[发明专利]一种水下无线传感器网络定位方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种水下无线传感器网络定位方法。

背景技术

不同于陆地无线传感器网络，水下环境极为复杂，例如节点随水流移动，电池补给困难，水中声信道高延迟，低带宽和高误码率这些状况，这些使研究水中的定位方案变得困难。

众所周知，普通的GPS不能在水下工作，为了使节点可以在水下定位自己，提出了一种水下GPS系统，例如：GPS智能浮标GIB(GPS Intelligent Buoys)和PARADIGM（一种提供精确定位的程序）。这些水下GPS系统主要是依靠表面浮标提供准确的位置信息，这些浮标的作用就如同GPS的卫星。所有在浮标通信范围内的节点如果获得3个或3个以上浮标节点的位置信息，就可以定位自己的位置。但是对于大型无线传感器网络，不能保证所有的节点都能获得3个或3个以上的浮标位置信息，从而定位自己的准确位置。原因有两点，第一，和浮标节点通信，普通节点需要装备昂贵的硬件设施去和表面浮标通信，这对于拥有大量节点的大型水下无线传感器网络来说是不实际的，会使得成本过高；第二，表面浮标为了保证所有的节点都能收到其发出的信息，会增大通信功率，使得表面浮标的的生命期变短，因为浮标节点大多数是由电池供电的，而电池的更换补给是很困难的。

目前提出的节点定位方法主要分为两类：基于测距的定位方法和无需测距的定位方法。基于测距的定位方法需要测量节点之间的距离或者测量节点之间的角度，而无需测距的定位方法不需要这些测量。基于测距的定位方法需要额外的硬件支持，但是它可以提供相对精确的定位。无需测距的定位方法则相反，它不需要额外的硬件支持，但是定位误差却较高。在多数应用中（例如河口监控，污染物跟踪）我们需要较准确的定位方案，所以本定位方法中选择了基于测距的定位方法。在基于测距的定位算法中，测距信息的准确性很重要，直接影响了定位的准确度。目前测距的方法有：基于信号强度测距方法RSSI(Received Signal Strength Indication)，基于到达时间的测距方法TOA（Time of Arrival）、基于到达时间差的测距方法TDOA（Time Difference of Arrival）。信号强度测量就是根据收到信号衰减的程度计算路径的损耗，再将路径的损耗换算成距离。这种技术主要使用RF信号，因为传感器节点本身具有无线通信的功能，所有是一种低功率，低成本的测距技术，但是无线信号的反射，多径传播等会使这种测距方法产生较大误差。这里我们使用RSSI来测量节点之间的距离，测出距离后就可以利用三边测量法来计算节点的位置。三边测量法就是选择若干节点，相互连接成若干个三角形。通过测量三角形的内角或边长，再根据已知节点的坐标，通过已知的三角形边长和坐标方位角来计算未知的三角形各边的边长和坐标方位角，进而计算出未知节点的位置坐标。

面对上述的定位难题，一种多级定位方法被提出。方法中包含3种节点：表面浮标节点，锚节点（可以与表面浮标直接通信从而定位自身的节点）和普通节点。浮标漂浮在水面，装备有GPS设备，可以获得自己的准确位置；锚节点可以和浮标直接通信从而定位自身，同时锚节点也可以和普通节点通信并帮助普通节点定位；普通节点出于成本或者其他制约因素的考虑不能和浮标节点直接通信，但是可以和锚节点通信来定位自己。整个定位分为两个过程：锚节点的定位和普通节点的定位。首先锚节点和浮标节点通信获得位置信息帮助自身定位，然后锚节点帮助普通节点进行定位，在普通节点的定位过程中，当某一节点定位完成之后会对自身进行判断，根据设定好的判断条件，判断自己有无条件成为参考节点（普通节点通过锚节点的帮助定位自身，并且具备一定精度条件，从而转化为参考节点，再去帮助其他节点定位）。成为了参考节点的这部分普通节点广播自身的位置信息，帮助其他普通节点定位。这种定位方案增大了网络的连通性，提高了定位覆盖率，提高了定位速度。关于定位精度，是在每个节点中设置了一个信任值，信任值越高精度越高，当一个普通节点收到来自多个参考节点的位置信息时，可以选择信任值较高的节点帮助自身定位，这样既可以提高定位的精度。在这种方法中，如果锚节点失效，则会对网络的连通性产生影响，一部分普通节点会因为收不到足够的位置信息从而无法定位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，针对水下无线传感器网络中节点失效问题，为了提高节点的定位覆盖率，提出一种水下无线传感器网络定位方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：