一种适应移动性的水声传感器网络定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声传感器网络的定位算法领域，其特征是能够较好地适应节点固有 的移动性，提高定位精度。本发明的定位方法中，首先通过建立数学模型计算出不同参考节 点集合所产生的定位误差，进而选择定位误差最小的最优参考节点集合，然后建立数学模 型，利用最大化被定位节点在规定时间段内收到所有不同参考节点的参考报文的概率来优 化不同参考节点的参考报文发射时刻，提高定位精度。
【背景技术】
[0002] 水声传感器网络是由具有声学通信与计算能力的传感器节点构成的水下监测网 络系统，其部署在海洋等水下环境，在实现水下环境的污染监控，水下生物样本采集，自然 灾害预防，辅助导航等方面具备广阔的应用前景。在很多实际应用中，数据需要结合其地理 位置信息才具有实际意义，因此定位技术是水声传感器网络的重要基础和支撑技术，对水 声传感器网络的设计和应用至关重要。
[0003] 研究及设计出适合水声传感器网络自身特点的，能量高效、简单精确、可扩展的节 点定位方法是水声传感器网络研究的重点。定位方法好坏的评价准则一般有定位精度（平 均定位误差）、锚节点部署比例、网络平均连接度、网络规模及能量和计算开销等，其中定位 精度是衡量定位方法性能的最重要的评价准则。
[0004] 在定位水声传感器网络的节点位置过程中，选择不同的参考节点集合所产生的定 位误差范围将有所不同。假设每个长度的定位误差范围是相同的，并用一个椭圆表示，则实 际定位误差范围为被定位节点处三个长度的定位误差范围的重叠区域（如图1所示），从图 中可看出由于参考节点选择的不同，1〇1(实例1)中的误差范围要大于1〇2(实例2)。本发 明提出如何选择最适合的参考节点集合，以提高定位精度。
[0005] 由于水声传感器网络中较长的传输距离和传播延迟，被定位节点在等待接收参考 节点的参考报文时所发生的移动会对定位精度造成影响。水声传感器网络中，被定位节点 在接收到第一个参考节点到最后一个参考节点的参考报文时间间隙内，所发生的移动会直 接影响定位精度（如图2所示）。理想情况下，被定位节点希望能够同时接收到所有参考节 点的参考报文以减少节点移动性的影响。本发明提出优化参考节点发送参考报文的发射时 亥IJ，以提高定位精度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的：
[0007] 水声传感器网络中，定位精度是衡量定位方法性能的最重要的评价准则，而节点 固有的移动性会影响定位精度，进而影响定位方法的性能。
[0008] 本发明通过选择适合节点固有移动性的参考节点集合及优化不同参考节点的参 考报文发射时刻来提高水声传感器网络中定位方法的定位精度及性能。
[0009] 本发明的技术方案：
[0010] 水声传感器网络中，对于被定位节点而言，其参考节点集合的选择方案有多种，而 选择不同的参考节点集合所产生的定位误差范围是不同的（如图1所示），且由于水声传感 器节点价格昂贵，水声传感器网络中的节点数目通常不会很多。
[0011] 本发明提出通过遍历所有可能的参考节点集合，比较不同参考节点集合的误差范 围，找到最优参考节点集合的定位方法，并给出了一种数学建模方案，以降低定位误差，提 高定位精度。
[0012] 本发明提出利用最大化被定位节点在规定时间段内收到所有不同参考节点的参 考报文的概率来优化不同参考节点的参考报文发射时刻的方法，并给出了一种数学建模方 案，以降低被定位节点在接收到第一个参考节点的参考报文到最后一个参考节点的参考报 文的时间间隙内，节点固有移动性所产生的影响，提供定位精度。
[0013] 本发明的有益效果：
[0014] 水声传感器网络中，定位精度是衡量定位方法性能的最重要的评价准则，定位精 度的影响因素有多种，如水下节点固有的移动性、参考节点的选择等。
[0015] 1)本发明通过建立数学模型来比较不同参考节点集合的定位误差范围，找到定位 误差范围最小的最优参考节点集合，能够有效地降低定位误差，提高定位方法的定位精度 及性能。
[0016] 2)本发明通过建立数学模型来利用最大化被定位节点在规定时间段内收到所有 不同参考节点的参考报文的概率以优化不同参考节点的参考报文得发射时刻，能够有效地 降低节点固有的移动性的影响，提高定位精度。
【附图说明】
[0017] 图1参考节点集合选择示意图
[0018] 图2发射时刻优化示意图
[0019] 图1中，101为实例1，102为实例2,103表示实例1中的定位误差范围，104表示 实例2中的定位误差范围，105为参考节点图例，106为被定位节点图例。
[0020] 图2中，201为实例1，202为实例2, 203为参考节点图例，204为被定位节点图例。
【具体实施方式】
[0021] 下面给出了一种通过比较不同参考节点集合的定位误差范围大小来确定最优参 考节点集合的数学模型方案以及一种通过最大化被定位节点在规定时间段内收到所有不 同参考节点的参考报文的概率来优化不同参考节点的参考报文的发射时刻的数学模型方 案，用以有效地降低水声传感器网络中节点固有移动性的影响，提高定位精度。
[0022] 本发明不仅限于该数学模型方案，凡是在进行水声传感器网络的定位方法研究 时，利用本发明的定位方法思路，即通过建立定位误差范围的目标函数来选择最优的参考 节点集合或利用目标函数来优化不同参考节点的参考报文发射时刻，均在本发明的保护范 围之内。
