阅读说明：本技术 基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度估计方法 (Underwater node passive movement speed estimation method based on Doppler frequency estimation ) 是由 李德识 黄威 陈健 刘鸣柳 孟凯涛 陈浩乐 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度估计方法,包括设当前进行第k次定位,建立基于到达时间差TDOA的定位模型,获得第k-1次定位过程中水下的传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息,计算第k-1次定位过程传感节点定位位置；根据第k-1次定位到第k次定位过程中获得的多普勒频移测量值和参考浮标节点实际运动速度矢量,计算传感节点实际运动速度矢量在第k-1次定位过程中传感节点位置与参考浮标节点位置连线上的投影分量；估计传感节点从第k-1次定位过程到第k次定位过程的实际运动速度矢量；得到第k次定位过程到第k+1次定位过程期间传感节点实际运动速度矢量预测值,并预测节点实时位置。(The invention discloses a kind of underwater node passive movement speed estimation method based on Doppler frequency estimation, it is positioned including setting the current kth time that carries out, establish the location model based on reaching time-difference TDOA, the communication occasions information for obtaining sensing node and reference buoy node underwater in -1 position fixing process of kth, calculates -1 position fixing process sensing node position location of kth；The Doppler shift measurement value obtained in kth time position fixing process is navigated to according to kth -1 time and refers to buoy node actual motion velocity vector, calculates projection components of the sensing node actual motion velocity vector in -1 position fixing process of kth on sensing node position and reference buoy node position line；Estimate the actual motion velocity vector of sensing node time position fixing process from -1 position fixing process of kth to kth；Kth time position fixing process is obtained to sensing node actual motion velocity vector predicted value during+1 position fixing process of kth, and predicts node real time position.)

基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度估计方法

技术领域

本发明属于水下传感网络定位领域，尤其涉及基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度矢量估计方法。

背景技术

海洋是地球上巨大的资源宝库，而人类对于海洋的认识与调查还不到10％，巨大的海洋等待人类的认知、开发与利用。海洋环境监测、海洋资源开发和海洋权益保护成为各个国家的重大战略需求。水下巨大的压强和庞大区域范围，不适宜人类直接长期作业，而随着嵌入式系统的发展，水声通信和信号处理技术的进步，水声通信传感网络成为实现深海油井勘探、地震观测、水文环境监测、水下导航、水下救援等应用的重要手段。

在水声通信传感网络中，定位功能是不可或缺的，一方面，控制中心需要知道网络节点的位置信息以便进行回收与维护，另一方面，传感数据配有位置信息才更具有实用意义。然而由于水体具有流动性，水下节点会被动地随水体移动，需要周期性执行定位过程来保持定位位置的准确性。

为了预测节点在相邻两次定位过程之间任意时刻所在位置，需要对节点被动运动速度矢量进行估计。传统的节点运动速度矢量预测方法主要有两种，第一种方法根据本节点过去的定位位置信息，获得过去节点运动速度信息，采用维纳滤波器对节点未来运动速度矢量进行预测。这一方法的节点运动速度矢量估计精确度取决于定位准确度，若定位系统测距定位误差增大，则会对节点运动速度矢量估计造成很大影响。第二种方法根据目标节点邻居节点的运动速度信息，采用加权平均的方式来估计目标节点的运动速度。这一方法需要每个节点在定位阶段至少额外广播一次含有自身速度信息的数据包，增加了网络通信负担和节点能量开销。

实际海洋或河流水体中，不同深度水体流速不同，因此各深度节点之间存在相对运动，在相邻两次定位中，可利用信号多普勒频移对发送和接收节点相对运动情况进行估计，当节点获得多个参考节点的相对运动信息时，可进一步对其真实运动速度矢量进行估计。专利CN201710657205公开了一种基于TOA测距和多普勒效应的水下传感器节点定位方法，其中节点运动速度由传感器测量获得，多普勒频移测量值被用作定位模型参数来提高定位精度。本发明专利与上述专利不同之处在于，本发明专利公开了一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度矢量估计方法，是一种新的节点运动估计方法，被用于节点的位置预测。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度矢量估计方法，目的在于解决水下节点因水流影响产生被动运动导致定位信息失效的问题。

