對(duì)測(cè)量結(jié)果的距離對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，根 據(jù)距離測(cè)量技術(shù)的不同，具體定位技術(shù)也會(huì)有差別，這里主要介紹三邊定位法和最小二乘 法兩種基本技術(shù)。
[0008] 如果待定位節(jié)點(diǎn)已經(jīng)獲得與其不共線的三個(gè)錨點(diǎn)的距離信息，則可根據(jù)三圓相交 于一點(diǎn)確定待定位節(jié)點(diǎn)，其示意圖如圖1。但是該方法要求距離測(cè)量中沒(méi)有誤差，這在水下 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)現(xiàn)，且水下聲通信測(cè)距具有較大的測(cè)量誤差，此時(shí)便需要增加錨 點(diǎn)數(shù)量提高定位精度。當(dāng)測(cè)得距離的錨點(diǎn)數(shù)大于三個(gè)時(shí)，可采用最小二乘法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位。 最小二乘法使用測(cè)得多個(gè)錨點(diǎn)至待定位節(jié)點(diǎn)的距離對(duì)超定方程組進(jìn)行線性擬合，得到待定 位節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。最小二乘法相比三邊定位方法性能有了很大的精度，對(duì)距離數(shù)據(jù)的偏 差有較大的容忍度，但是由于水下聲通信過(guò)程中多徑效應(yīng)明顯，最小二乘法仍有較大的劣 勢(shì)。
[0009]同時(shí)，水下定位需要特定的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署系統(tǒng)，目前主要有水下自動(dòng) 移動(dòng)裝置（Autonomous Underwater Vehicle，AUV)、米用上下浮動(dòng)傳感器的（Dive and Rise，DNR)系統(tǒng)、采用可分離式電梯設(shè)備(Detachable Elevator Transceiver，DET)的系統(tǒng) 和反向定位(Reverse Localization Scheme,RLS)系統(tǒng)四種基本的定位系統(tǒng)。
[001 0] AUV系統(tǒng)中AUV可以進(jìn)行自動(dòng)的導(dǎo)航和定位，通過(guò)待定位節(jié)點(diǎn)和AUV不斷將時(shí)間、方 位等數(shù)據(jù)發(fā)送到水面檢測(cè)站，便可確定待定位節(jié)點(diǎn)的位置，AUV系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 DNR系統(tǒng)中，當(dāng)DNR設(shè)備位于水面時(shí)可通過(guò)GPS獲得自身位置，之后沉到水中將位置信息傳遞 給待定位節(jié)點(diǎn)。DET系統(tǒng)是一個(gè)分層定位系統(tǒng)，如圖3所示。DET節(jié)點(diǎn)固定于浮標(biāo)上，可上下移 動(dòng)向外廣播位置信號(hào)，定位錨點(diǎn)。之后錨點(diǎn)向待定位節(jié)點(diǎn)廣播自身位置信息輔助待定位節(jié) 點(diǎn)定位。RLS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，是一個(gè)集中式事件驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)。當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)接收到 觸發(fā)事件變?yōu)榇ㄎ还?jié)點(diǎn)（以下稱為源節(jié)點(diǎn)）需要定位時(shí)，它將向海面上已知的錨點(diǎn)發(fā)送信 息。當(dāng)錨點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)廣播的信息時(shí)，會(huì)再次整理信息并發(fā)送到信宿匯點(diǎn)中。若有三個(gè)及以 上的錨點(diǎn)收到同一源節(jié)點(diǎn)的信息，便可以通過(guò)三點(diǎn)定位等方法在信宿匯點(diǎn)中計(jì)算源節(jié)點(diǎn)位 置。相比于其他系統(tǒng)，RLS系統(tǒng)僅定位被特定事件喚醒后需要知道位置的節(jié)點(diǎn)，與其他定位 系統(tǒng)相比，減小了定位過(guò)程中所需的時(shí)間和能耗，可以快速獲知事件發(fā)生位置，適合于監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)。
