無精準(zhǔn)同步的小規(guī)模水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對自定位
發(fā)布時間:2021-07-29 11:18
提出了一種無精準(zhǔn)同步的小規(guī)模水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對自定位方法。針對節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的小規(guī)模水聲網(wǎng)絡(luò),利用水聲通信在無精準(zhǔn)時鐘同步的情況下進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間測距,進(jìn)而根據(jù)由相鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)校正節(jié)點(diǎn)的相對位置。通過仿真得到,在幾種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下,該方法在測距誤差不超過10 m時,將初始定位誤差降低40%以上。在水聲網(wǎng)絡(luò)自組織的同時進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自定位,避免了傳統(tǒng)的二次定位過程,節(jié)省了節(jié)點(diǎn)能耗和定位時間,并在一定范圍內(nèi)提高了定位精度。
【文章來源】:聲學(xué)學(xué)報. 2020,45(04)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】:11 頁
【部分圖文】:
圖12?3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)能耗??以5節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例,比較本文采用的??類TOA測距方法與傳統(tǒng)TOA測距方法在通信時的??:〇123
??真實(shí)值??初始值??4期??時刻,記為“時刻3”;完成測距時刻,記為“時刻4”。??從表中可以看出,類TOA測距方法相對于傳統(tǒng)TOA??測距方法,減少了至少一半的能量消耗。??2.2.2定位分析??測距完成后,進(jìn)行GPS校正,并設(shè)定3種GPS??初始值與真實(shí)值的偏差情況,其中情況1如圖13所??示,情況2如圖14所示,即所有節(jié)點(diǎn)朝同一個方向??偏,情況3為隨機(jī)設(shè)定。將5節(jié)點(diǎn)蜂窩式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)??同樣設(shè)定此3種情況,8節(jié)點(diǎn)只設(shè)定一種情況,即情??況3,隨機(jī)設(shè)定。??圖15為5節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在初始值偏差情??況1下的定位誤差,此誤差為絕對誤差,圖中?‘初始??值”表示節(jié)點(diǎn)在放入水下時記錄的初始的GPS初始??值與節(jié)點(diǎn)GPS真實(shí)值的誤差,??一次校正值”表示一??次校正后的GPS值與節(jié)點(diǎn)GPS真實(shí)值的誤差,“二??次校正值“表示二次校正后的GPS值與節(jié)點(diǎn)GPS真??實(shí)值的誤差。??從以上的定位誤差圖可以看出,在初始值偏差??情況1下,一次校正后有些節(jié)點(diǎn)的誤差比初始值誤??而雖然在二次校正后有些節(jié)點(diǎn)的誤差比一??在完成校正后,節(jié)點(diǎn)自定位更加精準(zhǔn)。??按以下公式可得到每個節(jié)點(diǎn)初始值、一次校正??值和二次校正值的相對誤差:??絕對誤差??相對i??x?100%.??(14)??真實(shí)值??再。祩節(jié)點(diǎn)的平均值,得到5節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)??在初始值偏差情況1下的初始值誤差、一次校正值??誤差和二次校正值誤差,之后依次求得在初始值偏??差情況2下和情況3下的誤差。表3列出了?5節(jié)點(diǎn)??圖15??表3可以看出,在初始值偏差情況1下,一次??校正后有些節(jié)點(diǎn)的誤差比初始值誤差要大,而雖然??在二次校正后
494??2020?年??10〇0?1000?2000?3000?4000?5000??距離(m)??圖16海面聲速為1503?m/s時的聲線圖??根據(jù)圖16計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)最先收到的聲線的長??度,作為實(shí)際計(jì)算得到的兩節(jié)點(diǎn)間距離值,為5010?m,??與真實(shí)距離5000?m的誤差為10?m。??將海面聲速改變?yōu)椋保担矗?m/s,得到的聲線圖如??圖17。根據(jù)圖17計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)最先收到的聲線的長??度,為5011?m,與真實(shí)距離5000?m的誤差為11?m。??多次改變海面的聲速大小并進(jìn)行仿真,計(jì)算得??到聲線彎曲帶來的測距誤差的平均值為11.2?m。??