一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，属于水下无线传感器网络技术领域。1)AUV逐层移动，每隔相同时间广播发送信标信号，未知节点根据收到AUV发射信号的顺序，对其信号进行编码。2)未知节点收到的相邻路径上的信号覆盖范围的几何模型相交产生最内相交体，估计最内相交体的质心作为自身位置。本发明是一种三维分布式的定位方法，通过计算最内相交体的质心，来确定未知节点的位置。实验证明本发明有较高的节点定位准确率和节点定位覆盖率。
【专利说明】
一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法
技术领域
[0001] 本发明属于水下传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于移动信标的分布式水下 网络定位方法。
【背景技术】
[0002] 随着海洋资源的开发和利用成为世界各国关注的焦点，水下传感器网络也成为各 个国家的研究热点，并在环境监测、灾难预报、资源开发等各个方面得到应用。二十世纪末， 美国开展的Seaweb年度实验，对水下传感器网络的概念进行了论证并探究了它的实际应用 价值。如今已经有越来越多的学校和研究所加入研究，如:美国计算机学会、麻省理工学院、 康涅狄格州大学、伍兹霍尔海洋研究所(WH0I)、佐治亚理工学院和新加坡国立大学等。"十 一五"期间我国863中的海洋技术主题和国家自然科学基金都支持了许多这方面技术。同陆 上传感器网络一样，定位方法是水下传感器网络的重要研究内容之一，其目的是利用已知 节点的位置来获得未知节点的位置。目前陆上传感器网络的定位方法已经得到了很大的发 展。但是，由于水下的通信环境具有信道带宽低、数据传输率低、高衰减、高延迟、高误码率、 能量消耗大及拓扑结构动态变化等特点，与陆地环境存在很大的区别，大部分陆上无线传 感器网络定位方法不适合水下无线传感器网络。因此，针对水下传感器网络设计高效的定 位方法对于推动水下传感器网络的发展具有重大意义。
[0003] 针对水下无线传感器网络可靠性差、能量利用率低等特点，很多研究者在水下传 感器网络定位方法方面已取得一定的成果。Zhong Zhou等提出的大规模定位法(Efficient localization for large-scale underwater sensor networks，LSL)是一种静态水环境 中的分布式分层定位机制，锚节点通过浮标节点定位自身坐标后周期发送自身坐标为未知 节点定位，算法最大的缺陷在于能耗过高，通信开销过大，并且需要时间同步。
[0004] Melike Erol等提出的水下自主航行器辅助定位法(AUV-Aided Localization for Underwater Sensor Networks，AAL)利用水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在水下航行来定位未知节点，AUV周期的浮出水面获取GPS坐标然后在水下通 过船位推算法追踪自身位置并广播唤醒消息，未知节点收到消息后通过双向T0A(Time Of Arrival)测距算法获取距离。AUV的移动会导致其位置不停的改变，在未知节点获取多个与 AUV发射不同信号坐标相对应的距离后，节点即可定位。该算法使用双向Τ0Α测距避免了时 间同步，但是通信开销较高并且定位延迟较大。
[0005] Han j iang Luo等人提出 了信标方向角（Local izat ion wi th Direct ional Beacons，LDB)定位算法，该算法是一种分布式三维定位算法，采用了AUV作为移动锚节点来 帮助未知节点定位，这样可以有效克服未知节点失效问题，但是当AUV发射信号的间隔变大 时，节点覆盖率迅速降低，平均定位误差迅速变大。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种节点定位覆盖率高，平均定位误差小的吧，基于移动信 标的分布式水下网络定位方法。
