[发明专利]一种室外游泳水下定位手环及水下定位方法

权利要求书

1.一种水下定位方法，采用室外游泳水下定位手环，其特征在于，具体步骤如下：

一、室外游泳水下定位手环中通信控制模块(2)不断将定位模块(3)中计时器所采集到的时间信息通过外围通信设备发送至服务器，具体过程如下：

当室外游泳水下定位手环中的传感器模块(5)的水压传感器的压力值不为零，即游泳者处于水下状态时，传感器模块(5)与通信控制模块(2)相连接，通信控制模块(2)向定位模块(3)中的定位水声换能器发出唤醒信号，定位水声换能器不断地向室外游泳场所的待机值守的定位水声应答器(23)发送声信号，各定位水声应答器(23)收到声信号后向室外游泳水下定位手环的定位水声换能器发出相应的应答信号，室外游泳水下定位手环中定位模块(3)的计时器记录定位水声换能器每次发送和接收声信号的时刻，通信控制模块(2)将时间信息通过外围通信设备发送至服务器；

二、服务器接收到来自外围通信设备的时间信息后存储至存储模块，并向服务器的分析模块发送指令，之后分析模块采用最小二乘法求得游泳者的水下位置坐标；

具体过程如下：设共有m(m≥3)个定位水声应答器(23)，第i个定位水声应答器(23)的坐标为(x_i，y_i，z_i)，其中i＝1,2,…,m，某个用户的坐标为(x，y，z)，则该用户与第i个定位水声应答器(23)的距离R_i＝v(t_ir-t_is)/2，其中v为声信号在水中传播速度，t_is、t_ir分别为该用户所佩戴室外游泳水下定位手环中的定位水声换能器向第i个定位水声应答器(23)发送及接收声信号的时刻，因为游泳者与每个定位水声应答器(23)的距离可通过游泳者和定位水声应答器(23)的坐标来计算，所以可以得到m个非线性方程组：

通过消去该非线性方程组的二次项系数，得到线性观测方程：

AX＝B (2)

公式(2)中：

构造一个估计量使性能指标：

达到最小；由于给定的初值不合适会造成较大的偏差，可以利用泰勒级数展开方式对二次方程进行线性化，对最小二乘求解算法进行迭代逼近；

对公式(7)在(x₀，y₀，z₀)点进行泰勒级数展开，令：

则

将公式(9)代入公式(1)中，可得：

任取由定位水声应答器(23)所围成区域内的一点(x₀，y₀，z₀)作为初始值，采用最小二乘法解方程组(10)后，判断条件(11)是否成立；

若满足条件(11)，则(x₀，y₀，z₀)即为当前游泳者的坐标；若未满足条件(11)，则以(x₀，y₀，z₀)为起点，x₀、y₀、z₀分别增加步长±h/2、±k/2、±l/2，从而可得到8个新的坐标点，将新的坐标点代入公式(10)并得到相应的h、k、l值；若同时存在多个点满足条件(11)，则代入公式(6)选取使性能指标值最小的坐标点，即为游泳者当前位置坐标(x，y，z)；若8个坐标点中不存在满足条件(11)的点，则选取使得公式(6)中性能指标值最小的点作为起点，并以该点的h、k、l值得到新的步长，迭代更新直至得到游泳者当前位置坐标(x，y，z)；

三、位置坐标由服务器的分析模块计算得出后，存储至服务器的存储模块。