(2)聲速誤差:在實(shí)際聲速測量中也會產(chǎn)生誤??差。國外的RBR?duet?TD?tide微型溫度潮位儀中,??溫度的測量精度為0.002,壓力的測量精度為滿量程??的0.05%,聲速測量誤差約為0.01?m/s.??明校正效果好,而且誤差相對減少比例越小,說明校??正值越接近真實(shí)值,校正效果越好。??表4可以看出,除去初始值均向一個方向偏的??情況2,其它的誤差相對減少比例均為負(fù)值,即校正??值更接近真實(shí)值,且誤差均減小了大約40%;隨著網(wǎng)??絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個數(shù)的增加,所能組成的三角形個數(shù)在增??加,節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行GPS校正的次數(shù)也在增加,可以??看到誤差相對減少比例也在逐漸減小,說明校正值??越來越接近真實(shí)值。??2.2.3測距誤差的影響??在實(shí)際節(jié)點(diǎn)自定位中,由于海洋復(fù)雜的水聲環(huán)??境和設(shè)備條件等,可能造成節(jié)點(diǎn)得出的與其它節(jié)點(diǎn)??間的距離產(chǎn)生誤差。首先分析可能造成測距誤差的??因素及其大概誤差范圍,再分析測距精度對定位的??影響程度。??可能造成節(jié)點(diǎn)
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[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傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時定位算法[J]. 晉澤炎,呂偉杰,劉麗萍. 傳感器與微系統(tǒng). 2017(12)
[3]長基線定位系統(tǒng)高精度陣型標(biāo)定方法[J]. 韓云峰,鄭翠娥,孫大軍. 聲學(xué)學(xué)報. 2016(04)
[4]頻域單快拍壓縮感知目標(biāo)方位估計(jì)和信號恢復(fù)方法[J]. 康春玉,李前言,章新華,李軍. 聲學(xué)學(xué)報. 2016(02)
[5]一種快速稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)的水聲目標(biāo)方位估計(jì)方法研究[J]. 王彪,朱志慧,戴躍偉. 聲學(xué)學(xué)報. 2016(01)
[6]一種線性最小二乘法的聲源目標(biāo)精確定位方法[J]. 吳曉平,顧治華,舒紅波,馮海林. 聲學(xué)學(xué)報. 2016(01)
[7]淺海運(yùn)動目標(biāo)波束域波導(dǎo)不變量測距方法研究[J]. 王朋,鄭勝家,黃勇,劉紀(jì)元. 聲學(xué)學(xué)報. 2015(06)
[8]一種基于GPS實(shí)現(xiàn)水下定位的有效方法[J]. 陳逸倫. 科學(xué)技術(shù)與工程. 2011(31)
[9]水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法及自組織過程研究[J]. 梁玥,劉忠,夏清濤. 傳感技術(shù)學(xué)報. 2011(03)
[10]一種基于RSSI校正的三角形質(zhì)心定位算法[J]. 呂振,譚鵬立. 傳感器與微系統(tǒng). 2010(05)
本文編號:3309225
【文章來源】:聲學(xué)學(xué)報. 2020,45(04)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】:11 頁
【部分圖文】:
圖12?3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)能耗??以5節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例,比較本文采用的??類TOA測距方法與傳統(tǒng)TOA測距方法在通信時的??:〇123
??真實(shí)值??初始值??4期??時刻,記為“時刻3”;完成測距時刻,記為“時刻4”。??從表中可以看出,類TOA測距方法相對于傳統(tǒng)TOA??測距方法,減少了至少一半的能量消耗。??2.2.2定位分析??測距完成后,進(jìn)行GPS校正,并設(shè)定3種GPS??初始值與真實(shí)值的偏差情況,其中情況1如圖13所??示,情況2如圖14所示,即所有節(jié)點(diǎn)朝同一個方向??偏,情況3為隨機(jī)設(shè)定。將5節(jié)點(diǎn)蜂窩式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)??同樣設(shè)定此3種情況,8節(jié)點(diǎn)只設(shè)定一種情況,即情??況3,隨機(jī)設(shè)定。??圖15為5節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在初始值偏差情??況1下的定位誤差,此誤差為絕對誤差,圖中?‘初始??值”表示節(jié)點(diǎn)在放入水下時記錄的初始的GPS初始??值與節(jié)點(diǎn)GPS真實(shí)值的誤差,??一次校正值”表示一??次校正后的GPS值與節(jié)點(diǎn)GPS真實(shí)值的誤差,“二??次校正值“表示二次校正后的GPS值與節(jié)點(diǎn)GPS真??實(shí)值的誤差。??從以上的定位誤差圖可以看出,在初始值偏差??