水下认知声学网络中一种针对海洋哺乳动物的定位方法
【专利摘要】本发明涉及水下认知声学网络中一种针对海洋哺乳动物的定位方法，该方法中，包括四个位置已知且固定的锚节点A、B、C、D，海洋哺乳动物S的坐标未知，四个锚节点监听网络状况，当海洋哺乳动物发出声信号时，四个锚节点接收声信号，并测得接收信号的功率，然后四个锚节点广播自己的坐标信息及接收到的信号功率，对于此范围内的每一个可能的发声功率，经过验证，获得潜在的位置坐标及所对应的可能的发声功率；从中筛选获得位置坐标。本发明在水下认知声学网络中，可以有效地估计出海洋哺乳动物的坐标。
【专利说明】水下认知声学网络中一种针对海洋晡乳动物的定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下认知声学网络通信【技术领域】，具体的讲是一种在三维空间中对海 洋哺乳动物进行定位的方法。
【背景技术】
[0002] 水声传感器网络（UASNs，Underwater Acoustic Sensor Networks)是以水声为通 信介质，以海洋监测为目的，由各种水下传感器节点组成的无线传感器网络，是海洋监测的 一种必要手段。近年来，水声传感器网络广泛应用于水下资源勘探、灾难预警、国防安全等 领域。
[0003] 水声信道可利用的频率资源十分有限，通常从十几赫兹到几百千赫兹，而且频 率这一稀缺资源没有得到充分地利用。为了提高频谱利用率，有学者提出一种智能的 水声传感器网络-水下认知声学网络（Underwater Cognitive Acoustic Networks, UCANs)。UCANs中借鉴认知无线电（Cognitive Radio，CR)技术，提出了认知声（Cognitive Acoustic，CA)技术。与陆地无线认知网络类似，UCANs中存在两类用户：主用户和认知用 户。认知用户通过感知周围频谱的利用情况，灵活调整自身的频率，功率或其他参数，在保 证不和主用户冲突的情况下，提高频谱利用率。
[0004] 在海洋中，UCANs的人工声学系统与海洋生物构成的天然声学系统共享频谱。然 而，到目前为止，大多数UCANs的研究都集中在单一的网络情景中，主要解决UCANs的频谱 发现、频谱管理、频谱分配问题，较少考虑到UCANs对水生生物，特别是海洋哺乳动物的影 响。为了促进UCANs与水下生态系统的和谐发展，UCANs应掌握海洋哺乳动物位置，通信频 率使用情况等信息，以便对UCANs的通信进行合理调度。这一切的基础是海洋哺乳动物定 位，例如UCANs中的功率控制算法需要获取位置信息。
[0005] 对海洋哺乳动物进行定位，与已有的水声传感器网络定位算法的区别在于：现有 定位算法多为主动定位算法，即依赖被定位节点与参考锚节点的信息交互，利用发送和接 收信号的时间、功率等参数推算其坐标位置，但是现有的定位算法不能直接用于海洋哺乳 动物定位，因为其发声信号的功率、频率和时间未知。
【发明内容】
[0006] 出于构建环境友好型水下认知声学网络中的考虑，本发明提出了一种得到海洋哺 乳动物位置信息的方法。本发明利用海洋哺乳动物发出的声学信号特点进行被动定位，解 决了海洋哺乳动物无法与锚节点进行信息交互所带来的定位问题，可以实现对海洋哺乳动 物的精确、快速定位。本发明的技术方案如下：
[0007] 水下认知声学网络中一种针对海洋哺乳动物的定位方法，该方法中，包括四个位 置已知且固定的锚节点A、B、C、D，海洋哺乳动物S的坐标未知，四个锚节点监听网络状况， 当海洋哺乳动物发出声信号时，四个锚节点接收声信号，并测得接收信号的功率，然后四 个锚节点广播自己的坐标信息及接收到的信号功率，设海洋哺乳动物的发声功率范围是
[α，β]，单位是W;发声功率间隔为AW，对于此范围内的每一个可能的发声功率，执行下 列的步骤一至步骤四：
[0008] 步骤一，根据A，B，C，D各个锚节点接收到的接收功率，计算锚节点A，B，C，D到海 洋哺乳动物S的距离D a，Db，D。，Dd ;
[0009] 步骤二，判断^，^，^，比是否满足基本的三角形条件：若满足:继续进行下面的检 测，否则结束对此可能的发声功率的检测；
[0010] 步骤三，利用Da，Db，D。，比进行定位，如果能定位成功，获得潜在的位置坐标，继续 下面的检验；否则，结束对此可能的发声功率的检测；
[0011] 步骤四，验证潜在的位置坐标是否满足初始的接收功率，即验证在一定的精确度 限定下，该潜在的位置坐标是否在以A、B、C、D各个锚节点为球心，以各个锚节点分别到海 洋哺乳动物S的距离为半径的4个球面上；若该潜在的位置坐标满足要求，则比较潜在的位 置到各个球面的距离误差，记录此时的最大差值ε，并暂时保存此可能的发声功率和对应 的潜在位置坐标；
[0012] 步骤五，检测完发声功率范围内的每一个功率后，可能出现三种情况：
[0013] 1)只检测到一组可能的发声功率和对应的潜在位置坐标满足条件，即为海洋哺乳 动物的发声功率和海洋哺乳动物位置；2)没有检测到符合条件的可能的发声功率和对应 的潜在位置坐标，可能是由于所采用的利用D a，Db，D。，Dd进行定位的定位方法存在定位盲 区，无法定位；3)多组可能的发声功率和对应的潜在位置坐标满足条件，此时可对海洋哺 乳动物的速度做出估计，判断速度是否符合实际情况，若不符合实际情况，舍去；
