一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，属于水下无线传感器网络定位【技术领域】，包括以下步骤：步骤一、锚节点在线评估自身声明位置坐标的准确度；步骤二、待定位节点构建动态可更新定位群；步骤三、定位群进行偏差自适应校正的多跳距离估计；步骤四、求解待定位节点位置可容空间；步骤五、待定位节点坐标估计及精度评估。本发明通过对锚节点声明位置坐标的准确度在线评估及标定，降低了锚节点位置误差对定位性能的不利影响，通过偏差自适应校正的多跳距离估计，提高了多跳距离估计的准确性，增强了传感网节点对复杂定位环境的在线认知及动态自适应能力，提高了水下无线传感器网络的定位性能。
【专利说明】 一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水下无线传感器网络定位【技术领域】，特别是面向复杂海洋环境应用的水下无线传感器网络节点自定位，具体为一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法。
【背景技术】
[0002]水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks)是海洋信息感知及应用领域的一场革命，大规模随机部署于复杂海洋环境中执行信息感知、采集、处理和传输等任务是其典型的应用，例如海战场态势感知、海洋环境监测、水下目标定位跟踪等。节点自定位是水下传感网的关键支撑技术，也是此类应用的前提，因为被感知的信息通常需要有节点的位置信息相伴随。在自定位过程中，待定位节点需要依靠相应的参考信息，如参考节点的坐标、待定位节点到参考节点的距离等。理想情况下，通常假定锚节点位置和节点间的量测距离等参考信息准确。但在实际应用中，定位过程所需的参考信息会不可避免地受到复杂海洋环境的影响，多源未确知噪声的出现将会严重降低定位系统的性能，具体来讲有:受自身性能限制和环境干扰出现的锚节点位置偏差，受节点测距能力限制和多径效应等造成的测距误差，受参考链路的网络状况影响出现的多跳累积误差等。
[0003]现有定位算法大多依据中心极限定理假定锚节点位置误差与测距误差服从正态分布，或者直接假定服从理想的零均值高斯分布，进而采用最小二乘法思想进行误差处理，以期减小对定位精度的影响。但在复杂海洋环境定位中这类方法的实际效果往往不甚理想。原因有三:第一、对于水下传感网的部署环境，我们很难事先获取所有噪声准确的分布规律及特征参数，在先验信息不足的情况下直接假定误差服从正态分布甚至标准正态分布是不合理的；第二、部分学者考虑到先验信息不足的问题，采用蒙特卡洛法进行噪声特征参数的统计推断，但这类基于传统统计方法在线提取噪声特征的定位算法需要依赖大量有效的测量样本，而对于资源严重受限的水下传感网节点来说，通过重复测量来获取大量样本的方式其代价是无法承受的；第三、上述两种方法都是基于多源噪声服从高斯分布这样一个假设，但实际上伴随复杂环境定位过程的多种噪声并不严格服从高斯分布，如多跳距离估计误差、多径效应导致的测距误差、受环境干扰出现的锚节点位置误差等，显然，将所有误差都假定为高斯噪声来处理是不合理的。
[0004]因此，有必要针对定位过程中存在的先验信息不充分、多源噪声分布规律未确知、有效测距样本数不足等问题，探索一种能够在小样本条件下克服参考信息不准确造成的不利影响且对复杂定位环境具有较强在线认知及动态自适应能力的水下无线传感器网络节点自定位新方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，解决多源未确知噪声影响下同时存在锚节点位置误差与多跳距离估计偏差的水下无线传感器网络节点自定位问题；在小样本条件下，通过对锚节点声明位置坐标的准确度进行在线评估及标定，降低锚节点位置误差对定位性能的影响，通过偏差自适应校正的多跳距离估计，降低节点多跳距离估计偏差对定位性能的影响，增强节点复杂定位环境下的在线认知及动态自适应能力，提高水下无线传感器网络的定位性能。
[0006]本发明提出一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，具体包括以下步骤:
[0007]步骤一、锚节点在线评估自身声明位置坐标的准确度；
[0008](I)所有锚节点以初始时刻的声明坐标(或节点部署时经标定的初始坐标)为基准，以在线评估时间内的第η次更新坐标与基准坐标之间的欧氏距离作为位置偏离样本点，采集η次(通常情况η < 5)，构建锚节点位置偏离样本集；
[0009](2)按非参数放回抽样的方法对位置偏离样本集进行Bootstrap重抽样；
[0010](3)相继独立的抽取B个容量不变的Bootstrap样本；为满足Bootstrap法的抽样要求并控制节点计算量，通常情况B取200 ;
[0011](4)计算Bootstrap样本均值,求取标准差式；
[0012](5)计算锚节点声明位置坐标的准确度Jli =I7i=1-,其中R为节点的通讯半径;
[0013](6)标定锚节点的参考级别:准确度高于预设精度阈值的锚节点，标定为一级参考节点；低于预设精度阈值的，标定为普通锚节点；预设精度阈值通常情况取[0.95，I]区间内的实数；
[0014]步骤二、待定位节点构建动态可更新定位群；
[0015](I)待定位节点统计自身一跳至多跳阈值范围内的一级参考节点数，达到坐标估算的最低数量时，将所有一级参考节点及参与信息转发的普通中间节点纳入定位群，并转步骤三；低于坐标估算最低数量的，标定为不满足定位条件节点；多跳阈值通常情况取不大于5的自然数；坐标估算的最低数量在三维部署情况下为4，在二维部署情况下为3 ；
[0016](2)当一级参考节点的位置坐标准确度下降至低于预设精度阈值时，将其重新标定为普通锚节点，并剔除出定位群；
[0017](3)普通节点获取了位置坐标且精度高于预设精度阈值的，标定为二级参考节点；在新的定位周期，不满足定位条件节点将统计范围扩大到二级参考节点，当一、二级参考节点数之和达到坐标估算的最低数量时，构建定位群，并转步骤三；否则，继续等待下一个定位周期；
[0018]步骤三、定位群进行偏差自适应校正的多跳距离估计；
[0019](I)构建待定位节点与参考节点间的原始测距样本集，并计算原始测距样本的均值；通常情况原始测距样本数不大于5 ；
[0020](2)对原始测距样本集相继独立地进行B'次Bootstrap重抽样，并计算其均值；重抽样次数B'通常情况取200;
[0021](3)检验估计值偏差β.bias B = D' - Djll ,其中~为第j个Bootstrap样本的均值，^为原始测距样本的均值= 表明均值估计无偏；若射?表明均值估计偏高；若&^^<0,则表明均值估计偏低；
[0022](4)计算偏差校正的估计量
【权利要求】
1.一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，其特征在于:通过以下步骤来实现: 步骤一、锚节点在线评估自身声明位置坐标的准确度； (1)所有锚节点以初始时刻的声明坐标(或节点部署时经标定的初始坐标)为基准，以在线评估时间内的第η次更新坐标与基准坐标之间的欧氏距离作为位置偏离样本点，采集η次，构建锚节点位置偏离样本集； (2)按非参数放回抽样的方法对锚节点位置偏离样本集进行Bootstrap重抽样； (3)相继独立的抽取B个容量不变的Bootstrap样本； (4)计算Bootstrap样本均值,求取标准差； (5)计算锚节点声明位置坐标的准确度R为节点的通讯半径； (6)标定锚节点的参考级别:准确度高于预设精度阈值的锚节点，标定为一级参考节点；准确度低于预设精度阈值的，标定为普通锚节点； 步骤二、待定位节点构建动态可更新定位群； (1)待定位节点统计自身一跳至多跳阈值范围内的一级参考节点数，达到坐标估算的最低数量时，将所有一级参考节点及参与信息转发的普通中间节点纳入定位群，并转步骤三；低于坐标估算最低数量 的，标定为不满足定位条件节点； (2)当一级参考节点的位置坐标准确度下降至低于预设精度阈值时，将其重新标定为普通锚节点，并剔除出定位群； (3)将获取了位置坐标且精度高于预设精度阈值的普通节点标定为二级参考节点；在新的定位周期，不满足定位条件节点将统计范围扩大到二级参考节点，当一、二级参考节点数之和达到坐标估算的最低数量时，构建定位群，并转步骤三； 步骤三、定位群进行偏差自适应校正的多跳距离估计； (1)构建待定位节点与参考节点间的原始测距样本集，计算原始测距样本的均值； (2)对原始测距样本集相继独立地进行B'次Bootstrap重抽样，并计算其均值； (3)检验估计值偏差‘biasB = D* -Dia ,其中为第j个Bootstrap样本的均值，&?