本发明的技术方案提供一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度估计方法，包括以下步骤：

步骤1，设当前进行第k次定位，建立基于到达时间差TDOA的定位模型，获得第k-1次定位过程中水下的传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，计算第k-1次定位过程传感节点定位位置；

步骤2，根据步骤1所得传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，以及第k次定位过程传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，测量多普勒频移；

步骤3，根据步骤2所得多普勒频移测量值，以及第k-1次定位过程和第k次定位过程中参考浮标节点实际运动速度矢量，计算传感节点实际运动速度矢量在第k-1次定位过程中传感节点位置与参考浮标节点位置连线上的投影分量；

步骤4，根据步骤3所得传感节点和各参考浮标节点之间的实际运动速度矢量的投影分量，估计传感节点从第k-1次定位过程到第k次定位过程的实际运动速度矢量；

步骤5，根据步骤4所得传感节点实际运动速度矢量估计值，得到第k次定位过程到第k+1次定位过程期间传感节点实际运动速度矢量预测值，并预测节点实时位置，直到新的定位过程开始；

步骤6，循环执行步骤1-5，持续进行运动速度估计。

而且，步骤1中，所述定位模型由水下的传感节点和水面的参考浮标节点组成，水面浮标节点作为定位参考节点辅助水下的传感节点定位；传感节点采用主动定位方式，通过基于到达时间的测距方式实现定位。

而且，对传感节点采用基于到达时间的测距方式实现定位如下，

设p＝1,2,...,P为传感节点编号，b_n为传感节点p通信范围内的一跳邻居参考浮标节点，n＝1,2,...,N为参考浮标节点编号；

第k-1次定位过程中，传感节点p发送定位请求信息时刻为待定位位置为参考浮标节点b_n接收定位请求信息时刻为参考位置为N为接收到传感节点p的定位请求信息的参考节点总数；参考浮标节点b_n发送定位响应信息时刻为传感节点p接收参考浮标节点b_n的定位响应信息时刻为

根据立体几何关系，传感节点p和参考浮标节点b_n距离表示为：

距离能够表示为：

其中c为声速，式(1)展开得：

其中为与传感节点p和参考浮标节点b_n相关的常数项；

当n＝1和n≠1时，根据TDOA定位原理，传感节点p和参考浮标节点b₁、b_n之间的距离差为：

式(4)另一种表示形式为：

其中n≠1为第k-1次定位过程传感节点p和参考浮标节点b_n之间的距离，n≠1为第k-1次定位过程参考浮标节点b₁、b_n之间的距离差，为第k-1次定位过程传感节点p和参考浮标节点b₁之间的距离，式(3)带入式(5)有：

将式(6)中项写成式(3)形式，式(6)改写为：

其中是第k-1次定位过程中传感节点p和参考浮标节点b₁相关的常数项，是参考浮标节点b₁的x,y坐标值；

将第k-1次定位过程中，基于传感节点p和参考浮标节点b₁、b_n,n＝2,3,...,N的距离信息写成矩阵形式，表示为：

H＝GΨ+W (8)

式(8)中W为高斯噪声矩阵：

其中表示第k-1次定位过程中与参考浮标节点b₁和b_n,n＝2,...,N相关的高斯噪声项，N(0,σ²)表示所述高斯噪声均值为0，方差为σ²；

式(8)中H,G为已知常数矩阵，分别表示为：

式(8)中Ψ为待求参量，包含传感节点p水平位置信息，表示为：

式(8)的最小二乘解为：

Ψ＝(G^TG)^-1G^TH (12)

