本发明属于水下源节点技术领域，特别涉及一种水下源节点定位方法。
背景技术：
水下定位技术作为一种关键技术在海洋相关的科学研究、海洋工程、以及军事活动等相关的领域中有着广泛的应用。随着科学技术的发展，在陆地上我们能够通过全球卫星定位系统(gps)以及雷达等来获得目标的位置信息。gps和雷达定位所使用的信号载体为电磁波，电磁波在空气中具有良好的传播特性，但是电磁波在水中传播时具有非常高的吸收损耗率，使得电磁波在水中只能传播很短的距离。因此，在水下我们无法直接利用gps和雷达等来对目标进行定位。与电磁波相比较，声波在水中具有更好的传播特性，其在水中传播衰减要小很多，20khz的声波在水中的传输衰减仅有2db/km～3db/km，传播的距离也更加远。声波在水中优良的传播特性，使其成为了水声信道中重要的信号载体。即便是这样，跟陆地上的无线信道相比，水声信道中的多径效应、多普勒频移以及信号的衰减等要显得更加的严重，并且水声信道中可用的带宽资源也要少得多。这些因素，使得对水下目标的精确定位变得十分的困难。目前典型的定位算法主要有四种:基于信号到达时间(timeofarrival,toa)、信号到达时间差(timedifferenceofarrival,tdoa)、基于信号角度(angleofarrival,aoa)和信号接收强度(receivedsignalstrengthindicator，rss)的方法。水声信道中存在多径效应，在关于水下定位问题的相关研究中，多径信号通常被认为是一种干扰。绝大多数的水下定位技术只考虑直达信号来对目标进行定位。例如传统的toa、tdoa以及doa等定位方法通常只考虑直达径信号，在这种情况下需要利用多个接收节点才能实现对目标的定位。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种水下源节点定位方法。本发明通过利用多径信号，能够只利用单个接收节点实现对水下目标的定位。
本发明可以通过以下技术方案实现：
一种水下源节点定位方法，具体包括以下步骤：
(1)放置分布式水下接收节点，源节点发送脉冲信号，接收节点接收源节点发送的脉冲信号；
(2)对各接收节点信号进行处理；
(3)根据各接收节点收到的多径信号，对源节点的位置进行参数估计，具体为：
(3-1)计算各径路径长度；
(3-2)计算各径与直达路径的时延差；
(3-3)计算每个接收节点收到的信号；
(3-4)根据步骤(3-1)、(3-2)和(3-3)得到的参数来构造匹配函数，根据匹配函数得到的值作为网格搜索匹配的初始化值并进行网格搜索匹配，当网格搜索匹配得到的坐标对应的匹配函数值大于初始化值，则将当前坐标的匹配函数值设定为新的初始化值，重复网格搜索匹配步骤，直至得到最大的匹配函数值，最大的匹配函数值对应的坐标即为源节点位置。
进一步地，所述步骤(1)中，源节点发送的脉冲信号为s(t)，且源节点发送的信号满足：
∫t|s(t)|2＝1
其中，t表示信号观测时间的长度。脉冲信号满足以上条件则该脉冲为有限长冲激函数，有利于在步骤(2)中接收端对各路径信号更好的进行的处理。
进一步地，所述步骤(2)中，对各接收节点信号进行处理，对单个节点中的各径信号进行区分，各径信号满足：
其中，s(t)表示源节点发送的脉冲信号，s*(t)表示源节点发射的脉冲信号的共轭信号，k,k'分别表示第k条和第k'条路径，δτk表示第k条路径与直达路径的时延差；