为原始测距样本的均值； (4)计算偏差校正的估计量為将為自小到大排序，得到 SDm0 << D(V}''； (5)计算自适应校正后的距离估计上下界，求取置信水平为l-α的多跳距离区间估计:取Q1SjTx!的整数部分，即取ft= ^xfl I，提取出%/和%/作为多跳距离区间估计的下界和上界； 步骤四、求解区间化的待定位节点位置可容空间； (I)提取由待定位节点与相邻参考节点之间的距离估计区间上下界所构成的一类约束空间；(2)提取由待定位节点与多跳参考节点间的多跳距离估计所构成的二类约束空间； (3)将定位群内所有一类、二类约束空间用区间数代替；求取所有区间数的交集，将其作为待定位节点区间化的位置可容空间； 步骤五、待定位节点坐标估计及精度评估； (1)扫描区间化后的位置可容空间，求取空间内的每个区间数子集的中心位置，将其作为待定位节点坐标的样本集；求取待定位节点坐标的最优点估计； (2)对节点的估计坐标进行精度评估；定位精度高于预设精度阈值的，标定为二级参考节点，并转步骤二 ；否则，标定为已完成定位节点，本次估计坐标即为最终坐标。
2.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，其特征在于: 所述步骤一中(I)的锚节点位置偏离样本数η通常情况不大于5 ; (3)中的重抽样次数B通常情况取200次；(6)中的预设精度阈值通常情况取[0.95，I]区间内的实数。
3.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，其特征在于: 所述的步骤二(I)中的多跳阈值通常情况取不大于5的自然数，坐标估算的最低数量在三维部署情况下为4，在二维部署情况下为3。
4.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，其特征在于: 所述的步骤三(I)中的原始测距样本数通常情况不大于5 ; (2)中的重抽样次数B'通常情况取200 ； (3)中若J = O,判定均值估计无偏，若Irfas5>O,判定均值估计偏高，若biasβ<0,判定均值估计偏低。
5.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，其特征在于: 所述的步骤四(2)中的二类约束空间其上界为多跳距离估计区间的上界，其下界为通讯半径和多跳距离估计区间下界之间较小的一个，提取公式为:
其中，S>(x)为待定位节点Na与参考节点％所构成的二类约束空间，R为节点的通讯半径，为多跳距离估计区间的下界，I IXj-XJ I2为Na与Nj间的欧氏距离，Dja^为多跳距离估计区间的上界。
6.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，其特征在于: 所述的步骤五(I)中的求取待定位节点坐标最优点估计的公式为:.Σ参!4)-
其中，Ifl为待定位节点Na坐标的最优点估计，为待定位节点坐标样本集中的一个样本，Xi为定位群内参考节点Ni的坐标，0- ai为自适应校正后的距离估计中值.?* 03是区间化后的位置可容空间。
7.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络动态自适应定位方法，其特征在于: 所述的步骤五(2)中对节点估计坐标进行精度评估的公式为:
其中，ηa为定位节点Na估计坐标的评估精度，nk为定位群内参与定位的k个参考节点的定位精度，Xa = [Xa, ya, ZJt为待定位节点Na的估计坐标,Xi = [Xi, Yi, Zi]τ为参考节点的坐标，
【文档编号】H04W84/18GK104080169SQ201410328637
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】任永吉, 钟建林, 黄隽, 宋艳波, 刘涛, 王伟亚, 郭海燕 申请人:中国人民解放军海军航空工程学院