[0011]雖然RLS系統(tǒng)具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但在傳統(tǒng)的RLS模型中，若水中信道情況差，其計(jì)算 誤差會(huì)很大，源節(jié)點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于權(quán)值的反向水下定位（We i gh t e d Reverse Localization Scheme,WRLS)方法和系統(tǒng)，能極好地改善定位性能。
[0013]本發(fā)明提出的方法和系統(tǒng)是在RLS模型的基礎(chǔ)上提出的改進(jìn)。本發(fā)明在RLS系統(tǒng) 中，為信道中的每一條路徑加入權(quán)值，表示該路徑為視距路徑的可能性。
[0014] 本發(fā)明提供一種反向水下定位方法，包括如下步驟：
[0015] A1.在定位區(qū)域內(nèi)部署錨點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)；
[0016] A2.普通節(jié)點(diǎn)經(jīng)觸發(fā)變?yōu)樵垂?jié)點(diǎn)；
[0017] A3.源節(jié)點(diǎn)向錨點(diǎn)廣播信息；
[0018] A4.錨點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)信息，更新信息并轉(zhuǎn)發(fā)至信宿匯點(diǎn)；
[0019] A5.信宿匯點(diǎn)計(jì)算每一錨點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所有路徑的距離及權(quán)值；
[0020] A6.信宿匯點(diǎn)采用所有錨點(diǎn)的所有路徑進(jìn)行求解，定位源節(jié)點(diǎn)。
[0021]在定位區(qū)域內(nèi)部署K個(gè)錨點(diǎn)和N個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)都可經(jīng)觸發(fā)變?yōu)樵垂?jié) 點(diǎn)，且所有錨點(diǎn)都在其通信范圍內(nèi)。水域中的第i個(gè)普通節(jié)點(diǎn)被某些事件觸發(fā)成為源節(jié)點(diǎn)， 需要定位其位置(x，y，z)，i = l，2，···^。
[0022]優(yōu)選地，步驟A3中，源節(jié)點(diǎn)向錨點(diǎn)廣播信息包括源節(jié)點(diǎn)ID、廣播聲信號(hào)的時(shí)間Ts、 自身深度z等，其中源節(jié)點(diǎn)的深度z可以通過(guò)自帶的壓力傳感器精確獲得。
[0023]優(yōu)選地，步驟A4中，更新信息包括錨點(diǎn)自身位置信息、聲信號(hào)的接收時(shí)間Tr等。 [0024]當(dāng)?shù)趉個(gè)錨點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)信息后，k=l，2, · · ·，K，錨點(diǎn)會(huì)在收到的信息中插 入錨點(diǎn)自身位置信息(xk，yk，0)和接收信號(hào)的時(shí)間Tr，并發(fā)送到信宿匯點(diǎn)。此時(shí)的數(shù)據(jù)包包 含:源節(jié)點(diǎn)的ID，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送聲信號(hào)的時(shí)間T s，源節(jié)點(diǎn)的深度Z，錨點(diǎn)接收信息的時(shí)間Tr，錨點(diǎn) 自身位置(xk，yk，0)。
[0025]設(shè)K個(gè)海面錨點(diǎn)均接收到了該源節(jié)點(diǎn)的信息，那么對(duì)于源節(jié)點(diǎn)便存在K條聲通信信 道，若每條信道包含L條傳播路徑，那么可能為視距傳播的路徑共有LK條。
[0026]第k個(gè)海面錨點(diǎn)的位置為(Xk，yk，0)，k=l，· · ·，K，錨點(diǎn)k與源節(jié)點(diǎn)（x，y，z)的距 離為dk，若有L條多徑，每一條路徑的距離記為(^^1 = 1，· · *，L。
[0027]信宿匯點(diǎn)根據(jù)錨點(diǎn)發(fā)送的信息，可以計(jì)算每一錨點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所有路徑的距離。距離 的計(jì)算方法可以采用T0A、TD0A、A0A及RSSI中的任何一種。
[0028]優(yōu)選地，步驟A5中路徑的距離dkj采用基于到達(dá)時(shí)間（Τ0Α)的計(jì)算方法。
