基于信號幅度衰減測距的水下定位方法

摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)規模大、能量有限、可靠性差、隨機部署，無(wú)線(xiàn)模塊的通信距離有限，雖然運用全球定位系統是個(gè)很好的選擇，但是其體積大、成本高、能耗多而且需要基礎設施，不適用于低成本、自組織的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)研究發(fā)現，基于信號幅度衰減測距的水下定位方法不僅能夠滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)定位的要求，而且其成本較低，易理解及操作，精度高。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器；信號；衰減測距；水下定位

0 引言
節點(diǎn)定位在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用中非常重要，傳感器節點(diǎn)所采集到的數據必須結合其位置信息才有意義，節點(diǎn)的定位還可以在外部目標的定位和追蹤以及提高路由效率等方面發(fā)揮作用。節點(diǎn)定位在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )中占有重要的地位，在事件觀(guān)測、目標跟蹤、網(wǎng)絡(luò )構建等方面都是不可缺少的環(huán)節。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的定位問(wèn)題可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對自身傳感器節點(diǎn)的定位，另一類(lèi)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對外部目標的定位，如目標跟蹤問(wèn)題。本文主要討論節點(diǎn)自定位技術(shù)。
傳感器節點(diǎn)通常隨機部署，以自組織的方式相互協(xié)調工作，定位必須在部署后完成。全球定位系統是目前應用最廣泛的定位系統，但是其體積大、成本高、能耗多和需要基礎設施，不適用于低成本、自組織的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，或者只有少數節點(diǎn)配備來(lái)確定自身位置，作為其他節點(diǎn)定位的參考。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)規模大、能量有限、可靠性差、隨機部署、無(wú)線(xiàn)模塊的通信距離有限，這通常要求定位機制具備自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等特點(diǎn)。
在基于以上要求的前提下，基于信號幅度衰減測距的定位方法能夠很好地滿(mǎn)足上面的要求。由于網(wǎng)絡(luò )模型是在水下環(huán)境中，定位問(wèn)題還應該考慮到水下通信的特殊性和環(huán)境帶來(lái)的影響，一些適用在陸上無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的定位方法不在適用于水下環(huán)境，同時(shí)為減少開(kāi)銷(xiāo)盡可能少地使用具有GPS功能的節點(diǎn)。

1 基于信號幅度衰減測距的水下定位方法
在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，常用的測量節點(diǎn)間距離或角度技術(shù)有RSSI，AOA，TOA及TDOA。在此基礎上，根據信號幅度的衰減隨著(zhù)傳播距離和信號頻率的不同而變化，推導出了距離與頻率和幅度衰減等參數的公式。
1．1 水聲傳播的損失計算
根據水聲原理，可以得到水聲傳播損失的公式如下：
(1)對于淺海表面聲道：

(2)對于深海聲道：
傳播損失公式如下：

1．2 基于信號幅度衰減的測距定位方法
以淺海遠距離聲道為例描述定位方法，如圖1所示。

圖中：Us為發(fā)送端電信號；換能器的電聲效率有其頻率響應曲線(xiàn)；k，t為比例系數；Ps為發(fā)送端換能器將電信號轉換為的聲波信號的幅度，即聲壓；聲波經(jīng)傳輸后有傳播損失，即聲壓級的降低；Pr為衰減后接收端處聲波信號的幅度；換能器的靈敏度Mu=u／p，u為換能器接收的輸出電壓，p為聲波信號的聲壓，當然，靈敏度也有其頻率響應曲線(xiàn)；Ur為聲波經(jīng)接收端換能器轉換后的電信號幅度。