[0007] 一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，包括以下步骤，
[0008] 步骤一 :AUV获得指令后下潜到指定深度，在此深度平面上沿既定路径移动，每隔 相同时间间隔广播发送信标信号，信号中包含AUV的位置信息，信号覆盖范围的形状是下半 球状；当AUV的移动轨迹覆盖了此层水域后，它上升到水面校正自身的位置，然后再次下潜 到另一指定深度，继续发送信标信号；
[0009]步骤二:未知节点根据收到AUV发射信号的顺序，对信号覆盖区域的几何模型进行 编码；当收到第一条路径上的信号时，将其编码为Tn，T12......Tln，当收到第二条路径上的 信号时，编码为T21、Τ22......Τ2η，当收到第η条路径上的信号时，编码为Τ η1、Τη2......Τηη；
[0010] 步骤三:在规定时间内，未知节点选择每条路径上能够收到的第一个信号和最后 一个信号，这些信号的覆盖区域的几何模型相交，产生的公共部分，为最内相交体;如果未 知节点利用两个信号定位，则计算这两个信号覆盖区域的几何模型组成的最内相交体的质 心，作为自身位置;如果未知节点利用三个信号定位，则计算这三个信号覆盖区域的几何模 型组成的最内相交体的质心，作为自身位置;如果未知节点利用四个信号定位，则计算这四 个信号覆盖区域的几何模型组成的最内相交体的质心，作为自身位置;如果未知节点没收 到信号或只收到一个信号，则不执行定位计算过程。
[0011] 本发明一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，还可以包括：
[0012] 1、未知节点利用两个信号定位，这两个信号覆盖区域的几何模型组成的最内相交 体为：
[0014]其中（111，711，211)和(乂111，7111，21 11)是未知节点收到的第一个和最后一个信标信号 的球心坐标，R是信号的半径；
[0015]联立两个半球上表面的方程，得到方程组I:
[0017]如果方程组I只有一个解，则这两个信标信号的位置相切，切点就是未知节点间的 位置；
[0018] 如果方程组I有两个解
个解是最内相交体的上顶点坐标；
[0019] 最内相交体最低点坐标到球心所在球面的垂直距离为：
[0022] 根据最内相交体顶点计算得到未知节点的位置。
[0023] 2、未知节点利用三个信号定位，（Xll，yil，Zll)、（Xln，yin，Zln)和（X21，y21，Z21)是未知 节点用于定位的信标信号的球心坐标，R是信号的半径;根据球心坐标与半径的关系，判断 是否有两个信号的位置相切，如果有，则切点就是未知节点的位置；
[0024]如果没有，最内相交体为：
[0026] 建立方程组II:
[0028]如果方程组II只有一组解，三个信标信号相交于一点，这个解就是未知节点的位 置；
[0029] 如果方程组II无解，三个信标信号两两相交，根据形成的最内相交体的质心估计 未知节点的位置;利用方程组II，计算得到最内相交体的三个上顶点坐标然后联 立方程组II的前三个方程，得到两个交点，由于信标信号是下半球形状，保留Z轴坐标较小 的解，这个解就是最内相交体的下顶点；此时，计算出三个信标信号相交时，产生的最内相 交体的四个顶点坐标;根据最内相交体顶点计算得到未知节点的位置。
[0030] 3、未知节点利用四个信号定位，（111，711，211)、（义111，71 11，2111)、（121，721，221)和(叉211， y2n，Z2n)是未知节点用于定位的信标信号的球心坐标，R是信号的半径，根据球心坐标与半 径的关系，判断是否有两个信号的位置相切，如果有，则切点就是未知节点的位置；
[0031] 如果没有，最内相交体为：
[0033]三个信标信号Tn、T12和T21覆盖区域的几何模型相交产生最内相交体ωι， ωι的三 个上顶点是A!，Α2，和Α3;如果A!，Α3，和Α3都在第四个信号Τ 2η内，利用ω :的质心作为未知节点 的位置;如果Ai，A2,和A3中有两个在第四个信号T 2n内，则用这四个信标信号产生的最内相交 体的质心作为未知节点的位置，
[0034] 建立方程组III:
[0036] 计算出最内相交体的四个上顶点坐标，，Β2，Β3和Β4;