[0029] 進(jìn)一步地優(yōu)選，步驟A5中dk, 1的計(jì)算公式為：
[0030] dk,i = v · (Tr-Ts)公式（1);
[0031] 在多徑中，源節(jié)點(diǎn)廣播聲信號(hào)的時(shí)間為T(mén) s，錨點(diǎn)的聲信號(hào)接收時(shí)間為T(mén)r，水中聲速 為
[0032] 設(shè)測(cè)量的多徑距離dk,i滿足以Dk為均值，方差為η的高斯分布，即dk,i~N(Dk，n)。則
[0036] Dk為源節(jié)點(diǎn)至錨點(diǎn)的理論值，S〗為樣本方差。
[0037]優(yōu)選地，步驟A5中，權(quán)值Wk,i的計(jì)算公式為：
[0039] 根據(jù)上述路徑的距離及權(quán)值，信宿匯點(diǎn)采用所有錨點(diǎn)的所有路徑進(jìn)行求解。
[0040] 優(yōu)選地，步驟A6中，采用最小優(yōu)化方法進(jìn)行求解。
[0041] 進(jìn)一步地優(yōu)選，最小優(yōu)化方法進(jìn)行求解的公式為：
[0043] 其中，wk>1的計(jì)算如式（5)所示，源節(jié)點(diǎn)的深度z已經(jīng)通過(guò)壓力傳感器獲得，通過(guò)如 上的公式，即可計(jì)算得到源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(X，y，z)。
[0044]本發(fā)明還提供一種反向水下定位系統(tǒng)，包括普通節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)、錨點(diǎn)、信宿匯點(diǎn)，其 特征在于，信宿匯點(diǎn)還包括路徑的距離和權(quán)值計(jì)算模塊，所述普通節(jié)點(diǎn)接收到觸發(fā)事件變 為源節(jié)點(diǎn)，并向錨點(diǎn)廣播信息;錨點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)廣播的信息，更新信息并發(fā)送給信宿匯點(diǎn)； 路徑的距離和權(quán)值計(jì)算模塊計(jì)算路徑的距離和權(quán)值;信宿匯點(diǎn)根據(jù)路徑的距離和權(quán)值計(jì)算 得到源節(jié)點(diǎn)的位置。
[0045] 優(yōu)選地，源節(jié)點(diǎn)向錨點(diǎn)廣播信息包括源節(jié)點(diǎn)ID、廣播聲信號(hào)的時(shí)間、自身深度z等， 其中源節(jié)點(diǎn)的深度z可以通過(guò)自帶的壓力傳感器精確獲得。
[0046] 優(yōu)選地，錨點(diǎn)更新信息包括錨點(diǎn)自身位置信息、聲信號(hào)的接收時(shí)間等。
[0047]優(yōu)選地，路徑的距離dkj采用基于到達(dá)時(shí)間（Τ0Α)的計(jì)算方法。
[0048]進(jìn)一步地優(yōu)選，dk,i的計(jì)算公式為：
[0049] dk,i = v · (Tr-Ts)公式（1);
[0050] 其中，源節(jié)點(diǎn)廣播聲信號(hào)的時(shí)間為％，錨點(diǎn)的聲信號(hào)接收時(shí)間為T(mén)r，水中聲速為V。 [0051 ]設(shè)測(cè)量的多徑距離dk, 1滿足以Dk為均值，方差為η的高斯分布，即
[0057]根據(jù)上述的路徑的距離及權(quán)值，信宿匯點(diǎn)采用所有錨點(diǎn)的所有路徑進(jìn)行求解。 [0058]優(yōu)選地，求解采用最小優(yōu)化方法。
[0059]進(jìn)一步地優(yōu)選，最小優(yōu)化方法進(jìn)行求解的公式為：
[0061] 其中，Wk>1的計(jì)算如式(5)所示，源節(jié)點(diǎn)的深度ζ已經(jīng)通過(guò)壓力傳感器獲得，通過(guò)如 上的公式，即可計(jì)算得到源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(X，y，z)。
[0062]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過(guò)計(jì)算每一錨點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所有路徑的距離及權(quán)值， 克服了傳統(tǒng)RLS模型定位方法中僅簡(jiǎn)單地將信號(hào)傳輸最快的路徑當(dāng)作直線路徑用于源節(jié)點(diǎn) 定位，未考慮多徑效應(yīng)而造成的誤差。本發(fā)明考慮了多徑中最快傳輸路徑并非視距路徑造 成的影響，提高了源節(jié)點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性。
