[发明专利]基于节点簇的分布式传感器自定位系统及定位方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器定位技术领域，具体涉及一种大水域环境下分布式传感器的自定位系统。

背景技术

近年来，随着陆地资源开发日益增长造成陆地资源日益匮乏、生态环境恶化，人类逐渐将战略目光投向占有地球总面积达70%的海洋。目前，各个国家对于海洋资源的开发处于上升期，每个国家对海洋领域的利用、争夺与保卫都十分重视。根据需求，我国在海域中进行武器效能试验的次数日益增加，海下探测与参数测试问题显得十分突出。另外，海洋中具有各种丰富的能源，海底石油、甲烷以及其它大量的海洋资源等待人类利用和开采；海下考古、寻找海下文物、发掘古代文明；海下靶场的建立、武器效能的测试等都需要建立传感器阵列，以实现对海洋中温度、压力等参数进行探测后进行进一步分析。因此，在海洋中通过传感器阵列建立水下探测与参数测试系统，实时监测海洋情况势在必行。

大水域环境下进行的各种探测与参数测试，需要通过建立传感器阵列获取水下的各类信息。大水域环境下的传感器，测量范围广，在水流作用下，传感器节点坐标更新具有随机性，在水下探测过程中，传感器探测到水下目标时，如果没有定位技术支持，传感器自身定位则无法实现，那样，水下探测就如同盲人摸象，探测到水下目标后，无法对目标进行进一步分析或者采样。例如，水下振动在较短时间内会在水中产生瞬间冲击波，随后由于冲击对水域造成某些影响，水域中还会在一段时间内产生几次脉冲，在水下振动效能场的测试中，传感器阵列与水下振动发生点间的相对位置与振动参数存在重要的联系，如果无法获取传感器阵列的精确定位，那么水下振动的测试位置将无法确定，测试数据也就失去意义。因此，只有获取了传感器阵列的自身位置，才能精确测得探测区域位置，传感器阵列的精确自定位，对于水下探测与参数测试有重要意义，水下传感器节点阵列的导航定位，是水下探测与参数测试研究的可靠保证与前提。通过此技术，可以反应出海洋中的各类信息，在海洋石油探测，海洋防护监测与海洋地震预测，水下武器效能分布，水下靶场试验实时分析等调查研究中，分布式传感器导航定位技术扮演了重要角色。

大水域环境下现有的传感器定位方法有以下三种：

1.采用全球定位系统（GPS）卫星定位导航技术对水下目标定位

使用电缆将水下目标与船舶连接固定，通过船舶位置的定位与电缆长度对水下目标进行定位。这种方法由于电缆放出长度误差、GPS误差、水深误差以及船舶运动方向与水流方向间误差会造成导航总误差非常大。由于与陆地定位不同，水中目标在水中是动态的、实时移动的，当船舶没有发生移动时，水下目标可能已经随着水流方向发生偏移。水下导航定位精度对GPS的要求较高，如果GPS定位刷新速率慢，水下目标随水流已发生偏移，GPS在目标偏移时未同步刷新，瞬时定位精度将有很大误差，定位实效性较低。

2.固定传感器节点采取到达时间（TOA）定位方法对水下目标定位

将传感器节点固定布置于海底，通过无线方式与基站、地面控制中心通信，采取TOA定位技术，建立固定的节点位置坐标系，得到各节点间的相对位置坐标。这种方法将传感器固定于海底，避免了传感器节点受水流影响，但是传感器节点续航供电难度增加，低功耗要求下，传感器节点射频功率受限，测试区域面积受限，传感器节点的固定布局降低了定位系统的灵活性。

3.自组织传感器节点采取TOA定位方法对水下目标定位

将传感器节点通过电缆与浮漂相连接，采用多发多收机制，节点与基站间通过水声器的相互通信，获取两点间水声波传输时间，推算出节点与基站的距离，以某一点为坐标原点建立二维或者三维坐标系，从而得出传感器阵列的相对位置坐标。这种方法利用了水声器、水听器与TOA定位技术，节点与基站间的通信限制于水声器本身功率，测量范围大小也受到限制，节点与基站通信无法克服远近效应，增加了不必要功耗，整个系统效率较为低下。

发明内容

本发明针对大水域环境下现有传感器定位方法所存在的上述问题和不足，提供一种可扩充性强、稳定性好、功耗低、可精确定位的基于节点簇的分布式传感器自定位系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种大水域环境下基于节点簇的分布式传感器自定位系统及定位方法，其特征在于系统包括被定位传感器节点、基站、中继浮标以及地面控制中心，其中：

所述的被定位传感器节点包含传感器节点电源、A微控制器、A水声器、A水听器、被定位传感器、信号调理模块、数据采集模块、时间统一模块、无线收发模块、指令译码与控制模块以及传感器节点浮标；