[0037] 再联立方程组III的前四个方程，得到两组解，保留Ζ轴坐标较小的解，这个解的值 就是最内相交体的下顶点坐标;至此，计算得出四个信标信号相交产生最内相交体的五个 顶点坐标;最后，根据最内相交体顶点计算得到未知节点的位置；
[0038] 如果Al，A2,和A3中只有一个在第四个信号T2n内，贝IJ用Tl2、T21和T2n产生的最内相交 体的质心作为未知节点的位置。
[0039] 4、根据最内相交体顶点计算得到未知节点的位置为：
[0041 ]其中xi、y i、z i分别是最内相交体顶点的X轴坐标，Υ轴坐标，Ζ轴坐标;Ν是顶点个数。 [0042] 有益效果：
[0043] 通过AUV按既定路径移动，逐层地对未知节点进行三维定位。定位过程是分布式 的，增强了定位的实时性;定位方法减少了能量消耗;通过分类计算未知节点的位置，提高 了定位准确率和定位覆盖率。
【附图说明】
[0044] 图1是本发明过程的流程图。
[0045] 图2是本发明的AUV移动路径策略的示意图。
[0046] 图3是本发明的未知节点收到AUV在一条水平路径移动发射信号的示意图。
[0047] 图4是本发明的信标信号构成最内相交体的示意图。图4(a)两个信标信号组成最 内相交体示意图，图4(b)三个信标信号组成最内相交体示意图，图4(c)四个信标信号组成 最内相交体示意图。
[0048] 图5是本发明的未知节点用两个信标信号定位的平面示意图。图5(a)信标信号相 切的平面示意图，图5(b)信标信号相交的平面示意图。
[0049]图6是本发明的未知节点用三个信标信号定位的平面示意图。图6(a)三个信标信 号中有两个相切平面示意图，图6(b)三个信标信号相交于一点平面示意图，图6(c)三个信 标信号两两相交平面示意图。
[0050] 图7是本发明的未知节点用四个信标信号定位的平面示意图。图7(a)三个信标信 号中有两个相切的示意图，图7(b)三个信号的三个交点在第四个信号内的平面示意图，图7 (c)三个信号的两个交点在第四个信号内的平面示意图，图7(d)三个信号的一个交点在第 四个信号内的平面示意图。
【具体实施方式】
[0051] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0052] 本发明的目的在于提供一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，该方法是 一种三维水下定位方法;无需时间同步；当AUV发射信号时间间隔增大时，节点定位覆盖率 高，平均定位误差小;不需要信标节点的部署，减少了通信开销。
[0053] 图1是本发明的流程图，结合附图，本发明的具体过程是这样实现的：
[0054] (1 )AUV获得指令后下潜到指定深度，在此深度平面上沿既定路径移动，每隔相同 时间间隔广播发送信标信号，信号中包含AUV的位置信息，信号所能覆盖范围的形状是下半 球状。
[0055] 当AUV的移动轨迹覆盖了此层水域后，它可上升到水面校正自身的位置，然后再次 下潜到另一指定深度，继续发送信标信号。
[0056] (2)未知节点根据收到AUV发射信号的顺序，对信号覆盖区域的几何模型进行编 码。当收到第一条路径上的信号时，将其编码Tn，T12......Tln，当收到第二条路径上的信号 时，编码为T21、Τ22......Τ2η，当收到第η条路径上的信号时，编码为Τ η1、Τη2......Τηη
[0057] (3)在规定时间内，未知节点选择每条路径上能够收到的第一个信号和最后一个 信号，这些信号的覆盖区域的几何模型相交，产生的公共部分，叫做最内相交体(Innermost Intersection Body，IIB)。如果未知节点利用两个信号定位，则计算这两个信号覆盖区域 的几何模型组成的最内相交体的质心，作为自身位置;如果未知节点利用三个信号定位，则 计算这三个信号覆盖区域的几何模型组成的最内相交体的质心，作为自身位置;如果未知 节点利用四个信号定位，则计算这四个信号覆盖区域的几何模型组成的最内相交体的质 心，作为自身位置;如果未知节点没收到信号或只收到一个信号，则不执行定位计算过程。
