基于移动锚节点辅助的UWSN定位算法研究

摘要

随着无线传感器网络和水下通信技术的快速发展，人们对水下目标高精度定位的需求与日俱增，特别是在导航、海洋环境监测和资源勘探等众多领域都起着非常重要的作用。然而水下环境中，声信号存在传播损耗大、多径效应等问题，且由于作为参考节点的锚节点被置于海水中，存在能量携带有限、布放和回收困难问题，使得当前水下无线传感器网络节点的定位技术存在诸如精度低、能量消耗大等问题，不能满足各领域对水下目标定位精度和能耗的需求。 由于近年来水下潜器、水下机器人的发展，使得移动锚节点辅助定位成为解决水下移动锚节点定位问题的有效途径。本文结合水下声信号的特点，利用移动锚节点的高性能，提出了两种定位算法用于实现水下无线传感器网络的节点定位。本文的研究成果可以为高精度的水下无线传感器网络定位提供基础，促进了高精度水下定位技术的发展，具有较高的科研价值与现实意义。 本文的主要研究包括以下方面： 首先，针对现有的无线传感器网络定位算法在水下定位存在的主要问题，提出了一种基于区域判定的移动锚节点辅助水下无线传感器网络（Underwater Wireless Sensor Network,简称UWSN)节点定位算法。该算法分为区域判定和位置定位两个阶段，在区域判定阶段，采用重叠率最小的区域划分策略把目标区域划分为若干子区域，可减少所需虚拟锚节点的数量，同时将目标节点锁定在一个子区域内，然后通过规划移动锚节点最优移动路线，减少其移动距离，降低系统能耗。在位置定位阶段，使用HILBERT路径规划，采用三边定位法计算目标节点位置。 其次，针对基于移动锚节点的水下无线传感器网络节点定位算法中单向定位导致定位误差大的问题，提出一种基于组移动锚节点的UWSN定位算法。该算法利用多个移动锚节点成组提高定位过程的效率和定位结果的精确度。该定位算法在基于移动锚节点的UWSN节点定位算法的区域划分基础上，进一步降低由于单方向定位导致的定位误差。该算法的定位机制可分为子区域判定、初定位和迭代位置估计三个步骤，在子区域判断过程中，四个移动锚节点组成一个菱形，利用SCAN路径规划移动。在初定位阶段，根据区域判定的不同，得到一个目标节点的初步计算值；根据这个坐标值，移动锚节点在子区域内移动，迭代计算目标节点的位置。 通过实验验证，基于区域判定的移动锚节点辅助UWSN定位算法，不仅降低了定位过程的能耗，也提高了定位过程的精确度和效率，但是此定位算法由于子区域边缘情况下的单方向定位，导致定位误差仍然较大。因此，本文提出基于组移动锚节点的UWSN定位算法。通过仿真验证，该算法不仅降低了由于单方向定位引起的定位误差，进一步提高了定位精确度，而且提高了定位的效率。

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