[发明专利]水下传感器网络定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下无线传感器网络技术，尤其涉及一种水下传感器网络中节点的定位方法。

背景技术

水下无线传感器网络（Underwater Wireless Sensor Networks，简称UWSNs）是针对水下环境的应用提出的。UWSNs能够为促进海洋环境管理、资源保护、灾害监测预警、海洋工程、海上生产作业和海洋军事活动等提供更好的技术支持和信息平台，因此水下无线传感器网络有着广阔的应用前景。大多数基于水下传感器网络的应用都与节点所在的位置相关联，要实施这些应用，要求网络中节点位置唯一确定，确定节点位置具有以下重要意义：第一、数据必须有位置信息和时间信息标记，节点发送和接收到的数据才有意义；第二、用于基于地理信息的路由协议；第三、用于对水下目标的检测、定位及跟踪此类应用；第四、用于优化介质访问协议。由于节点本身的能量、计算能力及存储能力的限制，水下传感器网络定位面临着特有的技术挑战，因此传感器节点定位信息的准确获取是完成大规模水下传感器网络中的定位服务的一个关键问题所在，于是如何简单有效并且准确地获取传感器节点的精确位置信息是目前急需解决的关键问题。

UWSNs与有着相同特征的大量节点和有限的资源等特征的陆地无线传感器网络TWSNs（Terrestrial Wireless Sensor Networks）有较大区别：首先，无线电射频（Radio Frequency，RF）通信方式和光传播方式不适合于水下环境的通信传播（高频率的RF衰减过快，光在水中会散射、折射、反射等），取而代之的是声波（acoustic）通信（声波衰减很慢，但是由于声速低，导致声波信道有较大的传播延迟、低带宽和高错误率等特点）；其次，传感器节点因为水流或其他因素的影响而产生移动，使得网络拓扑结构频繁变化，所以对水下节点的定位是非常必要的，并且水下监测网络也需要确定大量节点的范围，但由于水下声传播特性和节点的移动特性，导致在精度或可扩展性等方面的研究有巨大的挑战；最后，水下环境可被视为是三维空间环境，容易受到海洋环境和网络规模大小等诸多因素影响。因此，传统的TWSNs定位方案由于其局限性而无法应用到UWSNs的定位中；另外，由于水下节点的位置会因为各种因素而不断改变，所以设计的定位方案必须周期性运行来更新节点的位置，这样也增加了网络的通信开销。目前大多数的研究是为小规模水下传感器网络所设计的定位方案，有些为大规模网络设计的定位方案没有完全考虑累积误差对定位精度的影响，这些方案因其较慢的运行速度和很高的通信开销而不能很好的在大规模UWSNs中应用。

根据四边测量法，普通节点已知四个参考节点的坐标及到这些节点的距离，分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)和d₁、d₂、d₃、d₄，普通节点的坐标为(x,y,z)，于是有：