一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更新方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更新方法，屬于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位【技術(shù)領(lǐng)域】，包括以下步驟：步驟一、待定位節(jié)點構(gòu)建定位群；步驟二、定位群在線標(biāo)定誤差界；步驟三、構(gòu)建待定位節(jié)點的集員估計可行集；步驟四、柵格化掃描可行集，求取待定位節(jié)點的坐標(biāo)估計；步驟五、已定位節(jié)點在新的定位周期內(nèi)按需執(zhí)行基于時變誤差界的集員自適應(yīng)位置更新。本發(fā)明通過對定位群內(nèi)誤差界的在線標(biāo)定，降低了多源未確知噪聲對多跳距離估計的不利影響，提高了位置坐標(biāo)估計的準(zhǔn)確性和可靠性，通過按需執(zhí)行基于時變誤差界的集員自適應(yīng)位置更新，降低了能量消耗，增強了定位的時效性，提高了水下傳感網(wǎng)的定位性能。
【專利說明】一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更新方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是復(fù)雜海洋環(huán)境下的大規(guī)模 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自定位，具體為一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更 新方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 大規(guī)模隨機部署于復(fù)雜海洋環(huán)境中執(zhí)行信息感知、采集、處理和傳輸?shù)热蝿?wù)是水 下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Underwater Wireless Sensor Networks)的典型應(yīng)用，如海戰(zhàn)場態(tài)勢感 知、海洋環(huán)境監(jiān)測、水下目標(biāo)定位跟蹤等。節(jié)點自定位是水下傳感網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，更是 此類應(yīng)用的前提，因為被感知的信息通常需要有節(jié)點的位置信息伴隨才會體現(xiàn)其相應(yīng)的意 義。
[0003] 待定位節(jié)點需要依靠相應(yīng)的參考信息才能完成自定位任務(wù)，通常包括錨節(jié)點的坐 標(biāo)、待定位節(jié)點到錨節(jié)點的距離等。對基于測距的定位算法來講，精確的距離估計無疑是進 行高精度坐標(biāo)估算的基礎(chǔ)。但復(fù)雜海洋環(huán)境下的節(jié)點測距不可避免地會受到多源噪聲干 擾，如環(huán)境噪聲、信標(biāo)位置誤差、多徑效應(yīng)、多跳距離估計誤差等，這些噪聲的先驗信息往往 是不充分且未確知的，因為受復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境限制，我們很難獲取到多源噪聲準(zhǔn)確的分布規(guī) 律及特征參數(shù)。大多數(shù)學(xué)者直接假定多源未確知噪聲服從高斯分布甚至是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布， 繼而采取經(jīng)典的誤差處理方法來提高定位的精度，顯然這類做法是不嚴(yán)謹(jǐn)也是不合理的。 另有少數(shù)學(xué)者采用了集員估計方法（Set Membership Estimation)來處理多源未確知噪聲 問題。集員估計方法是一種基于未知但有界（Unknown But Bounded)噪聲假設(shè)的估計方法， 這種方法的優(yōu)點是不需要知道諸如噪聲的分布、均值或方差等統(tǒng)計特性，只要求系統(tǒng)噪聲 有界且噪聲界（或誤差界）已知，就可以找到一個由所有與量測數(shù)據(jù)、模型結(jié)構(gòu)和噪聲的有 界假設(shè)相容的狀態(tài)或參數(shù)組成的集合，即可行集（Feasible Solution Set)。但在復(fù)雜海洋 環(huán)境應(yīng)用中，這類方法的實際效果也不甚理想，因為誤差界會隨著海洋環(huán)境的動態(tài)變化而 產(chǎn)生漂移，假定其已知且固定不變是不合理也不現(xiàn)實的，如果不對誤差界隨時間變化的情 況采取有效措施，會導(dǎo)致可行集出現(xiàn)空集，嚴(yán)重影響定位性能。