[0063]在本發(fā)明的實(shí)施例方案中，還具有如下有益效果:將權(quán)值與基于測(cè)距的Τ0Α定位算 法結(jié)合，并通過(guò)最小優(yōu)化方法進(jìn)行求解，使得方便、快速獲得源節(jié)點(diǎn)的位置，并有效減小多 徑效應(yīng)產(chǎn)生的距離測(cè)量誤差，提高定位精度。
【附圖說(shuō)明】
[0064]圖1為本發(fā)明【背景技術(shù)】中三邊定位法示意圖。
[0065]圖2為本發(fā)明【背景技術(shù)】中AUV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0066]圖3為本發(fā)明【背景技術(shù)】中DET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0067]圖4為本發(fā)明【背景技術(shù)】中RLS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0068]圖5為本發(fā)明實(shí)施例WRLS算法流程圖。
[0069]圖6為本發(fā)明實(shí)施例測(cè)距方差變化時(shí)三種算法的性能比較。
[0070]圖7為本發(fā)明實(shí)施例多徑數(shù)量變化時(shí)三種算法性能比較。
[0071 ]圖8為本發(fā)明實(shí)施例錨點(diǎn)數(shù)目變化時(shí)三種算法性能比較。
【具體實(shí)施方式】
[0072]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是， 下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0073]本實(shí)施例的WRLS算法流程圖如圖5所示。
[0074]定位過(guò)程
[0075]我們?cè)?00*500*500的水域中均勻布撒了400個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收到響 應(yīng)觸發(fā)事件而變成源節(jié)點(diǎn)。設(shè)置在500*500的水面中均勻分布有K = 30個(gè)錨點(diǎn)，多徑數(shù)目L = 5，方差n = 25，即測(cè)量得到的多徑距離服從dk, 1~N(Dk，25)。
[0076]除了采用本發(fā)明的WRLS方案，本實(shí)施例還采用未考慮多徑效應(yīng)的傳統(tǒng)RLS方法作 為對(duì)比實(shí)施例，分別采用傳統(tǒng)最小二乘法、與WRLS相同的最小優(yōu)化定位方法，分別記為RLS-LS和RLS-B，采用傳播時(shí)間最短的路徑進(jìn)行仿真。其RLS-B的計(jì)算公式如下所示：
[0078] 為了衡量定位算法的性能，本實(shí)施例使用均方根（Root Mean Square Error, RMSE)衡量算法的定位精度，每次進(jìn)行1000次實(shí)驗(yàn)，如下所示：
[0080]其中，xq和yo分別為源節(jié)點(diǎn)的真實(shí)橫縱坐標(biāo)。
[0081 ]誤差分析
[0082] 在基于距離的定位過(guò)程中，誤差主要來(lái)源于距離的測(cè)量。在RLS定位過(guò)程中，距離 的偏差主要來(lái)源于聲速誤差、傳播延時(shí)和深度測(cè)量三個(gè)方面。
[0083]聲速誤差:水中聲速受到深度、水溫和鹽度的影響，在不同的空間，水速不同，水下 聲速可以表示如下：
[0085]其中t = T/10(T為攝氏溫度°C)，z(km)為水深，S(ppt)為鹽度。式(9)可以較好的估 計(jì)出該處聲速，約為1500m/s，方差為0.07m/s。
[0086] 傳播延時(shí):傳感器節(jié)點(diǎn)中的中央處理器負(fù)責(zé)根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)次數(shù)和振蕩器振蕩頻 率計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘。但是由于無(wú)法同時(shí)對(duì)大規(guī)模的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，無(wú) 法保持時(shí)間戳一致，因此需要對(duì)傳感器的初始時(shí)鐘進(jìn)行同步。節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)A的時(shí)鐘模型可 以表示為：
[0087] fs(t) = tfA(t) =at+b 公式（10)