[0023] 数学模型方案的【具体实施方式】描述如下：
[0024] a)建立数学模型，计算不同参考节点集合所产生的定位误差范围大小，选择最优 参考节点集合。
[0025] 本方案的定位测量方法以TDOA(Time Difference ofArrival)为例，计算不同参 考节点集合的定位误差大小的CRLB(Cramer_Rao Lower Bound):
[0026] 假设，被定位节点的位置向量为η = [\，yj，参考节点的位置向量为ξη= [Xn， yj，n为参考节点索引。目标函数测量量用表示，Λ?η?表示第1个参考节点的 参考报文与第η个参考节点的参考报文到达被定位节点的时间差，ω η表示测量噪声，则 能够表示为，
[0028] 公式（1-1)可转化为一个向量矩阵形式，如下所示：
[0029]
[0030] 要解决公式（1-2)的非线性估计问题，可采用迭代最小二乘法估计方法，假设基 于在第i次迭代的估计值η \在第i+i次的估计值η1+1可被更新为：
[0031]
[0032] 其中，公式（1-3)中的R是ω的协方差矩阵，J为雅克比矩阵，其为：
[0034] J可以被扩展为：
[0036]
足够数量的迭代以后，均方误差（MSE)矩阵可被求得，如公式（1-6)所示：
[0037] E[(n1-n)T(n1-n)] = (/R'J) 1 (1-6)
[0038] 假设每次定位需要r参考节点，而共需要s个节点可作为参考节点（若定位空间 为η维，则需要n+1个参考节点）
对于每一种组合，计算每个被定位节 点定位误差的MSE并求得均值，均值最小的组合将被选择作为参考节点集合。
[0039] b)建立数学模型，通过最大化被定位节点在规定时间段内的收到所有不同参考节 点的参考报文的概率来优化不同参考节点的参考报文得发射时刻。
[0040] 假设确定被定位节点的位置需3个参考节点，且从3个参考节点到所有节点的距 离，参考报文传输所需的时间为：
[0042] 假设3个参考节点的参考报文传输时间点为T= [tp t2, t3]，则3个参考节点的 参考报文在每个节点上的到达时间为：
[0044] 定义二进制变量Θ i为：
[0045]
[0046] 因此不同参考报文的发射时刻优化问题的目标为最大化Θ问题
[0048] 假设用λ表示3个参考报文到达被定位节点的时间差，则能够得到公式（1-10) 如下所示：
[0050] 由于传输时间必须为正值，则从公式（1-9)、公式（1-10)能够得到下述两个约束 条件，如公式（1-11)及公式（1-12):
[0053] 其中公式（1-12)中的Μ为大正整数，对于公式（1-9)、公式（1-10)、公式（1-11) 及公式（1-12)可理解为：如果在时间段δ内没有收到所有的参考报文，则λ大于δ
将是一个小正数
，因此要约束公式（1-11)及公式（1-12)成立，Θ必须是〇， 这与Θ定义为0的条件符合。
[0054] 同样，如果在时间段δ内收到了所有参考消息， 此要使约束公式（ι-ll)及公式（1-12)成立，Θ可以是〇或1，而由于是做最大化处理，则 θ倾向于1，也与θ定义为1的条件符合，因此证明约束公式（1-11)及公式（1-12)是正 确并有意义的，因此可以作为约束条件。
[0055] 通过上述方法可将其优化问题转化为线性优化问题，可用标准线性优化算法如 Branch-and-Cut来求解。该优化问题确定了每个参考消息的传输时刻，并减少了在传输过 程中移动性的影响，能够有效地提高定位精度。
【主权项】
1. 一种适应移动性的水声传感器网络定位方法，其特征在于：提出利用最大化被定位 节点在规定时间段内收到所有不同参考节点的参考报文的概率来优化不同参考节点的参 考报文发射时刻的方法，其能够较好地适应节点固有的移动性，提高定位精度。2. 如权利要求1所述的适应移动性的水声传感器网络定位方法，本发明提出通过计算 不同参考节点集合所产生的定位误差，选择定位误差最小的最优参考节点集合的方法，其 能够较好地适应节点固有的移动性，提高定位精度。3. 如权利要求1所述的适应移动性的水声传感器网络定位方法，本发明给出了一种优 化不同参考节点的参考报文发射时刻的数学建模方案，通过该数学建模方案能够获取到不 同参考节点的参考报文发射时刻，减少节点固有移动性的影响，提高定位精度。4. 如权利要求2所述的适应移动性的水声传感网络定位方法，本发明给出了一种通过 计算不同参考节点集合所产生的定位误差，选择最优参考节点集合的数学建模方案，通过 该数学建模方案能够获取到最优参考节点集合，提高定位精度。
【专利摘要】本发明公开了一种适应移动性的水声传感器网络定位方法。本发明属于水声传感器网络的定位算法领域，其特征是能够较好地适应节点固有的移动性，提高定位精度。本发明的定位方法中，首先通过建立数学模型计算出不同参考节点集合所产生的定位误差，进而选择定位误差最小的最优参考节点集合，然后建立数学模型，利用最大化被定位节点在规定时间段内收到所有不同参考节点的参考报文的概率来优化不同参考节点的参考报文发射时刻，提高定位精度。
【IPC分类】G01S5/18
【公开号】CN105572636
【申请号】CN201410553083
【发明人】刘军, 韩计海
【申请人】宁波中国科学院信息技术应用研究院, 宁波中科集成电路设计中心有限公司
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2014年10月10日