一种水下无线传感网同步与定位方法及系统与流程

本发明涉及信息技术领域，具体涉及一种水下无线传感网同步与定位方法及系统。

背景技术：

水下环境复杂，网络所含节点、各类传输设备、观测仪器众多，网络覆盖面广。如果没有统一的时间同步标准，观测仪器采集到的数据传送到岸基时就失去了准确性和时效性；布放在不同区域、相隔几百米甚至几千米的节点之间，也没法做到信息的同步传输和实时的互联互通。只有针对水下信息传输网的特点，制定合适的、特定的时间基准，采集到的数据才有分析、研究和利用的价值。因此，关于水下信息传输网时间同步和定位的研究在海底各设备的实时监测、采集信息的时效性与可利用性等方面具有十分重大的意义。

以往的通信网在时间同步的解决方案上一般利用接收GPS时间信号来实现对系统的时间同步。这种模式可能在陆地上尚可运行，但在水下信息传输网中不具适用性，一方面水下环境特殊，施工和维护都非常困难，接驳设备空间也有限，难以加装GPS设备；另一方面，传输网部署在水下或者是海底，接收的GPS信号可能很薄弱、很不稳定，甚至接收不到GPS信号。因此，需通过在岸基接收时钟源信号作为整个水下信息传输网的主时钟，再通过系统网络达到时间同步。

无线传感器网络节点的能量、存储能力和计算能力都非常有限，并且水下无线传感器网络还具有带宽窄、信号衰减严重、时延大且动态变化以及误码率高的特点。此外，水下传感器网络具有分层结构，并且节点容易随潮汐动态移动，这些特点都导致水下无线传感器网络的研究不同于陆上传感器网络，为水下无线传感器网络节点定位研究带来了极大的困难。

因此如何减少时间同步或者定位过程的数据交流频次，降低过程功耗和算法复杂度并达到较高的时间同步和定位精度成为迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种水下无线传感网同步与定位方法及系统，用以解决上述问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明提供一种水下无线传感网同步与定位方法，具体包括：

