[发明专利]一种基于分层海流模型的水下传感器节点定位方法

说明书

本发明属于水下节点定位领域，提出了一种基于分层海流模型的水下传感器节点定位方法。由于水下环境的复杂性会导致海流流速在空间和时间上的不确定性，不同深度处的海流运动不同，进而造成水下不同深度传感器节点运动速度不同。因此，在普通节点定位过程中，普通节点在接收到不同深度的超级节点发送的信号时，这些信息的可信程度也不相同。为了挖掘每条信息中的更多的信息，本发明所提出的普通节点定位算法将根据海流模型，为不同深度的传感器信息分配不同的权值，相关度大的节点发送过来的信息分配更大的权值，以提高节点定位的准确性。因此，本发明对于解决实际的水下节点定位问题具有重要的现实意义。

技术领域

本发明属于水下节点定位领域，涉及一种海流运动建模方法。

背景技术

水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)中的节点定位是水下目标跟踪、海洋监测等的基础，是许多军事或民用领域不可或缺的组成部分，如导航和控制、现代水下防御系统以及智能交通系统中的交通监控。在海洋环境中，由于水声信号传播速率低、多径效应严重、水声信号衰减严重、通信带宽低、误码率高等特点，并且水下节点通信耗能较大、节点能量有限等限制使得陆地节点定位技术无法直接应用于水下。虽然已经提出了各种地面传感器网络的定位算法，但能用于UWSNs的方案相对较少。

在海流中波浪与流的相互作用已经被学者广泛研究，从不同角度求解海流的垂直结构，并进行了大量理论与实践的研究：Brevik、Aas等通过波作用量守恒推导出规则波与均匀流相互作用下波长和波高的变化；Kemp和Simons实验研究了光滑和粗糙床面条件下波浪顺流和逆流传播的渡流相互作用情形，实验结果表明：当波浪顺流传播时，上层的水流速度减小，下层的水流速度增加；当波浪逆流传播时，则增加上层水流速度，下层水流速度减小，正好是相反的情形；吴永胜等人建立了k-ε模型来模拟粗糙床面下波浪和水流之间的非线性耦合。

在水下节点定位中，由于无线电不能在水中工作，因此必须采用声学通信。声学通道的特性(大延迟，低带宽和长端到端延迟)会导致对水下传感器网络定位方案的许多限制。同时，水下传感器网络是移动网络，节点位置不断变化。在这样的环境中，为静态传感器网络设计的大多数本地化方案需要定期运行以更新位置结果，这将显着增加通信开销。此外，设计用于小规模水声网络的分布式定位方案由于其收敛速度慢和通信开销高，在大规模水下传感器网络中不能很好地工作。

目前，大多数水下节点定位算法都假定波流是恒定的，并且假设不同深度波流运动状态相同。在实际的海洋环境中，波流会随着深度变化而进行非线性变化。为了能够更准确的模拟水下实际情况，提高节点定位精度，本发明提出了一种基于海流分层模型的水下节点定位方法。所提算法首先建立非线性海流传播模型，得到深度与海流运动速度的关系；在普通节点定位阶段利用这种非线性关系，分别对不同深度传来的信号进行权值分配，得到更为准确地定位精度。

发明内容

本发明针对水下海流运动分层的特性，提出一种新的与深度相关的传感器节点定位算法。首先根据海流运动方程得到不同深度海流的运动速度数据，再根据这些数据进行数据拟合，建立起与深度相关的海流运动函数，可以看出海流分层海流模型的水下传感器节点定位方法运动的时均分量在某一范围内近似与深度成指数函数关系，周期波动分量可以用正余弦函数进行拟合。通过深度与流速的关系，我们可以看出对于相同距离的接收信号，深度较浅的信号与该传感器的相关程度越大，因此我们对相关程度大的信号分配相对较大的权值，再通过这些信息进行预测定位，以提高定位精度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于分层海流模型的水下传感器节点定位方法，其特征在于，包含以下步骤：