[发明专利]基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度估计方法

说明书

本发明公开了一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度估计方法，包括设当前进行第k次定位，建立基于到达时间差TDOA的定位模型，获得第k‑1次定位过程中水下的传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，计算第k‑1次定位过程传感节点定位位置；根据第k‑1次定位到第k次定位过程中获得的多普勒频移测量值和参考浮标节点实际运动速度矢量，计算传感节点实际运动速度矢量在第k‑1次定位过程中传感节点位置与参考浮标节点位置连线上的投影分量；估计传感节点从第k‑1次定位过程到第k次定位过程的实际运动速度矢量；得到第k次定位过程到第k+1次定位过程期间传感节点实际运动速度矢量预测值，并预测节点实时位置。

技术领域

本发明属于水下传感网络定位领域，尤其涉及基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度矢量估计方法。

背景技术

海洋是地球上巨大的资源宝库，而人类对于海洋的认识与调查还不到10％，巨大的海洋等待人类的认知、开发与利用。海洋环境监测、海洋资源开发和海洋权益保护成为各个国家的重大战略需求。水下巨大的压强和庞大区域范围，不适宜人类直接长期作业，而随着嵌入式系统的发展，水声通信和信号处理技术的进步，水声通信传感网络成为实现深海油井勘探、地震观测、水文环境监测、水下导航、水下救援等应用的重要手段。

在水声通信传感网络中，定位功能是不可或缺的，一方面，控制中心需要知道网络节点的位置信息以便进行回收与维护，另一方面，传感数据配有位置信息才更具有实用意义。然而由于水体具有流动性，水下节点会被动地随水体移动，需要周期性执行定位过程来保持定位位置的准确性。

为了预测节点在相邻两次定位过程之间任意时刻所在位置，需要对节点被动运动速度矢量进行估计。传统的节点运动速度矢量预测方法主要有两种，第一种方法根据本节点过去的定位位置信息，获得过去节点运动速度信息，采用维纳滤波器对节点未来运动速度矢量进行预测。这一方法的节点运动速度矢量估计精确度取决于定位准确度，若定位系统测距定位误差增大，则会对节点运动速度矢量估计造成很大影响。第二种方法根据目标节点邻居节点的运动速度信息，采用加权平均的方式来估计目标节点的运动速度。这一方法需要每个节点在定位阶段至少额外广播一次含有自身速度信息的数据包，增加了网络通信负担和节点能量开销。

实际海洋或河流水体中，不同深度水体流速不同，因此各深度节点之间存在相对运动，在相邻两次定位中，可利用信号多普勒频移对发送和接收节点相对运动情况进行估计，当节点获得多个参考节点的相对运动信息时，可进一步对其真实运动速度矢量进行估计。专利CN201710657205公开了一种基于TOA测距和多普勒效应的水下传感器节点定位方法，其中节点运动速度由传感器测量获得，多普勒频移测量值被用作定位模型参数来提高定位精度。本发明专利与上述专利不同之处在于，本发明专利公开了一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度矢量估计方法，是一种新的节点运动估计方法，被用于节点的位置预测。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度矢量估计方法，目的在于解决水下节点因水流影响产生被动运动导致定位信息失效的问题。

本发明的技术方案提供一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度估计方法，包括以下步骤：

步骤1，设当前进行第k次定位，建立基于到达时间差TDOA的定位模型，获得第k-1次定位过程中水下的传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，计算第k-1次定位过程传感节点定位位置；

步骤2，根据步骤1所得传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，以及第k次定位过程传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，测量多普勒频移；

步骤3，根据步骤2所得多普勒频移测量值，以及第k-1次定位过程和第k次定位过程中参考浮标节点实际运动速度矢量，计算传感节点实际运动速度矢量在第k-1次定位过程中传感节点位置与参考浮标节点位置连线上的投影分量；