布设若干基准节点，基准节点设置标准时钟，基准节点定时广播带有时间戳和位置信息的数据包；

待定位同步节点设置本地时钟，实时接收所述数据包；

根据所述标准时钟和本地时钟时间计算得到基准节点和待定位同步节点间的伪距；

预处理基准节点和带定位节点位置数据和时间数据；

根据待定位同步节点目前运动状态，分别进行时间同步和定位。

优选地，所述伪距计算，包括以下步骤：

导入信号传播速度c；

采集读取所述数据包离开基准节点时的标准时间ts和数据包到达待定位同步节点时的本地时间t′o；

代入公式：ρi＝c(t′o-ts)计算得到该基准节点和待定位同步节点间的伪距ρi。

优选地，所述基准节点布设在岸基、水面或者上方，具有能量补给功能，用于广播能让待定位同步节点稳定准确接收到的定位和同步信息。

优选地，所述待定位同步节点设置有测量节点位置深度和相对位移的装置。

优选地，所述装置包括水压传感器和六轴加速度传感器。

优选地，所述预处理基准节点和待定位同步节点位置数据和时间数据，具体包括：

采集导入发送数据包的第i号基准节点的坐标(xi，yi，zi)；

采集数据包离开第i号基准节点的标准时间ts和数据包到达待定位同步节点时的本地时间t′o；

根据六轴传感器的传感器数值估计待定位同步节点的近似位置坐标

根据本地时钟时间估计待定位同步节点处本地时间与标准时间近似差值

将数据包到达待定位同步节点时的位置(xu，yu，zu)和时间差tu标示为近似位置坐标近似差值和增量之和，即：

其中tu为数据包到达待定位同步节点时本地时间t′o与标准时间to差值，即

代入伪距计算公式得到该基准节点和待定位同步节点间的近似伪距：

其中Δz为待定位同步节点深度，满足Δz＝zu-zi；

得到所述增量间关系：

Δρi＝axiΔxu+ayiΔyu-cΔtu；

其中Δρi为该基准节点和待定位同步节点间的近似伪距与伪距ρi间差值，axi，ayi表示由近似位置指向第i号基准节点的单位矢量的方向余弦。

优选地，所述根据待定位同步节点目前运动状态具体为：

根据待定位同步节点静止或者移动分别执行后续对应静止节点时间同步和定位工作或者移动节点同步和定位工作。

优选地，所述静止节点时间同步，具体包括：

所述待定位同步节点接收3个不同基准节点发送的数据包；

导入数据建立下述线性方程：

Δρ1＝ax1Δxu+ay1Δyu-cΔtu

Δρ2＝ax2Δxu+ay2Δyu-cΔtu

Δρ3＝ax3Δxu+ay3Δyu-cΔtu

转换为矩阵形式：

即：

Δρ＝HΔx

Δx＝H^-1Δρ

即得待定位同步节点位置、时间差值与近似位置、近似时间差值的偏差；

对偏差进行纠正完成时间同步和位置定位。

优选地，所述移动节点同步和定位工作，具体包括：

所述待定位同步节点接收3个不同基准节点发送的数据包；

设置第i个数据包的空间、时间四元组为：(xu+Δxi，yu+Δyi，zi，tu+Δti)；

导入数据建立下述线性方程：

Δρ1＝ax1(Δxu+Δx1)+ay1(Δyu+Δy1)-c(Δtu+Δt1)

Δρ2＝ax2(Δxu+Δx2)+ay2(Δyu+Δy2)-c(Δtu+Δt2)

Δρ3＝ax3(Δxu+Δx3)+ay3(Δyu+Δy3)-c(Δtu+Δt3)

将常数项移到等式左侧可得：

Δρ1-ax1Δx1-ay1Δy1+cΔt1＝ax1Δxu+ay1Δyu-cΔtu

Δρ2-ax2Δx2-ay2Δy2+cΔt2＝ax2Δxu+ay2Δyu-cΔtu

Δρ3-ax3Δx3-ay3Δy3+cΔt3＝ax3Δxu+ay3Δyu-cΔtu

转换为矩阵形式：

即

Δρ＝HΔx

Δx＝H^-1Δρ

即得待定位同步节点位置、时间差值与近似位置、近似时间差值的偏差；

对偏差进行纠正完成时间同步和位置定位。

本发明还提供一种水下无线传感网同步与定位系统，包括：

若干基准节点，用于定时广播带有时间戳和位置信息的数据包以供待定位同步节点接收；

待定位同步节点；

数据采集模块，用于采集包括基准节点时间、位置数据以及待定位同步节点近似位置、近似差值在内的数据等待处理；

数据处理模块，用于接收数据采集模块采集的，计算得到基准节点和待定位同步节点间的伪距，预处理基准节点和带定位节点位置数据和时间数据，并根据待定位同步节点目前运动状态，分别进行时间同步和定位。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明创新的提出基于伪距进行水下节点时间同步和定位的方法，基准节点定时广播带有时间戳和位置信息的数据包，待定位节点可以根据数据包信息进行时间同步和定位，整个时间同步和定位过程，待定位节点不需要发送任何数据包，可以节省大量功耗，水压传感器以及六轴加速度传感器可以用来判定节点的状态和移动速度，这样可以大大降低算法的时间复杂度；

(2)本发明采用基于伪距的方法进行全网的时间同步和定位，算法简单，复杂度是O(N)，并且可以达到较高的时间同步和定位精度；

(3)本发明的一种水下无线传感网同步与定位方法对待定位节点进行运动状态分类，按照静止状态和运动状态进行不同的定位和同步处理，有效提高了时间同步和定位的准确性和适用性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一种水下无线传感网同步与定位方法的基准节点和待定位同步节点关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种水下无线传感网同步与定位方法，应用于待定位同步节点静止的情况，包括：

