[发明专利]一种基于接收信号强度的水声测距方法

说明书

本发明公开了一种基于接收信号强度的水声测距方法，所述方法包括：根据声源节点与接收节点之间的距离建立水声信道模型，获取不同距离下、不同频点下的接收信号功率理论值；发射端在同一位置分时连续发射不同频率的单频信号，通过水声信道后，接收端采集接收信号波形，分析信号频率，并计算出各个频率下接收信号功率实测值；根据接收信号功率实测值与功率理论值，构造目标误差函数，并优化目标误差函数，求解出使目标误差函数取得最小值时对应的水平间距和接收节点深度。本发明基于水下信号衰减与频率有关的特性以及RSS与信号的传输距离之间的关系，在水下环境中，实现了水下节点间的精准测距。

技术领域

本发明涉及水声单点测距领域，尤其涉及将基于接收信号强度的测距方法和水声信道模型应用到水声单点测距中，提出了一种基于接收信号强度的新型单点测距方法，目的是利用频点间接收信号强度的差异性，利用水声传播模型，得到声源与接收点间的距离。

背景技术

由于无线电波在水中的快速衰减，GPS无法顺利应用于水下目标定位领域。水声学理论研究表明，声波是目前水下远距离通信的唯一有效信息载体，利用声信号进行水下目标定位成为主流手段。

基于测距的定位技术可以分为：信号到达角度(Angle of Arrival，AOA)、信号到达时间(Time of Arrival，TOA)、信号到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)，接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)等四类。基于AOA的方法需要在接收端布设水听器阵列，这在现实中难以实现且过于昂贵；基于TOA的方法需要参考节点与目标之间有着精确的时间同步，该要求在某些应用场景下难以满足；基于TDOA的方法需要参考节点之间的时间同步，使得节点能耗过高，不适合应用于水下传感器网络。

RSS是指在一段时间内接收信号的平均功率。有别于上述三种方法，基于RSS的定位方法不需要配置额外的硬件，因为大多数传感器节点都内置了RSS电路来获取RSS信息。因此该方法成本低、功耗小、硬件要求低，被广泛应用于水下传感器网络中节点的定位。

将RSS信息映射到节点间距离的常用方法是指纹匹配方法，该方法在离线阶段需要预先采集已知距离下的RSS数据，建立数据库；然后将其与实测数据配对，因此该方法需要时空覆盖率高的位置指纹样本，同时环境改变时需要更新指纹数据库，且映射分类算法计算量大，实时性较差。

发明内容

为了利用接收信号强度(RSS)实现水下单点测距，本发明考虑不同频率下RSS的差异性，结合水声信道模型，本发明提供了一种基于接收信号强度的水声测距方法，详见下文描述：

一种基于接收信号强度的水声测距方法，所述方法包括：

根据声源节点与接收节点之间的距离建立水声信道模型，获取不同距离下、不同频点下的接收信号功率理论值；

发射端在同一位置分时连续发射不同频率的单频信号，通过水声信道后，接收端采集接收信号波形，分析信号频率，并计算出各个频率下接收信号功率实测值；

根据接收信号功率实测值与功率理论值，构造目标误差函数，并优化目标误差函数，求解出使目标误差函数取得最小值时对应的水平间距和接收节点深度。

其中，所述水声信道模型为：

式中，是以直射路径到达时刻为参考的各路径的到达时间，是两节点间的各条路径传输函数。

进一步地，所述目标误差函数为：

其中，TL(j)为第j个频点实测出的传播损耗，TL(f_j,x)为水声信道模型给出的第j个频点理论上的传播损耗，x为由d,h_r构成的二维向量，m为频点总个数。