情況1下,一次校正后有些節(jié)點(diǎn)的誤差比初始值誤??而雖然在二次校正后有些節(jié)點(diǎn)的誤差比一??在完成校正后,節(jié)點(diǎn)自定位更加精準(zhǔn)。??按以下公式可得到每個節(jié)點(diǎn)初始值、一次校正??值和二次校正值的相對誤差:??絕對誤差??相對i??x?100%.??(14)??真實(shí)值??再。祩節(jié)點(diǎn)的平均值,得到5節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)??在初始值偏差情況1下的初始值誤差、一次校正值??誤差和二次校正值誤差,之后依次求得在初始值偏??差情況2下和情況3下的誤差。表3列出了?5節(jié)點(diǎn)??圖15??表3可以看出,在初始值偏差情況1下,一次??校正后有些節(jié)點(diǎn)的誤差比初始值誤差要大,而雖然??在二次校正后
494??2020?年??10〇0?1000?2000?3000?4000?5000??距離(m)??圖16海面聲速為1503?m/s時的聲線圖??根據(jù)圖16計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)最先收到的聲線的長??度,作為實(shí)際計(jì)算得到的兩節(jié)點(diǎn)間距離值,為5010?m,??與真實(shí)距離5000?m的誤差為10?m。??將海面聲速改變?yōu)椋保担矗?m/s,得到的聲線圖如??圖17。根據(jù)圖17計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)最先收到的聲線的長??度,為5011?m,與真實(shí)距離5000?m的誤差為11?m。??多次改變海面的聲速大小并進(jìn)行仿真,計(jì)算得??到聲線彎曲帶來的測距誤差的平均值為11.2?m。??(2)聲速誤差:在實(shí)際聲速測量中也會產(chǎn)生誤??差。國外的RBR?duet?TD?tide微型溫度潮位儀中,??溫度的測量精度為0.002,壓力的測量精度為滿量程??的0.05%,聲速測量誤差約為0.01?m/s.??明校正效果好,而且誤差相對減少比例越小,說明校??正值越接近真實(shí)值,校正效果越好。??表4可以看出,除去初始值均向一個方向偏的??情況2,其它的誤差相對減少比例均為負(fù)值,即校正??值更接近真實(shí)值,且誤差均減小了大約40%;隨著網(wǎng)??絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個數(shù)的增加,所能組成的三角形個數(shù)在增??加,節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行GPS校正的次數(shù)也在增加,可以??看到誤差相對減少比例也在逐漸減小,說明校正值??越來越接近真實(shí)值。??2.2.3測距誤差的影響??在實(shí)際節(jié)點(diǎn)自定位中,由于海洋復(fù)雜的水聲環(huán)??境和設(shè)備條件等,可能造成節(jié)點(diǎn)得出的與其它節(jié)點(diǎn)??間的距離產(chǎn)生誤差。首先分析可能造成測距誤差的??因素及其大概誤差范圍,再分析測距精度對定位的??影響程度。??可能造成節(jié)點(diǎn)
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[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傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時定位算法[J]. 晉澤炎,呂偉杰,劉麗萍. 傳感器與微系統(tǒng). 2017(12)
[3]長基線定位系統(tǒng)高精度陣型標(biāo)定方法[J]. 韓云峰,鄭翠娥,孫大軍. 聲學(xué)學(xué)報. 2016(04)
[4]頻域單快拍壓縮感知目標(biāo)方位估計(jì)和信號恢復(fù)方法[J]. 康春玉,李前言,章新華,李軍. 聲學(xué)學(xué)報. 2016(02)
[5]一種快速稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)的水聲目標(biāo)方位估計(jì)方法研究[J]. 王彪,朱志慧,戴躍偉. 聲學(xué)學(xué)報. 2016(01)
[6]一種線性最小二乘法的聲源目標(biāo)精確定位方法[J]. 吳曉平,顧治華,舒紅波,馮海林. 聲學(xué)學(xué)報. 2016(01)
[7]淺海運(yùn)動目標(biāo)波束域波導(dǎo)不變量測距方法研究[J]. 王朋,鄭勝家,黃勇,劉紀(jì)元. 聲學(xué)學(xué)報. 2015(06)
[8]一種基于GPS實(shí)現(xiàn)水下定位的有效方法[J]. 陳逸倫. 科學(xué)技術(shù)與工程. 2011(31)
[9]水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法及自組織過程研究[J]. 梁玥,劉忠,夏清濤. 傳感技術(shù)學(xué)報. 2011(03)
[10]一種基于RSSI校正的三角形質(zhì)心定位算法[J]. 呂振,譚鵬立. 傳感器與微系統(tǒng). 2010(05)
本文編號:3309225
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