布置基准节点设置标准时钟，基准节点定时广播带有时间戳和位置信息的数据包，基准节点可以布设在岸基、水面或者上方，具有能量补给功能，用于广播能让待定位同步节点稳定准确接收到的定位和同步信息；

待定位同步节点设置本地时钟，实时接收所述数据包，本实施例中的待定位同步节点设置有测量节点位置深度和相对位移的装置，该装置可以是水压传感器和六轴加速度传感器；

根据标准时钟和本地时钟时间计算得到基准节点和待定位同步节点间的伪距，具体包括：

包括以下步骤：

导入信号传播速度c；

采集读取所述数据包离开基准节点时的标准时间ts和数据包到达待定位同步节点时的本地时间t′o；

代入公式：ρi＝c(t′o-ts)计算得到该基准节点和待定位同步节点间的伪距ρi；

预处理基准节点和带定位节点位置数据和时间数据，具体包括：

采集导入发送数据包的第i号基准节点的坐标(xi，yi，zi)；

采集数据包离开第i号基准节点的标准时间ts和数据包到达待定位同步节点时的本地时间t′o；

根据六轴传感器的传感器数值估计待定位同步节点的近似位置坐标

根据本地时钟时间估计待定位同步节点处本地时间与标准时间近似差值

将数据包到达待定位同步节点时的位置(xu，yu，zu)和时间差tu标示为近似位置坐标近似差值和增量之和，即：

其中tu为数据包到达待定位同步节点时本地时间t′o与标准时间to差值，即

代入伪距计算公式得到该基准节点和待定位同步节点间的近似伪距：

其中Δz为待定位同步节点深度，满足Δz＝zu-zi；

得到所述增量间关系：

Δρi＝axiΔxu+ayiΔyu-cΔtu；

其中Δρi为该基准节点和待定位同步节点间的近似伪距与伪距ρi间差值，axi，ayi表示由近似位置指向第i号基准节点的单位矢量的方向余弦；

上述公式的推导过程如下：

对于基准节点和待定位间的真实距离d，从信号传播的角度，有d＝c(to-ts)，其中c为信号在水中的传播速度。另外从物理空间的角度有联立两个等式可得：

代入可得：

而根据伪距的定义有，

利用近似位置和时间差估计值可以估算出一个近似伪距：

则用户节点的位置和时间差可以标示为近似分量和增量之和，即：

因此，有

在用泰勒公式展开成：

为了消除非线性项，上述展开式中省去了一阶偏导数以后的项。各偏导数经计算为：

其中

将以及代入中，可得：

即

为了方便，引进下述变量简化公式：

即得

Δρi＝axiΔxu+ayiΔyu-cΔtu；

上述即为本实施例的采用公式的推导过程；

待定位同步节点接收3个不同基准节点发送的数据包；

导入数据建立下述线性方程：

Δρ1＝ax1Δxu+ay1Δyu-cΔtu

Δρ2＝ax2Δxu+ay2Δyu-cΔtu

Δρ3＝ax3Δxu+ay3Δyu-cΔtu

转换为矩阵形式：

即：

Δρ＝HΔx

Δx＝H^-1Δρ

即得待定位同步节点位置、时间差值与近似位置、近似时间差值的偏差；

对偏差进行纠正完成时间同步和位置定位。

实施例2

本实施例的一种水下无线传感网同步与定位方法，应用于待定位同步节点移动的情况，包括：

布置基准节点设置标准时钟，基准节点定时广播带有时间戳和位置信息的数据包，基准节点可以布设在岸基、水面或者上方，具有能量补给功能，用于广播能让待定位同步节点稳定准确接收到的定位和同步信息；