[0014] 如果经验证后，还有多个坐标满足条件，则选取ε值最小的那个。
[0015] 作为优选实施方式，步骤一中，依据下面的方法计算距离Da，Db，D。，D d :设某可能的 发声功率为Ps，某个锚节点的接收功率为已，则该锚节点到海洋哺乳动物s的距离d可依据 下列的两个公式得到：
【权利要求】
1. 水下认知声学网络中一种针对海洋哺乳动物的定位方法，该方法中，包括四个位置 已知且固定的锚节点A、B、C、D，海洋哺乳动物S的坐标未知，四个锚节点监听网络状况， 当海洋哺乳动物发出声信号时，四个锚节点接收声信号，并测得接收信号的功率，然后四 个锚节点广播自己的坐标信息及接收到的信号功率，设海洋哺乳动物的发声功率范围是 [α，β]，单位是W;发声功率间隔为AW，对于此范围内的每一个可能的发声功率，执行下 列的步骤一至步骤四： 步骤一，根据A，B，C，D各个锚节点接收到的接收功率，计算锚节点A，B，C，D到海洋哺 乳动物S的距离Da，Db，Dc，Dd ; 步骤二，判断Da，Db，D。，比是否满足基本的三角形条件；若满足，继续进行下面的检测， 否则结束对此可能的发声功率的检测； 步骤三，利用Da，Db，D。，比进行定位，如果能定位成功，获得潜在的位置坐标，继续下面 的检验；否则，结束对此可能的发声功率的检测； 步骤四，验证潜在的位置坐标是否满足初始的接收功率，即验证在一定的精确度限定 下，该潜在的位置坐标是否在以A、B、C、D各个锚节点为球心，以各个锚节点分别到海洋哺 乳动物S的距离为半径的4个球面上；若该潜在的位置坐标满足要求，则比较潜在的位置到 各个球面的距离误差，记录此时的最大差值ε，并暂时保存此可能的发声功率和对应的潜 在位置坐标； 步骤五，检测完发声功率范围内的每一个功率后，可能出现三种情况： 1)只检测到一组可能的发声功率和对应的潜在位置坐标满足条件，即为海洋哺乳动物 的发声功率和海洋哺乳动物位置；2)没有检测到符合条件的可能的发声功率和对应的潜 在位置坐标，可能是由于所采用的利用D a，Db，D。，Dd进行定位的定位方法存在定位盲区，无 法定位；3)多组可能的发声功率和对应的潜在位置坐标满足条件，此时可对海洋哺乳动物 的速度做出估计，判断速度是否符合实际情况，若不符合实际情况，舍去； 如果经验证后，还有多个坐标满足条件，则选取ε值最小的那个。
2. 根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤一中，依据下面的方法计算距离 Da，Db，D。，Dd :设某可能的发声功率为Ps，某个锚节点的接收功率为匕，则该锚节点到海洋哺 乳动物S的距离d可依据下列的两个公式得到 ：
式中，A(d，f)为水声信道中的衰减，包括传播衰减和吸收衰减，单位为dB ;d的单位为 km ;f是海洋哺乳动物发声信号频率，单位为kHz ;k为路径损耗指数，路径损耗指数k反映 了信号传播的几何形状，k=l用于圆柱形传播，k = 2用于球形传播；a (f)由下面的Thorp 公式得到，只与频率f有关：
3. 根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤三中，根据双曲面定位算法，利 用DyDyDyDd进行定位。
4. 根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤四中，设（xa，ya，za)为锚节点A 的坐标，（xs，ys，zs)为潜在的位置坐标，δ为表征所述的一定的精确度限定的判别阈值，有 关锚节点Α的判别条件如下：
同理，对于B、C、D，构造相应的判定条件，并依次得到差值eb、ε。、％值，若构造的四 个判定条件均成立，则暂时保存此可能的发声功率和对应的潜在位置坐标，并记录下此时 的εa、ε b、ε。、ε 中的最大差值ε。
5. 根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤五中，对海洋哺乳动物的速度做 出估计的方法如下：， 设锚节点A、B、C、D接收信号的频率分别为frl、fr2、fr3、f r4 ;用va，vb，ν。，vd分别表示海 洋哺乳动物速度矢量在每个锚节点与海洋哺乳动物连线上的速度矢量分量，其大小分别用 Va，vb，V。，vd表示，则过va矢量终点，且与v a相垂直的平面方程为： X (xs-xa) +y (ys-ya) +z (zs-za) +vaDa = 0 式中，根据多普勒效应，
同理可得另外三个平面方程，联立这四个平面方程可得海洋哺乳动物的速度矢量（X， y，z)和海洋哺乳动物发出的声信号的频率f。
【文档编号】G01S5/06GK104142488SQ201410364564
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】金志刚, 姚贵丹, 苏毅珊 申请人:天津大学