[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

权利要求书

1.一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，其特征在于，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2实现方式如下，

设第k次定位过程中，传感节点p发送定位请求信息时刻为待定位位置为参考浮标节点b_n接收定位请求信息时刻为参考位置为参考浮标节点b_n发送定位响应信息时刻为传感节点p接收参考浮标节点b_n的定位响应信息时刻为

根据步骤1得到在第k次定位过程传感节点p的定位位置估计值在第k次定位过程和第k-1次定位过程中，传感节点p发送定位请求信息时间差为发送定位请求信息频率为参考浮标节点b_n接收定位请求信息时间差为接收定位请求信息频率为传感节点p和参考浮标节点b_n之间与定位请求信息相关的多普勒频移为，

其中，表示节点相对位置靠近，表示节点相对位置远离；

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；

步骤3实现方式如下，

在第k次定位过程和第k-1次定位过程期间，参考浮标节点b_n实际运动速度矢量为：

参考浮标节点b_n实际运动速度矢量在第k-1次定位过程中传感节点p估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的投影为：

其中为传感节点p估计位置和参考浮标节点b_n参考位置连线与水平面的夹角，

在第k次定位过程与第k-1次定位过程中，由于传感节点和参考浮标节点随水流被动运动速度较慢，在时间内，被动运动距离远远小于传感节点和参考浮标节点之间的距离，构成远场条件，定位请求信息传播轨迹近似平行；

定位请求信息传播路程差为：

其中为传感节点p实际运动速度矢量在第k-1次定位过程中传感节点p的估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的投影分量；

定位请求信息传播相位差为：

其中为通信载波波长，c为声速，f为载波频率，式(13)的多普勒频移的第二种表示为：

联合式(17)(18)(19)，得到传感节点p实际运动速度矢量在第k-1次定位过程中传感节点p的估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的投影分量的计算表达式：

步骤4，根据步骤3所得传感节点和各参考浮标节点之间的实际运动速度矢量的投影分量，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；

步骤4实现方式如下，

将步骤3所述传感节点p实际运动速度矢量的投影分量写为矢量形式：

其中为的绝对值，为第k-1次定位过程中传感节点p的估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的单位方向矢量，取值为：

其中分别为坐标轴x,y,z方向的单位向量；

经过传感节点p所在位置且与传感节点p实际运动速度矢量的投影分量垂直的平面方程的一般表达式为：

其中为平面方程参数，x,y,z表示坐标轴，平面方程法向量可表示为：

传感节点p实际运动速度矢量的投影分量实质上为满足式(23)的平面的一组法向量，令

则平面方程参数为：

平面方程的一般表达式(23)经过传感节点p实际运动速度矢量的投影分量的端点以矢量形式表示为：

将矢量端点表示的坐标代入平面方程的一般表达式(23)，得到平面方程参数

当n＝1,2,...,N时，将多组平面方程以矩阵形式表达：

其中为平面方程参数矩阵，为平面方程交点，是传感节点p以位置为起点的实际运动速度矢量的终点，表示为：

所涉及的节点需要满足节点位置约束条件：至少有3个参考浮标节点不位于同一直线上；以最小二乘法求解式(29)，得到传感节点p以位置为起点的实际运动速度矢量估计值的终点坐标

其中，Ψ为待求参量，包含传感节点p水平位置信息；

在第k-1次定位和第k次定位期间，传感节点p的实际运动速度矢量估计值为：

步骤5，根据步骤4所得传感节点实际运动速度矢量估计值，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，直到新的定位过程开始；

步骤5实现方式如下，

在第k次定位和第k+1次定位期间，传感节点p的实际运动速度矢量预测值为：

在第k次定位和第k+1次定位期间，传感节点p的定位预测值为：

其中为第k次定位传感节点p的定位估计值，为传感节点p在其发送定位请求信息时刻后经过的时间，当满足时，表示传感节点p第k+1次定位和第k次定位之间的任意时刻；

步骤6，返回步骤1，循环执行步骤1-5进行下一次定位，持续进行运动速度估计。