[发明专利]一种基于伽马分布模型的水声网络节点相互测距方法

摘要

本发明提供了一种基于伽马分布模型的水声网络节点相互测距方法，对于由N个子节点和1个主控节点构成的水声通信网络通过一定的时间分配策略，完成多次应答机制的TDOA测距过程，最后基于伽马模型进行距离信息的修正。本发明对测距信息进行校准和补偿，为进一步提高定位精度提供了可靠保证。本发明充分利用声音在水中传播速度较慢的特性，采用对测距请求信号的多次应答机制，提高了测距工作的精度和效率。

主权项

一种基于伽马分布模型的水声网络节点相互测距方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一：全部节点距离信息的获取1)在编号为1、2、…N的N个子节点和编号为0的1个主控节点构成的水声通信网络中，节点0、1、2、…N依次作为测距请求节点，其他节点作为测距应答节点；2)测距请求节点号k向全网发出测距请求信号，并记录信号开始发射时间点t_k0，之后转为接收状态，对收到的信号进行FFT运算；所述的测距请求信号是频率为f₁的单频信号；3)测距应答节点在接收端持续进行FFT运算，一旦发现测距请求信号f₁频段内的频谱分量大于全频段的频谱平均值的10倍时，等待一个t_{x_delay}时间后，连续发送3次频率为f₂的测距应答信号；其中t_{x_delay}＝(x‑1)*t_blank，x为测距应答节点号，t_blank为设定的保护间隔；4)测距请求节点持续对收到的信号进行FFT运算，一旦发现测距应答信号f₂频段内的频谱分量大于全频段的频谱平均值的10倍，根据所接到频率为f₂信号的顺序判断信号是否属于x节点所发出的应答信息，记录接到频率为f₂信号的时刻为t_kx1、t_kx2和t_kx3；5)各节点判断N节点是否已经作为过测距请求节点进行过上述过程，若是则进行第二步；若不是则回到步骤1)选择下一个节点号作为测距请求节点；步骤二：全部测距信息的修正1)全网所有节点计算当自身作为测距请求节点时测距请求信号和应答信号在水中的传播时延，即t_kx1'＝t_kx1‑t_k0‑t_{x_delay}，t_kx2'＝t_kx2‑t_k0‑t_{x_delay}‑t_interval，t_kx3'＝t_kx3‑t_k0‑t_{x_delay}‑2t_interval，t_kx1'、t_kx2'、t_kx3'表示节点号k作为测距请求节点，节点x作为应答节点时，测距请求信号和应答第一、第二、第三次信号在水下环境中传播的时间；2)通过水下声速c＝1500m/s将节点k存储的N‑1组t_kx1'、t_kx2'、t_kx3'时间数据转换为距离数据，即d_kx1＝c*t_kx1'，d_kx2＝c*t_kx2'，d_kx3＝c*t_kx3'，d_kx1，d_kx2，d_kx3表示表示节点号k作为测距请求节点，节点号为x应答节点时，测距请求信号和应答第一、第二、第三次信号在水下环境中传播的双程距离之和；3)按照公式$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{2}{\frac{1}{n}\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(d_{\mathrm{kxi}}-\stackrel{\‾}{d_{\mathrm{kx}}})}^2\right]}}\\ d_{\mathrm{kx}}=(\stackrel{\‾}{d_{\mathrm{kx}}}-\frac{2}{\mathrm{\β}})/2\end{array}\right.$确定d_kx，即节点k作为测距请求节点，节点x作为应答节点时，根据伽马模型修正后的单程通信距离；其中d_kx表示双程应答测距D_kx统计量的采样样本值，d_kx表示对D_kx/2即单程距离估计，即最终获得的修正后的距离信息；β表示对β的估计，β为伽马概率分布参数；n表示对D_kx的观测采样次数。