待定位同步节点设置本地时钟，实时接收所述数据包，本实施例中的待定位同步节点设置有测量节点位置深度和相对位移的装置，该装置可以是水压传感器和六轴加速度传感器；

根据标准时钟和本地时钟时间计算得到基准节点和待定位同步节点间的伪距，具体包括：

包括以下步骤：

导入信号传播速度c；

采集读取所述数据包离开基准节点时的标准时间ts和数据包到达待定位同步节点时的本地时间t′o；

代入公式：ρi＝c(t′o-ts)计算得到该基准节点和待定位同步节点间的伪距ρi；

预处理基准节点和带定位节点位置数据和时间数据，具体包括：

采集导入发送数据包的第i号基准节点的坐标(xi，yi，zi)；

采集数据包离开第i号基准节点的标准时间ts和数据包到达待定位同步节点时的本地时间t′o；

根据六轴传感器的传感器数值估计待定位同步节点的近似位置坐标

根据本地时钟时间估计待定位同步节点处本地时间与标准时间近似差值

将数据包到达待定位同步节点时的位置(xu，yu，zu)和时间差tu标示为近似位置坐标近似差值和增量之和，即：

其中tu为数据包到达待定位同步节点时本地时间t′o与标准时间to差值，即

代入伪距计算公式得到该基准节点和待定位同步节点间的近似伪距：

其中Δz为待定位同步节点深度，满足Δz＝zu-zi；

得到所述增量间关系：

Δρi＝axiΔxu+ayiΔyu-cΔtu；

其中Δρi为该基准节点和待定位同步节点间的近似伪距与伪距ρi间差值，axi，ayi表示由近似位置指向第i号基准节点的单位矢量的方向余弦；

上述公式的推导过程如下：

对于基准节点和待定位间的真实距离d，从信号传播的角度，有d＝c(to-ts)，其中c为信号在水中的传播速度。另外从物理空间的角度有联立两个等式可得：

代入可得：

而根据伪距的定义有，

利用近似位置和时间差估计值可以估算出一个近似伪距：

则用户节点的位置和时间差可以标示为近似分量和增量之和，即：

因此，有

在用泰勒公式展开成：

为了消除非线性项，上述展开式中省去了一阶偏导数以后的项。各偏导数经计算为：

其中

将以及代入中，可得：

即

为了方便，引进下述变量简化公式：

即得

Δρi＝axiΔxu+ayiΔyu-cΔtu；

上述即为本实施例的采用公式的推导过程；

所述移动节点同步和定位工作，具体包括：

所述待定位同步节点接收3个不同基准节点发送的数据包；

设置第i个数据包的空间、时间四元组为：(xu+Δxi，yu+Δyi，zi，tu+Δti)；

导入数据建立下述线性方程：

Δρ1＝ax1(Δxu+Δx1)+ay1(Δyu+Δy1)-c(Δtu+Δt1)

Δρ2＝ax2(Δxu+Δx2)+ay2(Δyu+Δy2)-c(Δtu+Δt2)

Δρ3＝ax3(Δxu+Δx3)+ay3(Δyu+Δy3)-c(Δtu+Δt3)

将常数项移到等式左侧可得：

Δρ1-ax1Δx1-dy1Δy1+cΔt1＝ax1Δxu+ay1Δyu-cΔtu

Δρ2-ax2Δx2-ay2Δy2+cΔt2＝ax2Δxu+ay2Δyu-cΔtu

Δρ3-ax3Δx3-ay3Δy3+cΔt3＝ax3Δxu+ay3Δyu-cΔtu

转换为矩阵形式：

即

Δρ＝HΔx

Δx＝H^-1Δρ

即得待定位同步节点位置、时间差值与近似位置、近似时间差值的偏差；

对偏差进行纠正完成时间同步和位置定位。

实施例3

本实施例提供一种水下无线传感网同步与定位系统，包括：

若干基准节点，用于定时广播带有时间戳和位置信息的数据包以供待定位同步节点接收；

待定位同步节点；

数据采集模块，用于采集包括基准节点时间、位置数据以及待定位同步节点近似位置、近似差值在内的数据等待处理；

数据处理模块，用于接收数据采集模块采集的，计算得到基准节点和待定位同步节点间的伪距，预处理基准节点和带定位节点位置数据和时间数据，并根据待定位同步节点目前运动状态，分别进行时间同步和定位，具体定位方法采用实施例1或者2中的方法进行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。