[0058] 下面结合附图详细描述本发明提出的基于移动信标的水下传感器网络定位方法：
[0059] (l)AUV 移动过程：
[0060] AUV在水面上接收GPS信号获取自身坐标，在监测区域内沿特定轨迹移动，并每隔 相同时间间隔向未知节点广播发射含有自身坐标的信号。AUV的移动轨迹覆盖一层水域后， 上升到水面矫正自身坐标，同时可以完成蓄电工作，然后再次下潜至设定好的深度继续发 射信号。图2描述了上述应用的具体情况。
[0061] (2)信标信号编号：
[0062] 未知节点监听AUV发射的信号，收到信号则认为它在AUV发射的信号覆盖范围内。
[0063] 当某未知节点收到第一条路径上的信号时，将其编码Tn，T12......Tln，图3是上述 应用的示意图。未知节点收到第二条路径上的信号时，对信号编码为Τ21、Τ22......Τ 2η，类似 地，对收到的第η条路径上的信号编码为Τη1、Τη2......Τηη。同一条移动路径上，在规定时间 内，如果未知节点不能收到其他信号，则它记录此条路径上收到的第一个和最后一个信号， 即 Τη 和 Tln，T21 和 Τ2η......WPTnn。
[0064] (3)计算未知节点的位置：
[0065] 经过步骤(2)后，可以确定用于定位的信标信号，信号覆盖范围的几何模型相交会 产生最内相交体，具体分成以下三类进行计算。
[0066] ①当未知节点用两个信标信号定位时，如图4(a)所示，用不等式方程组（1)表示最 内相交体，（111，711，211)和(11 11，7111，2111)是未知节点收到的第一个和最后一个信标信号的球 心坐标，R是信号的半径。
[0068] 联立两个半球上表面的方程，
[0070]如果方程组(2)只有一个解，则这两个信标信号的位置相切，如图5(a)所示，切点 就是未知节点间的位置。如果方程组（2)有两个解，则这两个信标信号相交产生最内相交 体，用最内相交体的质心作为未知节点的位置，平面示意图如图5(b)所示。计算得到方程组 (2)的两组解：
是最内相交体的上顶点坐标。用公式(3)可以计算出最内相交体最低点坐标到球心所在球 面的垂直距离，
[0072]则最内相交体的最低点坐标是
3利用公式 (4)计算最内相交体的质心，Xi、yi、Zi分别是最内相交体顶点的X轴坐标，Y轴坐标和Z轴坐 标。N是顶点个数。
[0074] 该质心坐标就是未知节点的位置坐标。
[0075] ②当未知节点用三个信标信号定位时，（xii，yii，zn)、（xin，yi n，zinWP(X2i，y2i，Z2i) 是未知节点用于定位的信标信号的球心坐标，R是信号的半径。根据球心坐标与半径的关 系，判断是否有两个信号的位置相切，如果有，则切点就是未知节点的位置，如图6(a)所示； 如果没有，则用不等式方程组(5)表示相交部分，如图4(b)所示，
[0077]联立相关方程，
[0079]如果方程组(6)只有一组解，说明三个信标信号相交于一点，平面示意图如图6(b) 所示，且这个解就是未知节点的位置。如果方程组(6)无解，说明三个信标信号两两相交，平 面示意图入图6(c)所示，则根据形成的最内相交体的质心估计未知节点的位置。利用方程 组(6)，计算得到最内相交体的三个上顶点坐标然后联立方程组(6)的前三个方 程，得到两个交点，由于信标信号是下半球形状，所以保留Z轴坐标较小的解，这个解就是最 内相交体的下顶点。此时，计算出三个信标信号相交时，产生的最内相交体的四个顶点坐 标。再利用(4)计算得到未知节点的位置。
[0080] ③当未知节点利用四个信标信号进行定位时，（Xll，yil，Zll)、（Xln，yin，Zln)、（X21， y21，Z21)和(X2n，y2n，Z2n)是未知节点用于定位的信标信号的球心坐标，R是信号的半径。根据 球心坐标与半径的关系，判断是否有两个信号的位置相切，如果有，则切点就是未知节点的 位置，如图7 (a)所示;如果没有，用不等式方程组(7)表示最内相交体，
