[发明专利]一种水声传感器网络节点自定位方法

说明书

本发明涉及一种水声传感器网络节点自定位方法，采用单锚节点发射固定能量的窄波束，采用波束切换的方式进行窄波束发射来进行自定位，其中：所述基于波束切换的自定位，通过锚节点与普通节点的信息交互完成所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答。本发明仅在波束内节点才进行回复的方式在很大程度上避免了冲突。而这种仅在波束内的节点才进行回复，这样，就在很大程度上避免的冲突。全向波通过换能器而变成窄波束，信息传播大大增加，单跳即可实现原多跳下的通信距离。仅需一个锚节点，且仅对锚节点的设备要求高，而对于其他的节点的设备要求不高。隐藏性好，窄波束的条件让通信更加隐蔽。

技术领域

本发明属于水下传感器网络技术领域，涉及一种水声传感器网络节点自定位方法，适合于从单锚节点出发的水声多跳传感器网络自定位方案。

背景技术

UASN全称为Underwater Acoustic Sensor Network，即水下声学传感器网络，其被广泛应用于民事活动，如海洋资源开发、环境探察等；和军事任务，如监视，反潜探测，反水雷任务等，具有重要意义和研究价值。而由于UASN作用的前提是它能知道自身的传感器节点位置，因此，水声传感器网络的自定位研究是重要研究课题。在地面无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)，定位一般是通过传感器间的信息交换(通过RF射频(Radio Frequency)通信)和GPS定位来实现，这在地面上比较容易实现。但是，GPS无线电信号在水中衰减非常迅速，导致在地面无线传感器网络 (Wireless Sensor Network,WSN)适用的方法都不能直接应用于水下传感器网络。同时，人们发现声信号在水中有传播距离远，衰减小等优点，因此，声被广泛运用在水下的信息交互里。同时，水下声定位同样存在许多问题：对所有节点设备要求高，隐蔽性低，易冲突，定位算法限于单跳等等。

近些年，UASN的研究开始逐渐加多与加深，多种水下传感器网络的定位方案相继被提出。这里简单介绍三种典型算法：

AUV(Autonomous Underwater Vehicle)定位算法：AUV的定位方法比较多样，但是基本原理都是利用AUV的运动(知道AUV的具体地点)，并再利用AUV与待测节点的信息相互交流而得出待测节点与AUV的相对位置，进而算出待测节点的位置。

GPS(Global Positioning System)定位算法：因为水中电磁信号衰弱极快，GPS的定位是并不能直接运用在水下的。这个时候就需要将GPS系统与水下声学系统集成起来，形成了水下GPS系统。该定位算法工作的基本原理是，卫星把浮标坐标信息发射给GPS信号，GPS浮标接收到该信号之后，用水声传送给水下锚，水下锚运用一些水中运算的方法，得出自己位置。或者水下锚配备有GPS信号接收器，同时给它增加可以上浮下沉的功能，在需要定位的时候，进行上浮并接收信号进行定位。

DV-hop定位算法：其基本思想是采用泛波的形式发送信号，然后求出每跳平均距离与跳数，之后用这两个值的乘积来算出待测节点与锚节点之间的距离，再使用定位估计算法求出节点坐标信息。

可以看出以上的各种定位技术，各自有各自的特点，这是因为水下环境多样，应用条件多样。往往一种方法不会适用于所有条件。同时，以上算法各有优劣。例如AUV 算法因为需要水下航行器，进而隐蔽性较低。以及使用AUV的情况下海洋路径不易保持。GPS算法需要使用较陆地GPS定位接收器更为复杂与昂贵的设备进行信号接收与处理。而DV-hop算法只有在网络拓扑较为规则的情况下具有良好的定位结果。还有基础的TOA、DOA等算法，需要较多的锚节点等等。从上，水下定位算法还需要不断的研究与改进。

目前定位的方法一般需要多个锚节点，而每个锚节点获得的信息较少，然后对多个锚节点的信息进行综合计算得出待测节点的位置。在这种情况下，就需要多个锚节点的设备要求都比较高，或者对待测节点的设备要求高，同时，部分现有算法通信隐蔽性差，节点分布规则要求高等等都成为了亟需解决的问题。

发明内容