[0088] 其中a為時(shí)鐘傾斜頻率，b為時(shí)鐘偏移，t為參考時(shí)間。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S和錨點(diǎn)A交換時(shí)間 戳進(jìn)行同步時(shí)，有Ts = fs(tsend)，TR = fR(tsend+tpr〇p)，則傳播過(guò)程中的延時(shí)可以表示為：
[0089] AtProp = tProp-(TR-Ts)公式（11)
[0090] 深度測(cè)量:深度信息可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)自帶的壓力傳感器得到，由于現(xiàn)在的壓力傳感 器比較準(zhǔn)確，因此可以忽略源節(jié)點(diǎn)定位的深度誤差。
[0091] 性能分析
[0092]按照如上的設(shè)置，分別從方差變化、多徑數(shù)目變化和錨點(diǎn)數(shù)目變化三個(gè)方面比較 RLS-LS、RLS-B和WRLS三種算法的定位精度，分別如圖6、圖7和圖8所示。
[0093]本發(fā)明首先固定錨點(diǎn)數(shù)目、多徑條數(shù)的大小，其中錨點(diǎn)數(shù)量K = 30,多徑條數(shù)為L(zhǎng) = 5，改變測(cè)量的距離方差來(lái)比較三種算法的性能，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)方差逐漸變大 時(shí)，WRLS方法性能最優(yōu)，RLS-B次之，最小二乘法定位性能最差。WRLS和RLS-B方法隨著測(cè)量 方差的變大，定位誤差逐漸變大，但變化過(guò)程越來(lái)越慢，說(shuō)明隨著測(cè)量方差的增加，WRLS和 RLS-B方法性能將逐漸趨于穩(wěn)定，測(cè)量誤差對(duì)WRLS和RLS-B方法的影響將逐漸變小。而最小 二乘法隨著測(cè)量方差的增加，定位性能幾乎保持不變，這說(shuō)明最小二乘法對(duì)測(cè)量誤差的容 忍率最尚，具有很好的穩(wěn)定性。
[0094] 隨后，本發(fā)明固定測(cè)量方差和錨點(diǎn)數(shù)目的大小，其中測(cè)量方差n = 25,錨點(diǎn)數(shù)量κ = 30,改變水中聲信號(hào)傳播的多徑數(shù)目來(lái)比較三種算法的性能，如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)多 徑條數(shù)逐漸增大時(shí)，最小二乘法性能最差，WRLS方法性能最優(yōu)，RLS-B次之。由于WRLS和RLS-B方法采用相同的優(yōu)化方法，因此當(dāng)沒(méi)有多徑效應(yīng)時(shí)，兩種方法誤差相同，隨著多徑的增加， 兩者定位性能差距越來(lái)越大，這主要是因?yàn)樵赗LS-B方法中只考慮了聲信號(hào)傳播最快的路 徑，未考慮多徑效應(yīng)的影響，但兩者也逐漸趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明隨著多徑數(shù)目的增加，信道質(zhì) 量越來(lái)越差，多徑數(shù)目對(duì)WRLS和RLS-B方法的定位性能影響越來(lái)越小。而最小二乘法隨著多 徑條數(shù)的增加，定位性能幾乎不變，這也再次說(shuō)明最小二乘法對(duì)信道質(zhì)量的容忍性很高，具 有很好的穩(wěn)定性。
[0095] 最后，本發(fā)明固定測(cè)量方差和多徑條數(shù)的大小，其中測(cè)量方差n = 25,多徑條數(shù)為L(zhǎng) =5，改變海面上的錨點(diǎn)數(shù)目來(lái)比較三種算法的性能，如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)錨點(diǎn)數(shù)目逐 漸增加時(shí)，WRLS性能最優(yōu)，RLS-B次之，最小二乘法最差，隨著錨點(diǎn)數(shù)目的增加，三種方法的 定位性能均不斷提高。尤其當(dāng)參與定位的錨點(diǎn)數(shù)目K=10時(shí)，三種方法的定位性能均出現(xiàn)大 幅度提升，這說(shuō)明在水下定位中，采用10個(gè)錨點(diǎn)便可以得到比較優(yōu)秀的定位性能。隨著錨點(diǎn) 數(shù)目繼續(xù)增加，三種算法的定位性能提升均變緩，且逐步趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明當(dāng)錨點(diǎn)數(shù)目達(dá)到 一定數(shù)目時(shí)，錨點(diǎn)數(shù)目的增加對(duì)算法定位性能的影響將越來(lái)越小。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種反向水下定位方法，其特征在于，包括如下步驟： Al.