所述多径信号，即从相同的发射端发出，经过不同的传播路径到达同一个接受端的信号。根据射线跟踪的原理，多径信号可以看作是源节点的镜像发出的到接收节点的直达信号。设待估计源节点的位置坐标为s＝(xs,ys)，在多径反射界面地理信息已知的条件下，镜像节点和源节点的坐标存在一一对应的几何转换关系，为方便问题的描述，这里用xk＝(fk(x),gk(y))，k＝1,2,…,m，来表示源节点的镜像的位置坐标，其中(fk(x),gk(y))表示镜像节点和源节点的位置坐标的几何转换关系。用r＝(xr,yr)表示接收节点的位置坐标。
进一步地，所述步骤(3-1)中，假设源节点位置为s(xs,ys)，则各路径长的计算公式如下：
其中，x表示接收节点r(xr,yr)的横坐标xr，y表示接收节点r(xr,yr)的纵坐标yr；r0表示直达路径长，r1、r2分别表示经过一次海面和海底折射的路径长，r3、r4分别表示经过两次海面和海底折射的路径长，h表示海底到海面的深度。
进一步地，根据步骤(3-1)中的各径路径长计算公式，则所述步骤(3-2)中，第k条路径与直达路径的时延差的计算公式具体为：
[δr1,δr2,δr3,δr4]＝[r1-r0,r2-r0,r3-r0,r4-r0]
其中，c表示水中的声速，δrk表示第k条折射路径和直达路径的距离差。
进一步地，所述步骤(3-3)中，各接收节点处接收信号的模型具体为：
其中，r(t)表示接收节点接收的信号，k表示第k条传播路径，m表示路径信号的总数，αk表示各径信号的幅度损失系数，
进一步地，声波在海水中总的传播损耗，计算公式为：
a(l,f)＝α(f)(l-lr)+p×10log(l-lr)
其中，a(l,f)为声波在海水中总的传播消耗，f表示声波的频率，l表示信号的传播距离，lr表示参考距离，p表示扩展损失系数，其值通常在1到2之间。a(f)表示吸收损失系数，a(f)通过以下经验公式得到：
因此，通过计算声波在海水中总的传播损耗，能够得到接收节点处接收信号模型中的信号幅度损失系数，从而计算出每个接收节点收到的信号。
进一步地，所述步骤(3-4)中，根据给定的初始化值，对每一个网格点进行匹配计算，得到一个对应的
其中，
进一步地，根据匹配函数得到的值作为网格搜索匹配的初始化值并进行网格搜索匹配，当网格搜索匹配得到的坐标对应的匹配函数值大于初始化值，则将当前坐标的匹配函数值设定为新的初始化值，重复网格搜索匹配步骤，直至得到最大的匹配函数值，最大的匹配函数值对应的坐标即为源节点位置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明的发射信号采用有限长脉冲信号，解决了在水下信道复杂的情况下，接收节点无法正确区分多径信号的问题。
2.本发明利用了信号传播的多径效应，在使用相同的接收节点的条件下，具有更精确的定位效果。在实际情况中接收节点受限制的情况下，相比传统的定位方式所需要的接收节点更少。提高了便利性。
3.本发明利用了信号传播的多径效应，解决了当接收节点处收到的信号产生混叠的时候，定位性能急剧下降的问题，达到了提高定位精度的效果。
附图说明
图1为本实施例的流程图；
图2为本实施例中的潜水多径信道模型的示意图；
图3为本实施例中的节点位置分布图；
图4为本实施例的定位仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为本实施例的具体的流程图。一种水下源节点定位方法，具体步骤如图1所示，包括：
(1)放置分布式水下接收节点，源节点发送脉冲信号，接收节点接收源节点发送的脉冲信号；
在本实施例中，先放置分布式水下接收节点，源节点发送脉冲信号s(t)，且源节点发送的脉冲信号满足
∫t|s(t)|2＝1
其中，t表示信号观测时间的长度。
优选的，在本实施例中，为了简化后续的过程，做出如下假设：
1、水中的声速c是恒定已知的。
2、多径信号由海底、海面的发射产生。
3、各接收节点处的噪声w(t)为独立同分布的零均值复高斯白噪声，并且满足：