[0004] 此外，節(jié)點自定位完成后，位置信息更新機制效率的高低也將會影響到整個系統(tǒng) 的性能。傳統(tǒng)的位置信息更新方法是對節(jié)點進行周期性的定位，這意味著傳感網(wǎng)需要進行 全局范圍內(nèi)的位置估算和信息更新，不僅增加了節(jié)點通信量、消耗了大量能量，還降低了定 位的時效性，這是那些對位置信息更新效率要求較高的應(yīng)用（如定位追蹤系統(tǒng)）所無法接 受的。
[0005] 因此，有必要探索一種能夠有效克服多源未確知噪聲和時變誤差界影響且具有較 強在線認(rèn)知及動態(tài)自適應(yīng)能力的水下傳感網(wǎng)節(jié)點自定位新方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更新方法，解 決復(fù)雜海洋環(huán)境下存在多源未確知噪聲和時變誤差界影響的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自 定位問題；通過對定位群內(nèi)誤差界的在線標(biāo)定，降低了多源未確知噪聲對多跳距離估計的 不利影響，提高了位置坐標(biāo)估計的準(zhǔn)確性和可靠性，通過按需執(zhí)行基于時變誤差界的集員 自適應(yīng)位置更新，降低了能量消耗，增強了定位的時效性，提高了水下傳感網(wǎng)的定位性能。
[0007] 本發(fā)明提出一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更新方法，具體包括以 下步驟：
[0008] 步驟一、待定位節(jié)點構(gòu)建定位群；
[0009] (1)所有錨節(jié)點廣播一組包含自身ID、坐標(biāo)、多跳閾值、定位周期等信息的"定位 包";所有節(jié)點廣播一組"測距包"，通過信息交互，獲取自身通訊范圍內(nèi)所有鄰居節(jié)點的ID、 坐標(biāo)、距離等信息；
[0010] (2)待定位節(jié)點統(tǒng)計自身一跳至多跳閾值范圍內(nèi)的錨節(jié)點數(shù)量，如能達到坐標(biāo)估 算的最低數(shù)量，則將所有錨節(jié)點和參與信息轉(zhuǎn)發(fā)的普通中間節(jié)點納入定位群，并轉(zhuǎn)步驟二； 如錨節(jié)點總數(shù)低于坐標(biāo)估算的最低數(shù)量，則標(biāo)記為暫不滿足定位條件節(jié)點，并等待下一個 定位周期；
[0011] 步驟二、定位群在線標(biāo)定誤差界；
[0012] (1)待定位節(jié)點向定位群內(nèi)所有錨節(jié)點發(fā)送"在線標(biāo)定"命令幀，此命令幀含有錨 節(jié)點重復(fù)測距的最大允許次數(shù)η ;
[0013] ⑵群內(nèi)任意兩個錨節(jié)點Ni與Nj重復(fù)測距η次，建立樣本數(shù)為η的原始測距樣本

【權(quán)利要求】
1. 一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更新方法，其特征在于：通過以下步 驟來實現(xiàn)： 步驟一、待定位節(jié)點構(gòu)建定位群； (1) 所有錨節(jié)點廣播一組包含自身ID、坐標(biāo)、多跳閾值、定位周期等信息的"定位包";所 有節(jié)點廣播一組"測距包"，通過信息交互，獲取自身通訊范圍內(nèi)所有鄰居節(jié)點的ID、坐標(biāo)、 距離等信息； (2) 待定位節(jié)點統(tǒng)計自身一跳至多跳閾值范圍內(nèi)的錨節(jié)點數(shù)量，如能達到坐標(biāo)估算的 最低數(shù)量，則將所有錨節(jié)點和參與信息轉(zhuǎn)發(fā)的普通中間節(jié)點納入定位群，并轉(zhuǎn)步驟二；如錨 節(jié)點總數(shù)低于坐標(biāo)估算的最低數(shù)量，則標(biāo)記為暫不滿足定位條件節(jié)點，并等待下一個定位 周期； 步驟二、定位群在線標(biāo)定誤差界； (1) 待定位節(jié)點向定位群內(nèi)所有錨節(jié)點發(fā)送"在線標(biāo)定"命令幀，此命令幀含有錨節(jié)點 重復(fù)測距的最大允許次數(shù)η; (2) 群內(nèi)任意兩個錨節(jié)點隊與％重復(fù)測距η次，建立樣本數(shù)為η的原始測距樣本集