[0082]假设其中三个信标信号Tn、T12和T21覆盖区域的几何模型相交产生最内相交体 ω i，ω :的三个上顶点是A!，A2，和A3。如果A!，A2，和A3都在第四个信号T 2n内，平面示意图如图 7 (b)所示，则利用ω :的质心作为未知节点的位置。如果Αι，Α2，和Α3中有两个在第四个信号 Τ2η内，平面示意图如图7(c)所示，则用这四个信标信号产生的最内相交体的质心作为未知 节点的位置，最内相交体的示意图如图4(c)所示。
[0083]利用方程组(8)，计算出最内相交体的四个上顶点坐标，，Β2，Β3和Β4，
[0085]再联立方程组(8)的前四个方程，得到两组解，保留Ζ轴坐标较小的解，这个解的值 就是最内相交体的下顶点坐标。至此，计算得出四个信标信号相交产生最内相交体的五个 顶点坐标。最后，根据(4)计算出未知节点的位置。
[0086] 如果Αι，Α2，和A3中只有一个在第四个信号Τ2η内，平面不意图如图7(d)所不，贝1J用 T12、T21和T2n产生的最内相交体的质心作为未知节点的位置。
[0087] 本发明公开了一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，属于水下无线传感 器网络技术领域。其特征在于:所述方法是在水下传感器网络中按以下步骤实现：1)AUV逐 层移动，每隔相同时间广播发送信标信号，未知节点根据收到AUV发射信号的顺序，对其信 号进行编码。2)未知节点收到的相邻路径上的信号覆盖范围的几何模型相交产生最内相交 体，估计最内相交体的质心作为自身位置。本发明是一种三维分布式的定位方法，通过计算 最内相交体的质心，来确定未知节点的位置。实验证明该方法有较高的节点定位准确率和 节点定位覆盖率。
[0088] -种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，包括以下步骤：
[0089] (1)信号模型编码：
[0090] AUV获得自身位置指令后下潜到指定深度，沿既定路径移动，每隔相同时间段广播 发送自己的位置信息。当AUV的移动轨迹覆盖了此层监测水域后，它上升到水面校正自身的 位置，并完成蓄电工作，然后再次下降到另一指定深度，继续移动。
[0091]未知节点根据收到AUV发射信号的顺序，对信号模型进行编码:收到第一条路径上 的信号时，将其编码为Tn，T12......Tln，收到第二条路径上的信号时，对信号编码为Τ 21、 Τ22......Τ2η，收到的第η条路径上的信号编码为Τη1、Τη2......Τ ηη同一条移动路径上，在规 定时间内，当未知节点不能收到其他信号时，记录收到的第一个和最后一个信号。
[0092] (2)计算未知节点的位置:未知节点收到的信号覆盖范围的几何模型相交产生最 内相交体。根据未知节点用于定位的信号个数对定位过程进行分类，分别计算出未知节点 的位置。
[0093]本发明提出的基于移动信标的分布式水下网络定位方法是一种真正意义上的三 维水下定位方法，AUV分层移动，逐层发射信号，通过分析信标信号相交的情况计算出未知 节点的位置。AUV分层移动的设计可以节省能量消耗，通过计算最内相交体估计未知节点的 位置，提高了定位精度和节点覆盖率。本方法是分布式的定位方法，未知节点自己进行定 位，不仅减少了 AUV的计算量，也使定位具有实时性。
【主权项】
1. 一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤一 :AUV获得指令后下潜到指定深度，在此深度平面上沿既定路径移动，每隔相同 时间间隔广播发送信标信号，信号中包含AUV的位置信息，信号覆盖范围的形状是下半球 状；当AUV的移动轨迹覆盖了此层水域后，它上升到水面校正自身的位置，然后再次下潜到 另一指定深度，继续发送信标信号； 步骤二：未知节点根据收到AUV发射信号的顺序，对信号覆盖区域的几何模型进行编 码；当收到第一条路径上的信号时，将其编码为Tn，T12......Tln，当收到第二条路径上的信 号时，编码为T21、T22......T2n，当收到第η条路径上的信号时，编码为T nl、Tn2......