在定位區(qū)域內(nèi)部署錨點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)； A2.普通節(jié)點(diǎn)經(jīng)觸發(fā)變?yōu)樵垂?jié)點(diǎn)； A3.源節(jié)點(diǎn)向錨點(diǎn)廣播信息； A4.錨點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)信息，更新信息并轉(zhuǎn)發(fā)至信宿匯點(diǎn)； A5.信宿匯點(diǎn)計(jì)算每一錨點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所有路徑的距離及權(quán)值； A6.信宿匯點(diǎn)采用所有錨點(diǎn)的所有路徑進(jìn)行求解，定位源節(jié)點(diǎn)。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A3中，源節(jié)點(diǎn)向錨點(diǎn)廣播信息包括源節(jié) 點(diǎn)ID、廣播聲信號(hào)的時(shí)間、自身深度。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A4中，更新信息包括錨點(diǎn)自身位置信息、 聲信號(hào)的接收時(shí)間。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A5中路徑的距離采用基于到達(dá)時(shí)間的計(jì) 算方法。5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟A5中路徑的距離的計(jì)算公式為dka = V ·( Tr-Ts )，其中，Tr為錨點(diǎn)接收聲信號(hào)的時(shí)間，Ts為源節(jié)點(diǎn)廣播聲信號(hào)的時(shí)間，V為水中聲 速，chu為第k個(gè)錨點(diǎn)的第1條路徑的距離。6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A5中，權(quán)值的計(jì)算公式為：dk,i滿足以Dk為均值，方差為η的高斯分布，即dk,i~N(Dk，n)， Dk為源節(jié)點(diǎn)至錨點(diǎn)的理論值，g為樣本方差； wk, 1為第k個(gè)錨點(diǎn)的第1條路徑的權(quán)值。7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A6中，采用最小優(yōu)化方法進(jìn)行求解。8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，最小優(yōu)化方法進(jìn)行求解的公式為：9. 一種反向水下定位系統(tǒng)，包括普通節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)、錨點(diǎn)、信宿匯點(diǎn)，其特征在于，信宿 匯點(diǎn)還包括路徑的距離和權(quán)值計(jì)算模塊，所述普通節(jié)點(diǎn)接收到觸發(fā)事件變?yōu)樵垂?jié)點(diǎn)，并向 錨點(diǎn)發(fā)送信息;錨點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)廣播的信息，更新信息并發(fā)送給信宿匯點(diǎn)；路徑的距離和權(quán) 值計(jì)算模塊計(jì)算路徑的距離和權(quán)值;信宿匯點(diǎn)根據(jù)路徑的距離和權(quán)值計(jì)算得到源節(jié)點(diǎn)的位 置。10. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，路徑的距離的計(jì)算公式為： dk,l = V · (Tr-Ts)，權(quán)值的計(jì)算公式^其中，Tr為錨點(diǎn)的聲信號(hào)接收時(shí)間，1^為源節(jié)點(diǎn)廣播聲信號(hào)的時(shí)間，V為水中聲速，dk, 1為 第k個(gè)錨點(diǎn)的第1條路徑的距離，為樣本方差；dk,i滿足以Dk為均值，方差為η的高斯分布，即dk,i~N(Dk，n)。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK106028414SQ201610452267
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】董宇涵, 王睿, 李征, 張 林, 張凱
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)深圳研究生院