无精准同步的小规模水声网络节点相对自定位
发布时间：2021-07-29 11:18
提出了一种无精准同步的小规模水声网络节点相对自定位方法。针对节点数量较少的小规模水声网络,利用水声通信在无精准时钟同步的情况下进行节点间测距,进而根据由相邻节点构成的三角形结构校正节点的相对位置。通过仿真得到,在几种典型拓扑结构下,该方法在测距误差不超过10 m时,将初始定位误差降低40%以上。在水声网络自组织的同时进行节点自定位,避免了传统的二次定位过程,节省了节点能耗和定位时间,并在一定范围内提高了定位精度。
【文章来源】：声学学报. 2020,45(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图１２?３种拓扑结构的节点能耗??以５节点星型拓扑结构为例，比较本文采用的??类ＴＯＡ测距方法与传统ＴＯＡ测距方法在通信时的??：〇１２３
??真实值??初始值??４期??时刻，记为“时刻３”；完成测距时刻，记为“时刻４”。??从表中可以看出，类ＴＯＡ测距方法相对于传统ＴＯＡ??测距方法，减少了至少一半的能量消耗。??２．２．２定位分析??测距完成后，进行ＧＰＳ校正，并设定３种ＧＰＳ??初始值与真实值的偏差情况，其中情况１如图１３所??示，情况２如图１４所示，即所有节点朝同一个方向??偏，情况３为随机设定。将５节点蜂窝式拓扑结构??同样设定此３种情况，８节点只设定一种情况，即情??况３，随机设定。??图１５为５节点星型拓扑结构在初始值偏差情??况１下的定位误差，此误差为绝对误差，图中？‘初始??值”表示节点在放入水下时记录的初始的ＧＰＳ初始??值与节点ＧＰＳ真实值的误差，？？一次校正值”表示一??次校正后的ＧＰＳ值与节点ＧＰＳ真实值的误差，“二??次校正值“表示二次校正后的ＧＰＳ值与节点ＧＰＳ真??实值的误差。??从以上的定位误差图可以看出，在初始值偏差??情况１下，一次校正后有些节点的误差比初始值误??而虽然在二次校正后有些节点的误差比一??在完成校正后，节点自定位更加精准。??按以下公式可得到每个节点初始值、一次校正??值和二次校正值的相对误差：??绝对误差??相对ｉ??ｘ?１００％．??（１４）??真实值??再取５个节点的平均值，得到５节点星型拓扑结构??在初始值偏差情况１下的初始值误差、一次校正值??误差和二次校正值误差，之后依次求得在初始值偏??差情况２下和情况３下的误差。表３列出了?５节点??图１５??表３可以看出，在初始值偏差情况１下，一次??校正后有些节点的误差比初始值误差要大，而虽然??在二次校正后
４９４??２０２０?年??１０〇０?１０００?２０００?３０００?４０００?５０００??距离（ｍ）??图１６海面声速为１５０３?ｍ／ｓ时的声线图??根据图１６计算接收节点最先收到的声线的长??度，作为实际计算得到的两节点间距离值，为５０１０?ｍ，??与真实距离５０００?ｍ的误差为１０?ｍ。??将海面声速改变为１５４０?ｍ／ｓ，得到的声线图如??图１７。根据图１７计算接收节点最先收到的声线的长??度，为５０１１?ｍ，与真实距离５０００?ｍ的误差为１１?ｍ。??多次改变海面的声速大小并进行仿真，计算得??到声线弯曲带来的测距误差的平均值为１１．２?ｍ。??（２）声速误差：在实际声速测量中也会产生误??差。国外的ＲＢＲ?ｄｕｅｔ?ＴＤ?ｔｉｄｅ微型温度潮位仪中，??温度的测量精度为０．００２，压力的测量精度为满量程??的０．０５％，声速测量误差约为０．０１?ｍ／ｓ．??明校正效果好，而且误差相对减少比例越小，说明校??正值越接近真实值，校正效果越好。??表４可以看出，除去初始值均向一个方向偏的??情况２，其它的误差相对减少比例均为负值，即校正??值更接近真实值，且误差均减小了大约４０％；随着网??络中节点个数的增加，所能组成的三角形个数在增??加，节点可以进行ＧＰＳ校正的次数也在增加，可以??看到误差相对减少比例也在逐渐减小，说明校正值??越来越接近真实值。??２．２．３测距误差的影响??在实际节点自定位中，由于海洋复杂的水声环??境和设备条件等，可能造成节点得出的与其它节点??间的距离产生误差。首先分析可能造成测距误差的??因素及其大概误差范围，再分析测距精度对定位的??影响程度。??可能造成节点