Τηη； 步骤三:在规定时间内，未知节点选择每条路径上能够收到的第一个信号和最后一个 信号，这些信号的覆盖区域的几何模型相交，产生的公共部分，为最内相交体;如果未知节 点利用两个信号定位，则计算这两个信号覆盖区域的几何模型组成的最内相交体的质心， 作为自身位置;如果未知节点利用三个信号定位，则计算这三个信号覆盖区域的几何模型 组成的最内相交体的质心，作为自身位置;如果未知节点利用四个信号定位，则计算这四个 信号覆盖区域的几何模型组成的最内相交体的质心，作为自身位置;如果未知节点没收到 信号或只收到一个信号，则不执行定位计算过程。2. 根据权利要求1所述的一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，其特征在于： 未知节点利用两个信号定位，这两个信号覆盖区域的几何模型组成的最内相交体为：其中（XII，yil，Zll )和(Xln，yin，Zln)是未知节点收到的第一个和最后一个信标信号的球 心坐标，R是信号的半径； 联立两个半球上表面的方程，得到方程组I :如果方程组I只有一个解，则这两个信标信号的位置相切，切点就是未知节点间的位 置；如果方程组I有两个解： 这两个解是最内相交体的上顶点坐标； 最内相交体最低点坐标到球心所在球面的垂直距离为：根据最内相交体顶点计算得到未知节点的位置。3. 根据权利要求1所述的一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，其特征在于： 未知节点利用三个信号定位，（乂11，711，2：11)、（11 11，7111，2111)和(121，721，221)是未知节点用于定 位的信标信号的球心坐标，R是信号的半径;根据球心坐标与半径的关系，判断是否有两个 信号的位置相切，如果有，则切点就是未知节点的位置； 如果没有，最内相交体为：如果方程组II只有一组解，三个信标信号相交于一点，这个解就是未知节点的位置； 如果方程组II无解，三个信标信号两两相交，根据形成的最内相交体的质心估计未知 节点的位置;利用方程组II，计算得到最内相交体的三个上顶点坐标AhAdPA3;然后联立方 程组II的前三个方程，得到两个交点，由于信标信号是下半球形状，保留Z轴坐标较小的解， 这个解就是最内相交体的下顶点;此时，计算出三个信标信号相交时，产生的最内相交体的 四个顶点坐标;根据最内相交体顶点计算得到未知节点的位置。4.根据权利要求1所述的一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，其特征在于： 未知节点利用四个信号定位，（Xll，yil，Zll)、（Xln，yin，Zln)、（121，721，221)和(义211，7211，2211)是未 知节点用于定位的信标信号的球心坐标，R是信号的半径，根据球心坐标与半径的关系，判 断是否有两个信号的位置相切，如果有，则切点就是未知节点的位置； 如果没有，最内相交体为：三个信标信号Tn、T12和T21覆盖区域的几何模型相交产生最内相交体ω ^ 〇^的三个上 顶点是Al，Α2，和A3;如果Al，Α2，和A3都在第四个信号Τ2η内，利用ω i的质心作为未知节点的位 置;如果A^A2,和A3中有两个在第四个信号T 2n内，则用这四个信标信号产生的最内相交体的 质心作为未知节点的位置， 建立方程组III:计算出最内相交体的四个上顶点坐标，Bi，B2，B3和B4; 再联立方程组III的前四个方程，得到两组解，保留Z轴坐标较小的解，这个解的值就是 最内相交体的下顶点坐标;至此，计算得出四个信标信号相交产生最内相交体的五个顶点 坐标;最后，根据最内相交体顶点计算得到未知节点的位置； 如果Al，A2,和A3中只有一个在第四个信号T2n内，则用Tl2、T21和T2n产生的最内相交体的 质心作为未知节点的位置。5.根据权利要求2、3或4所述的一种基于移动信标的分布式水下网络定位方法，其特征 在于:所述的根据最内相交体顶点计算得到未知节点的位置为：其中Xi、yi、Z i分别是最内相交体顶点的X轴坐标，Y轴坐标，Z轴坐标;N是顶点个数。
【文档编号】H04W4/02GK106028278SQ201610289418
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】冯晓宁, 王卓, 张文, 朱晓龙, 蔡绍滨, 曲立平, 孟宇龙
【申请人】哈尔滨工程大学