其中G^T为G的转置矩阵，()^-1表示矩阵取逆；

采用Chan氏算法和Taylor级数展开算法对式(12)求解，得到第k-1次定位过程，传感节点p的定位位置估计值

而且，步骤2实现方式如下，

设第k次定位过程中，传感节点p发送定位请求信息时刻为待定位位置为参考浮标节点b_n接收定位请求信息时刻为参考位置为参考浮标节点b_n发送定位响应信息时刻为传感节点p接收参考浮标节点b_n的定位响应信息时刻为

根据步骤1得到在第k次定位过程传感节点p的定位位置估计值在第k次定位过程和第k-1次定位过程中，传感节点p发送定位请求信息时间差为定位请求信息频率为参考浮标节点b_n接收定位请求信息时间差为接收定位请求信息频率为传感节点p和参考浮标节点b_n之间与定位请求信息相关的多普勒频移为，

其中，表示节点相对位置靠近，表示节点相对位置远离。

而且，步骤3实现方式如下，

在第k次定位过程和第k-1次定位过程期间，参考浮标节点b_n实际运动速度矢量为：

参考浮标节点b_n在第k-1次定位过程中传感节点p估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的投影为：

其中为传感节点p估计位置和参考浮标节点b_n参考位置连线与水平面的夹角，

在第k次定位过程与第k-1次定位过程中，由于传感节点和参考浮标节点随水流被动运动速度较慢，在时间内，被动运动距离远远小于传感节点和参考浮标节点之间的距离，构成远场条件，定位请求信息传播轨迹近似平行；

定位请求信息传播路程差为：

其中为传感节点p在第k-1次定位过程中传感节点p的估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的投影分量；

定位请求信息传播相位差为：

其中为通信载波波长，c为声速，f为载波频率。式(13)的多普勒频移的第二种表示为：

联合式(17)(18)(19)，得到传感节点p实际运动速度矢量在第k-1次定位过程中传感节点p的估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的投影分量的计算表达式：

而且，步骤4实现方式如下，

将步骤3所述传感节点p实际运动速度矢量的投影分量写为矢量形式：

其中为的绝对值，为第k-1次定位过程中传感节点p的估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的单位方向矢量，取值为：

其中分别为坐标轴x,y,z方向的单位向量；

经过传感节点p所在位置且与传感节点p实际运动速度矢量的投影分量垂直的平面方程的一般表达式为：

其中为平面方程参数，x,y,z表示坐标轴，平面方程法向量可表示为：

传感节点p实际运动速度矢量的投影分量实质上为满足式(23)的平面的一组法向量，令

则平面方程参数为：

平面方程的一般表达式(23)经过传感节点p实际运动速度矢量的投影分量的端点以矢量形式表示为：

将矢量端点表示的坐标代入平面方程的一般表达式(23)，得到平面方程参数

当n＝1,2,...,N时，将多组平面方程以矩阵形式表达：

其中为平面方程参数矩阵，为平面方程交点，是传感节点p以位置为起点的实际运动速度矢量的终点，表示为：

所涉及的节点需要满足节点位置约束条件：至少有3个参考浮标节点不位于同一直线上；以最小二乘法求解式(29)，得到传感节点p以位置为起点的实际运动速度矢量估计值的终点坐标

在第k-1次定位和第k次定位期间，传感节点p的实际运动速度矢量估计值为：

而且，步骤5实现方式如下，

在第k次定位和第k+1次定位期间，传感节点p的实际运动速度矢量预测值为：

在第k次定位和第k+1次定位期间，传感节点p的定位预测值为：

其中为第k次定位传感节点p的定位估计值，为传感节点p在其发送定位请求信息时刻后经过的时间，当满足时，表示传感节点p第k+1次定位和第k次定位之间的任意时刻。

本发明针对水下节点受到水流影响被动移动造成的定位位置失效的问题，提出一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度矢量估计方法，所述方法不需要邻居节点的速度矢量信息，减小网络通信开销，节省了节点能量；所述方法得到的水下节点被动运动速度矢量，在相邻两次定位过程中，只与第一次定位位置相关，减小了定位误差对速度矢量估计值的影响，有利于提高节点定位预测准确度，是一种具有良好应用前景的水下节点被动运动速度矢量估计方法。