【参考文献】：
期刊论文
[1]Acoustic localization scheme and accuracy analysis for underwater vertical moving target using seabed stations[J]. ZHANG Xu,SUN Ao,XIN Jian,HAN Xu. Chinese Journal of Acoustics. 2019(02)
[2]基于洋流模型的水下传感器网络实时定位算法[J]. 晋泽炎,吕伟杰,刘丽萍. 传感器与微系统. 2017(12)
[3]长基线定位系统高精度阵型标定方法[J]. 韩云峰,郑翠娥,孙大军. 声学学报. 2016(04)
[4]频域单快拍压缩感知目标方位估计和信号恢复方法[J]. 康春玉,李前言,章新华,李军. 声学学报. 2016(02)
[5]一种快速稀疏贝叶斯学习的水声目标方位估计方法研究[J]. 王彪,朱志慧,戴跃伟. 声学学报. 2016(01)
[6]一种线性最小二乘法的声源目标精确定位方法[J]. 吴晓平,顾治华,舒红波,冯海林. 声学学报. 2016(01)
[7]浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究[J]. 王朋,郑胜家,黄勇,刘纪元. 声学学报. 2015(06)
[8]一种基于GPS实现水下定位的有效方法[J]. 陈逸伦. 科学技术与工程. 2011(31)
[9]水下声学传感器网络节点定位算法及自组织过程研究[J]. 梁玥,刘忠,夏清涛. 传感技术学报. 2011(03)
[10]一种基于RSSI校正的三角形质心定位算法[J]. 吕振,谭鹏立. 传感器与微系统. 2010(05)
本文编号：3309225
【文章来源】：声学学报. 2020,45(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图１２?３种拓扑结构的节点能耗??以５节点星型拓扑结构为例，比较本文采用的??类ＴＯＡ测距方法与传统ＴＯＡ测距方法在通信时的??：〇１２３
??真实值??初始值??４期??时刻，记为“时刻３”；完成测距时刻，记为“时刻４”。??从表中可以看出，类ＴＯＡ测距方法相对于传统ＴＯＡ??测距方法，减少了至少一半的能量消耗。??２．２．２定位分析??测距完成后，进行ＧＰＳ校正，并设定３种ＧＰＳ??初始值与真实值的偏差情况，其中情况１如图１３所??示，情况２如图１４所示，即所有节点朝同一个方向??偏，情况３为随机设定。将５节点蜂窝式拓扑结构??同样设定此３种情况，８节点只设定一种情况，即情??况３，随机设定。??图１５为５节点星型拓扑结构在初始值偏差情??况１下的定位误差，此误差为绝对误差，图中？‘初始??值”表示节点在放入水下时记录的初始的ＧＰＳ初始??值与节点ＧＰＳ真实值的误差，？？一次校正值”表示一??次校正后的ＧＰＳ值与节点ＧＰＳ真实值的误差，“二??次校正值“表示二次校正后的ＧＰＳ值与节点ＧＰＳ真??实值的误差。??从以上的定位误差图可以看出，在初始值偏差??情况１下，一次校正后有些节点的误差比初始值误??而虽然在二次校正后有些节点的误差比一??在完成校正后，节点自定位更加精准。??按以下公式可得到每个节点初始值、一次校正??值和二次校正值的相对误差：??绝对误差??相对ｉ??ｘ?１００％．??（１４）??真实值??再取５个节点的平均值，得到５节点星型拓扑结构??在初始值偏差情况１下的初始值误差、一次校正值??误差和二次校正值误差，之后依次求得在初始值偏??差情况２下和情况３下的误差。表３列出了?５节点??图１５??表３可以看出，在初始值偏差情况１下，一次??校正后有些节点的误差比初始值误差要大，而虽然??在二次校正后
