一种基于伽马分布模型的水声网络节点相互测距方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于伽马分布模型的水声网络节点相互测距方法，对于由N个子节点和1个主控节点构成的水声通信网络通过一定的时间分配策略，完成多次应答机制的TDOA测距过程，最后基于伽马模型进行距离信息的修正。本发明对测距信息进行校准和补偿，为进一步提高定位精度提供了可靠保证。本发明充分利用声音在水中传播速度较慢的特性，采用对测距请求信号的多次应答机制，提高了测距工作的精度和效率。
【专利说明】-种基于伽马分布模型的水声网络节点相互测距方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声通信领域，涉及水声学、统计信号检测及参数估计理论、概率论、 水声通信等相关学科。
【背景技术】
[0002] 随着世界各国海洋开发步伐的加快，海洋水声通信的研究成了世界范围内的研究 热点。水声网络节点间的测距是其最基本也是最重要的功能之一，是实现基于网络的探测、 跟踪任务的基础。
[0003] 现在常用于工程中的水声测距方法是基于请求测距端和应答测距端的TDOACTime Difference of Arrival)方法，通过计算发射端和接收端的传播时延，并根据水声传播速 度，得出距离信息，基本过程如下：
[0004] 请求测距端发送一个请求测距信号，并记录发送时刻时间；当该信号被应答测距 端接收到后，延迟一个预定好的时间后返回一个应答测距信号；当应答测距信号被请求测 距端检测后，记录当前时刻时间，与发送请求测距信号时间相减，计算出往返传播时延，根 据声在水下的传播速度，进而计算出距离信息。
[0005] 上述方法有以下特征：
[0006] (1)测量的距离信息通常被认为是服从高斯分布的样本，如专利CN 103163386A 的内容中所使用到的测距数学模型。但是在实际过程中，存在对于测距信号脉冲前沿检测 误差问题，造成距离信息的偏大，并不完全符合高斯分布特性，从而了影响网络节点的定位 精度。
[0007] (2)并未对测距信息进行有效的修正。现有方法为了提高测距精度，通常使用多次 测量求平均值的方法。但是在距离信息普遍偏大的情况下，这种方法并非是一种有效的修 正方法。
[0008] (3)使用单次的应答机制。为了获取多组距离信息，通常需要进行多次的发送测距 请求信号-发送应答测距信号的过程。由于声音在水中传播速度较慢（1500m/s)，每次测距 任务的时间周期相对较长，采用如此的单次应答机制则无法充分利用有限的时间完成多次 的测距过程。
【发明内容】
[0009] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于伽马分布的水声应答式测距方 法，能够有效的进行水声网络节点的相互测距工作，提高网络节点的测距精度。
[0010] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0011] 对于由N个子节点（编号为1、2、…N)和1个主控节点（编号为0)构成的水声 通信网络，该方法通过一定的时间分配策略，完成多次应答机制的TDOA测距过程，最后基 于伽马模型进行距离信息的修正。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0012] 步骤一：全部节点距离信息的获取
[0013] 1、在编号为1、2、…N的N个子节点和编号为0的1个主控节点构成的水声通信 网络中，节点〇、1、2、…N依次作为测距请求节点，其他节点作为测距应答节点；
[0014] 2、测距请求节点号k向全网发出测距请求信号，并记录信号开始发射时间点tk(l， 之后转为接收状态，对收到的信号进行FFT运算；所述的测距请求信号是频率为的单频 信号；
[0015] 3、测距应答节点在接收端持续进行FFT运算，一旦发现测距请求信号频段内的 频谱分量大于全频段的频谱平均值的10倍时，等待一个tX (May时间后，连续发送3次频率 为f2的测距应答信号；其中tx delay = (x-l)*tblank，X为测距应答节点号，tblank为设定的保 护间隔；
[0016] 4、测距请求节点持续对收到的信号进行FFT运算，一旦发现测距应答信号f2频 段内的频谱分量大于全频段的频谱平均值的10倍，根据所接到频率为f2信号的顺序（共 3* (N-I)次，每个应答节点会回复3个应答信号）判断信号是否属于X节点所发出的应答信 息，记录接到频率为f2信号的时刻为tkxl、tkx2和tkx3 ;