附图说明

图1是本发明实施例的定位场景示意图。

图2是本发明实施例的单次定位过程节点数据交互示意图。

图3是本发明实施例的节点位置约束条件示意图。

图4是本发明实施例的水下节点被动运动速度矢量估计示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明实施例提供一种基于多普勒频移估计的水下节点被动运动速度矢量估计方法，包含以下步骤：

步骤1：设当前进行第k次定位，建立基于到达时间差(different time ofarrival,TDOA)的定位模型，获得第k-1次定位过程中传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，计算第k-1次定位过程传感节点定位位置；

作为优选，步骤1中所述定位模型由水下的传感节点和水面浮标节点组成，所有节点搭载压力传感器，可以获得节点深度信息，并保持深度不变；水面浮标节点通过全球定位系统获得实时位置，并作为定位参考节点辅助水下传感节点定位，即参考浮标节点；水下传感节点采用主动定位方式，通过基于到达时间的测距方法实现定位。在定位区域中建立直角坐标系，坐标轴由x,y,z表示，实施例中x为水平坐标，表示东西方向，正向向东；y为水平坐标，表示南北方向，正向向北；z为垂直坐标，表示深度，正向垂直向下。k＝2,3,...,K为定位过程编号，表示第k次定位；p＝1,2,...,P为传感节点编号；b_n为传感节点p通信范围内的一跳邻居参考浮标节点，n＝1,2,...,N为参考浮标节点编号。

设第k-1次定位过程中，传感节点p发送定位请求信息时刻为待定位位置为 分别为传感节点p的x,y,z方向坐标值，p表示传感节点编号，k-1表示定位过程编号；参考浮标节点b_n接收定位请求信息时刻为参考位置为 分别为参考浮标节点b_n的x,y,z方向坐标值，n表示浮标节点编号，取值n＝1,2,...,N，N为接收到传感节点p的定位请求信息的参考节点总数，节点成功定位需要满足N≥3；参考浮标节点b_n发送定位响应信息时刻为传感节点p接收参考浮标节点b_n的定位响应信息时刻为

根据立体几何关系，传感节点p和参考浮标节点b_n距离表示为：

距离还可以表示为：

其中c为声速。式(1)展开可得：

其中为与传感节点p和参考浮标节点b_n相关的常数项。当n＝1和n≠1时，根据TDOA定位原理，传感节点p和参考浮标节点b₁、b_n之间的距离差为：

式(4)另一种表示形式为：

其中n≠1为第k-1次定位过程传感节点p和参考浮标节点b_n之间的距离，n≠1为第k-1次定位过程参考浮标节点b₁、b_n之间的距离差，为第k-1次定位过程传感节点p和参考浮标节点b₁之间的距离，式(3)带入式(5)有：

将式(6)中项写成式(3)形式，式(6)可改写为：

其中是第k-1次定位过程中传感节点p和参考浮标节点b₁相关的常数项，是参考浮标节点b₁的x,y坐标值。

将第k-1次定位过程中，基于传感节点p和参考浮标节点b₁、b_n,n＝2,3,...,N的距离信息写成矩阵形式表示为：

H＝GΨ+W (8)

式(8)中W为高斯噪声矩阵：

其中表示第k-1次定位过程中与参考浮标节点b₁和b_n,n＝2,...,N相关的高斯噪声项，N(0,σ²)表示所述高斯噪声均值为0，方差为σ²；

式(8)中H,G为已知常数矩阵，分别表示为：

式(8)中Ψ为待求参量，包含传感节点p水平位置信息，表示为：

式(8)的最小二乘解为：

Ψ＝(G^TG)^-1G^TH (12)