(3) 按非參數(shù)放回抽樣的方法自原始測距樣本集抽取容量同樣為η的自助樣本
(4) 相繼獨立地抽取Β個自助樣本
：并對每個自 助樣本求均值：
(5) 估計錨節(jié)點隊與Ν」間的測量距離標(biāo)準(zhǔn)差4 :
(1) 其中，Xi為錨節(jié)點隊的坐標(biāo)，X」為錨節(jié)點％的坐標(biāo)； (6) 群內(nèi)所有錨節(jié)點兩兩組合，重復(fù)步驟二中的（2)?（5)，求得任意兩個錨節(jié)點間的 測量距離標(biāo)準(zhǔn)差，并提取出其中的最大值d max ; (7) 標(biāo)定f = 3<ax為該定位群距離測量噪聲的誤差界； 步驟三、構(gòu)建待定位節(jié)點Na的集員估計可行集Sa(x):
(2) 其中，k為定位群內(nèi)錨節(jié)點的個數(shù)，&為節(jié)點的通訊半徑，cT ia為錨節(jié)點隊與待定位 節(jié)點Na間的量測距離，ε ' a為在線標(biāo)定的定位群誤差界； 步驟四、柵格化掃描可行集Sa(x)，求取待定位節(jié)點Na的坐標(biāo)估計： (3) subject to Xa e Sa(x) 其中，χ,Ι為可行集&〇〇每個柵格空間的中心位置坐標(biāo)，為待定位節(jié)點凡坐標(biāo)的最 優(yōu)點估計； 步驟五、已定位節(jié)點在新的定位周期內(nèi)執(zhí)行基于時變誤差界的集員自適應(yīng)位置更新； (1) 節(jié)點Na在η時刻完成定位后，提取集員自適應(yīng)位置更新判定模型： Ψ_(η)<|Ητ(η)1(η)|<Ψ+(η)⑷ 其中，Ψ_(η)是一個包含了 η時刻所有距離測量估計值下界的列向量，Ψ + (η)是對應(yīng)η 時刻所有距離測量估計值上界的列向量;Wa(n) = [1?…Xm]T表示η時刻定位群中所有m 個傳感器節(jié)點的坐標(biāo)；ΗΤ(η)是集員轉(zhuǎn)換矩陣，其列數(shù)等于定位群內(nèi)節(jié)點的總數(shù)m，其行數(shù)等 于定位群內(nèi)錨節(jié)點的總個數(shù)，每行對應(yīng)一個錨節(jié)點隊，且對應(yīng)該錨節(jié)點ID的第i個元素為 -1，對應(yīng)節(jié)點凡的第a個元素為1，其余元素為0; (2) 在新的定位周期即n+1時刻，對模型（4)中除節(jié)點坐標(biāo)Wa(η)外的其余參數(shù)進行更 新，得到η+1時刻的集員自適應(yīng)位置更新判定模型： Ψ_(η+1) ^ |HT(n+l)ffa(n) | ^ Ψ+(η+1) (5) 將η時刻的節(jié)點坐標(biāo)Wa (η)代入模型（5)，并檢驗其是否成立； 如果成立，貝U節(jié)點凡無需更新，即Wa(n+1) =Wa(n); 否則，以yw(n+l)為步長尋找能滿足模型（6)的節(jié)點位置坐標(biāo)1〇1+1): min|ffa(n+l)-ffa(n) |2 (6) sub ject to: Ψ-(n+1) ^ |HT(n+l)ffa(n+l) | ^ Ψ+(η+1) 計算Wa(n+1)的公式為： ffa (n+1) = ffa (n) + μ w (n+1) e*a (n+1) H (n+1) (7) 所述時變步長μ w (n+1)通過下式求?。?br> 其中，
ε ' a(n+l)為n+1時刻的定位群誤差界。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更新方法，其特 征在于： 所述步驟一（2)中的坐標(biāo)估算最低數(shù)量，在三維部署情況下等于4,在二維部署情況下 等于3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更新方法，其特 征在于： 所述步驟二（1)中的錨節(jié)點重復(fù)測距最大允許次數(shù)η通常情況不大于5 ; (4)中的自助 樣本數(shù)B通常情況取200。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于時變誤差界的水下傳感網(wǎng)節(jié)點定位及更新方法，其特 征在于： 所述步驟四中的每個柵格空間的大小取決于柵格化掃描的粒度，通常取掃描粒度為節(jié) 點通訊半徑的百分之一。
【文檔編號】H04W64/00GK104066180SQ201410342285
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】任永吉, 鐘建林, 黃雋, 劉濤, 王偉亞, 辛旭光, 張麗萍 申請人:中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院