其中，
(2)对各接收节点信号进行处理；
进一步地，单个节点各径信号可以区分，即各径信号满足：
其中，s(t)表示源节点发送的脉冲信号，s*(t)表示源节点发射的脉冲信号的共轭信号，k,k'分别表示第k条和第k'条路径，δτk表示第k条路径与直达路径的时延差。
(3)根据各接收节点收到的多径信号，对源节点的位置进行参数估计，具体为：
根据射线跟踪的原理，多径信号可以看作是源节点的镜像发出的到接收节点的直达信号。设待估计源节点的位置坐标为s(x,y)，在多径反射界面地理信息已知的条件下，镜像节点和源节点的坐标存在一一对应的几何转换关系，这里用xk＝(fk(x),gk(y))，k＝1,2,…,m，来表示源节点的镜像的位置坐标，其中(fk(x),gk(y))表示镜像节点和源节点的位置坐标的几何转换关系。用r＝(xr,yr)表示接收节点的位置坐标。
如图2所示为本实施例中的潜水多径信道模型的示意图。设源节点坐标为s(x,y)，接收节点坐标为rj＝(xj,-yj)，经过海底翻转的镜像节点1坐标则为rj1＝(xj,-yj)，经过海面翻转的镜像节点2坐标为rj2＝(xj,2h-yj)，经过海面二次翻转的镜像节点3坐标为rj3＝(xj,2h+yj)，经过海底二次翻转的镜像节点4坐标为rj4＝(xj,-2h+yj)。其中，h表示海底到海面的深度。
根据上述射线跟踪原理，得到的源节点与各接收节点的位置分布如图3所示，其中，三角形为发射节点，圆形为接收节点。
(3-1)计算各径路径长度；
假设源节点的位置为s(xs,ys)，则每一条路径长度表示为：
其中x表示接收节点r(xr,yr)的横坐标xr，y表示接收节点r(xr,yr)的纵坐标yr，r0表示直达路径长，r1、r2分别表示经过一次海面和海底折射的路径长，r3、r4分别表示经过两次海面和海底折射的路径长。
(3-2)计算各径与直达路径的时延差；
在本实施例中，水中的声速c恒定已知，因此，当水声信道中的声速c为一恒定值时，时延差的计算方式如下：
[δr1,δr2,δr3,δr4]＝[r1-r0,r2-r0,r3-r0,r4-r0]
其中，δrk表示第k条折射路径与直达路径的距离差。
(3-3)计算每个接收节点收到的信号；
声波在海水中总的传播损耗计算方式如下：
a(l,f)＝α(f)(l-lr)+p×10log(l-lr)
其中，a(l,f)为声波在海水中总的传播消耗，f表示声波信号的频率，l表示信号的传播距离，lr表示参考距离。p为扩展损失系数，其值通常在1到2之间。a(f)表示吸收损失系数，a(f)根据下述所示的经验公式得到：
进一步地，各接收节点处接收信号的模型表示为：
其中，r(t)为接收节点收到的信号，k表示第k条传播路径，m表示一共有m条路径，αk为各径信号的幅度损失系数，
因此，根据声波在海水中总的传播损耗，得到各接收节点处接收信号模型中的信号幅度损失系数，从而计算得到每个接收节点收到的信号。
(3-4)网格搜索匹配，得到源节点位置。
给定坐标的约束条件，即给出一个匹配函数的初始化值，对于每一个给定的坐标，可以计算出一个对应的
根据匹配函数得到的值作为网格搜索匹配的初始化值并进行网格搜索匹配，当网格搜索匹配得到的坐标对应的匹配函数值大于初始化值，则将当前坐标的匹配函数值设定为新的初始化值，重复网格搜索匹配步骤，直至得到最大的匹配函数值，最大的匹配函数值对应的坐标即为源节点位置。在本实施例中，对于本发明得到的定位仿真结果图如图4所示,从图中可以看出，利用本发明的定位方法，可以准确的定位源节点的位置，具有更精确的定位效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。