其中G^T为G的转置矩阵，()^-1表示矩阵取逆。

采用Chan氏算法和Taylor级数展开算法对式(12)求解，得到第k-1次定位过程，传感节点p的定位位置估计值 分别为x,y,z坐标值。

步骤2：根据步骤1所得传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，以及第k次定位过程传感节点与参考浮标节点的通信时刻信息，测量多普勒频移；

第k次定位过程中，传感节点p发送定位请求信息时刻为待定位位置为参考浮标节点b_n接收定位请求信息时刻为参考位置为 分别为x,y,z坐标值，n表示浮标节点编号，取值n＝1,2,...,N，N为接收到传感节点p的定位请求信息的参考节点总数，节点成功定位需要满足N≥3；参考浮标节点b_n发送定位响应信息时刻为传感节点p接收参考浮标节点b_n的定位响应信息时刻为根据步骤1所述定位方法，在第k次定位过程传感节点p的定位位置估计值 分别为x,y,z坐标值。

在第k次定位过程和第k-1次定位过程中，传感节点p发送定位请求信息时间差为定位请求信息频率为参考浮标节点b_n接收定位请求信息时间差为接收定位请求信息频率为传感节点p和参考浮标节点b_n之间与定位请求信息相关的多普勒频移为：

表示节点相对位置靠近；表示节点相对位置远离。

步骤3：根据步骤2所得多普勒频移测量值，以及第k-1次定位过程和第k次定位过程中参考浮标节点实际运动速度矢量，计算传感节点实际运动速度矢量在第k-1次定位过程中传感节点位置与参考浮标节点位置连线上的投影分量；

实施例中，在第k次定位过程和第k-1次定位过程期间，参考浮标节点b_n实际运动速度矢量为：

参考浮标节点b_n在第k-1次定位过程中传感节点p估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的投影为：

其中为传感节点p估计位置和参考浮标节点b_n参考位置连线与水平面的夹角，其值为：

在第k次定位过程与第k-1次定位过程中，由于传感节点和参考浮标节点随水流被动运动速度较慢，在时间内，被动运动距离远远小于传感节点和参考浮标节点之间的距离，构成远场条件，定位请求信息传播轨迹近似平行，定位请求信息传播路程差为：

其中为传感节点p在第k-1次定位过程中传感节点p的估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的投影分量。

定位请求信息传播相位差为：

其中为通信载波波长，c为声速，f为载波频率。式(13)的多普勒频移的第二种表示为：

联合式(17)(18)(19)，得到传感节点p实际运动速度矢量在第k-1次定位过程中传感节点p的估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的投影分量的计算表达式：

步骤4：根据步骤3所得传感节点p和各参考浮标节点b_n之间的实际运动速度矢量的投影分量，估计传感节点从第k-1次定位过程到第k次定位过程的实际运动速度矢量；

实施例中，将步骤3所述传感节点p实际运动速度矢量的投影分量写为矢量形式：

其中为的绝对值，为第k-1次定位过程中传感节点p的估计位置和参考浮标节点b_n的参考位置连线上的单位方向矢量，取值为：

其中分别为坐标轴x,y,z方向的单位向量。经过传感节点p所在位置且与传感节点p实际运动速度矢量的投影分量垂直的平面方程的一般表达式为：

其中为平面方程参数，x,y,z表示坐标轴，平面方程法向量可表示为：

传感节点p实际运动速度矢量的投影分量实质上为满足式(23)的平面的一组法向量，令

则平面方程参数为：

平面方程的一般表达式(23)经过传感节点p实际运动速度矢量的投影分量的端点以矢量形式表示为：

将矢量端点表示的坐标代入平面方程的一般表达式(23)，得到平面方程参数

当n＝1,2,...,N时，将多组平面方程以矩阵形式表达：

其中为平面方程参数矩阵，为平面方程交点，是传感节点p以位置为起点的实际运动速度矢量的终点，表示为：

所涉及的节点需要满足节点位置约束条件：至少有3个参考浮标节点不位于同一直线上。以最小二乘法求解式(29)，得到传感节点p以位置为起点的实际运动速度矢量估计值的终点坐标