[0017] 5、各节点判断N节点是否已经作为过测距请求节点进行过上述过程，若是则进行 第二步；若不是则回到步骤1选择下一个节点号作为测距请求节点；
[0018] 步骤二：全部测距信息的修正
[0019] 1、全网所有节点计算当自身作为测距请求节点时测距请求信号和应答信号在水 中的传播时延，即tkxl' =tkxl-tkQ- tx_delay ? ^kx2 - tkx2_tk〇_t x_delay ^interval J ^kx3 - tkx3_tk〇_tx- delay-2tinterval，tkxl'、tkx2'、t kx3'表示节点号k作为测距请求节点，节点x作为应答节点时，测 距请求信号和应答第一、第二、第三次信号在水下环境中传播的时间；
[0020] 2、通过水下声速c = 1500m/s将节点k存储的N-I组tkxl'、tkx2'、tkx3'时间数据 转换为距离数据，即 dkxl = c*tkxl'，dkx2 = c*tkx2'，dkx3 = c*tkx3'，dkxl，dkx2, dkx3 表示表示节 点号k作为测距请求节点，节点号为x应答节点时，测距请求信号和应答第一、第二、第三次 信号在水下环境中传播的双程距离之和；
【权利要求】
1. 一种基于伽马分布模型的水声网络节点相互测距方法，其特征在于包括下述步骤： 步骤一：全部节点距离信息的获取 1) 在编号为1、2、"·Ν的N个子节点和编号为O的1个主控节点构成的水声通信网络 中，节点0、1、2、…N依次作为测距请求节点，其他节点作为测距应答节点； 2) 测距请求节点号k向全网发出测距请求信号，并记录信号开始发射时间点tk(l，之后 转为接收状态，对收到的信号进行FFT运算；所述的测距请求信号是频率为的单频信号； 3) 测距应答节点在接收端持续进行FFT运算，一旦发现测距请求信号频段内的频谱 分量大于全频段的频谱平均值的10倍时，等待一个t X (May时间后，连续发送3次频率为f2 的测距应答信号；其中tx_delay = (x-l)*tblank，X为测距应答节点号，tblank为设定的保护间 隔； 4) 测距请求节点持续对收到的信号进行FFT运算，一旦发现测距应答信号f2频段内的 频谱分量大于全频段的频谱平均值的10倍，根据所接到频率为f 2信号的顺序判断信号是 否属于X节点所发出的应答信息，记录接到频率为f2信号的时刻为t kxl、tkx2和tkx3 ; 5) 各节点判断N节点是否已经作为过测距请求节点进行过上述过程，若是则进行第二 步；若不是则回到步骤1)选择下一个节点号作为测距请求节点； 步骤二：全部测距信息的修正 1) 全网所有节点计算当自身作为测距请求节点时测距请求信号和应答信号在水中 的传播时延，即tkxl' = tkxl-tk(l- tx-delay，tkx2 - ^kx2 ^kO ^x_delay ^ interval? ^kx3 - ^kx3 ^kO ^x_ delay-2tinterval，tkxl'、tkx2'、t kx3'表示节点号k作为测距请求节点，节点X作为应答节点时，测 距请求信号和应答第一、第二、第三次信号在水下环境中传播的时间； 2) 通过水下声速c = 1500m/s将节点k存储的N-I组tkxl'、tkx2'、tkx3'时间数据转换 为距离数据，即 dkxl = c*tkxl'，dkx2 = c*tkx2'，dkx3 = c*tkx3'，dkxl，dkx2, dkx3 表示表示节点号 k作为测距请求节点，节点号为x应答节点时，测距请求信号和应答第一、第二、第三次信号 在水下环境中传播的双程距离之和； 3) 按照公式
确定dkx，即节点k作为测距请求节点，节点X作为 应答节点时，根据伽马模型修正后的单程通信距离；其中dkx表示双程应答测距Dkx统计量 的采样样本值，dkx表示对Dkx/2即单程距离估计，即最终获得的修正后的距离信息；β表示 对β的估计，β为伽马概率分布参数；η表示对D kx的观测采样次数。
2. 根据权利要求1所述的基于伽马分布模型的水声网络节点相互测距方法，其特征在 于：所述的η为3。
【文档编号】G01S5/18GK104391275SQ201410674363
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】王海燕, 房伟, 申晓红, 高婧洁, 何轲, 赵瑞琴, 姜喆, 白卫岗, 闫永胜, 花飞 申请人:西北工业大学