４９４??２０２０?年??１０〇０?１０００?２０００?３０００?４０００?５０００??距离（ｍ）??图１６海面声速为１５０３?ｍ／ｓ时的声线图??根据图１６计算接收节点最先收到的声线的长??度，作为实际计算得到的两节点间距离值，为５０１０?ｍ，??与真实距离５０００?ｍ的误差为１０?ｍ。??将海面声速改变为１５４０?ｍ／ｓ，得到的声线图如??图１７。根据图１７计算接收节点最先收到的声线的长??度，为５０１１?ｍ，与真实距离５０００?ｍ的误差为１１?ｍ。??多次改变海面的声速大小并进行仿真，计算得??到声线弯曲带来的测距误差的平均值为１１．２?ｍ。??（２）声速误差：在实际声速测量中也会产生误??差。国外的ＲＢＲ?ｄｕｅｔ?ＴＤ?ｔｉｄｅ微型温度潮位仪中，??温度的测量精度为０．００２，压力的测量精度为满量程??的０．０５％，声速测量误差约为０．０１?ｍ／ｓ．??明校正效果好，而且误差相对减少比例越小，说明校??正值越接近真实值，校正效果越好。??表４可以看出，除去初始值均向一个方向偏的??情况２，其它的误差相对减少比例均为负值，即校正??值更接近真实值，且误差均减小了大约４０％；随着网??络中节点个数的增加，所能组成的三角形个数在增??加，节点可以进行ＧＰＳ校正的次数也在增加，可以??看到误差相对减少比例也在逐渐减小，说明校正值??越来越接近真实值。??２．２．３测距误差的影响??在实际节点自定位中，由于海洋复杂的水声环??境和设备条件等，可能造成节点得出的与其它节点??间的距离产生误差。首先分析可能造成测距误差的??因素及其大概误差范围，再分析测距精度对定位的??影响程度。??可能造成节点
【参考文献】：
期刊论文
[1]Acoustic localization scheme and accuracy analysis for underwater vertical moving target using seabed stations[J]. ZHANG Xu,SUN Ao,XIN Jian,HAN Xu. Chinese Journal of Acoustics. 2019(02)
[2]基于洋流模型的水下传感器网络实时定位算法[J]. 晋泽炎,吕伟杰,刘丽萍. 传感器与微系统. 2017(12)
[3]长基线定位系统高精度阵型标定方法[J]. 韩云峰,郑翠娥,孙大军. 声学学报. 2016(04)
[4]频域单快拍压缩感知目标方位估计和信号恢复方法[J]. 康春玉,李前言,章新华,李军. 声学学报. 2016(02)
[5]一种快速稀疏贝叶斯学习的水声目标方位估计方法研究[J]. 王彪,朱志慧,戴跃伟. 声学学报. 2016(01)
[6]一种线性最小二乘法的声源目标精确定位方法[J]. 吴晓平,顾治华,舒红波,冯海林. 声学学报. 2016(01)
[7]浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究[J]. 王朋,郑胜家,黄勇,刘纪元. 声学学报. 2015(06)
[8]一种基于GPS实现水下定位的有效方法[J]. 陈逸伦. 科学技术与工程. 2011(31)
[9]水下声学传感器网络节点定位算法及自组织过程研究[J]. 梁玥,刘忠,夏清涛. 传感技术学报. 2011(03)
[10]一种基于RSSI校正的三角形质心定位算法[J]. 吕振,谭鹏立. 传感器与微系统. 2010(05)
本文编号：3309225
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