在第k-1次定位和第k次定位期间，传感节点p的实际运动速度矢量估计值为：

步骤5：根据步骤4所得传感节点实际运动速度矢量估计值，得到第k次定位过程到第k+1次定位过程期间传感节点实际运动速度矢量预测值，并预测节点实时位置，直到新的定位过程开始；

实施例中，在第k次定位和第k+1次定位期间，传感节点p的实际运动速度矢量预测值为：

在第k次定位和第k+1次定位期间，传感节点p的定位预测值为：

其中为第k次定位传感节点p的定位估计值，为传感节点p在其发送定位请求信息时刻后经过的时间，当满足时，表示传感节点p第k+1次定位和第k次定位之间的任意时刻。

步骤6：返回步骤1，循环执行步骤1-5进行下一次定位，持续进行运动速度估计。

实施例中，对于k＝2,3,...,K，令k＝k+1，重复执行步骤1至步骤5。具体实施时，可以持续执行，直到系统停止流程。

具体实施时，本发明所提供方法可基于软件技术实现自动运行流程，执行流程的相应装置也应当在本发明保护范围内。

图1是本发明实施例的定位场景示意图。定位系统由参考浮标节点和传感节点组成，节点随水流被动运动，参考浮标节点通过卫星的全球定位系统进行自身定位，其实时位置已知，作为定位参考节点；传感节点主动发送定位请求信息，根据参考浮标节点返回的定位回复信息进行定位，传感节点定位成功要求至少收到3个或3个以上不在同一直线的参考浮标节点的定位回复信息。

图2是本发明实施例的数据交互示意图。在第k次定位过程中，传感节点p在时刻发送定位请求信息，并分别于n＝1,2,...,N,N≥3时刻到达参考浮标节点b₁,b₂,...,b_n,n＝1,2,...,N,N≥3，参考浮标节点b₁,b₂,...,b_n,n＝1,2,...,N,N≥3分别于n＝1,2,...,N,N≥3时刻返回定位回复信息，并到达传感节点p，到达时刻分别为n＝1,2,...,N,N≥3。

图3是本发明实施例的传感节点真实运动矢量与投影运动矢量关系示意图，以3个参考浮标节点为例进行说明。第k-1次定位过程，传感节点p的定位位置为从第k-1次定位过程到第k次定位过程期间，传感节点p以位置为起点的真实运动速度矢量的终点为第k-1次定位过程中，参考浮标节点位置为传感节点p真实运动速度矢量在传感节点与参考浮标节点位置连线的投影速度矢量为有向线段，分别表示为其中A,B,C分别为投影点。传感节点p以位置为起点的真实运动速度矢量的终点为是分别经过A,B,C投影点，且分别与垂直的三个平面的公共交点。

图4是本发明实施例的水下节点被动运动速度矢量估计示意图。在第k-1,k,k+1次定位过程中，传感节点p发送定位请求信息时刻分别为由定位算法得到的估计位置分别为参考浮标节点b_n接收定位请求信息时刻分别为接收定位请求信息时位置分别为第k-1次定位过程到第k次定位过程期间，参考浮标节点b_n的实际运动速度矢量为由本发明实施例所述方法得到的传感节点p的实际运动速度矢量预测值为估计值为第k次定位过程到第k+1次定位过程期间，参考浮标节点b_n的实际运动速度矢量为由本发明实施例所述方法得到的传感节点p的实际运动速度矢量预测值为估计值为第k+1次定位过程到第k+2次定位过程期间，由本发明实施例所述方法得到的传感节点p的实际运动速度矢量预测值为传感节点p的实际运动速度矢量预测值与估计值之间满足关系

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。