水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋哺乳動物的定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋哺乳動物的定位方法，該方法中，包括四個位置已知且固定的錨節(jié)點(diǎn)A、B、C、D，海洋哺乳動物S的坐標(biāo)未知，四個錨節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀況，當(dāng)海洋哺乳動物發(fā)出聲信號時，四個錨節(jié)點(diǎn)接收聲信號，并測得接收信號的功率，然后四個錨節(jié)點(diǎn)廣播自己的坐標(biāo)信息及接收到的信號功率，對于此范圍內(nèi)的每一個可能的發(fā)聲功率，經(jīng)過驗(yàn)證，獲得潛在的位置坐標(biāo)及所對應(yīng)的可能的發(fā)聲功率；從中篩選獲得位置坐標(biāo)。本發(fā)明在水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中，可以有效地估計(jì)出海洋哺乳動物的坐標(biāo)。
【專利說明】水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋晡乳動物的定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的講是一種在三維空間中對海 洋哺乳動物進(jìn)行定位的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)（UASNs，Underwater Acoustic Sensor Networks)是以水聲為通 信介質(zhì)，以海洋監(jiān)測為目的，由各種水下傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是海洋監(jiān)測的 一種必要手段。近年來，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于水下資源勘探、災(zāi)難預(yù)警、國防安全等 領(lǐng)域。
[0003] 水聲信道可利用的頻率資源十分有限，通常從十幾赫茲到幾百千赫茲，而且頻 率這一稀缺資源沒有得到充分地利用。為了提高頻譜利用率，有學(xué)者提出一種智能的 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)-水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)（Underwater Cognitive Acoustic Networks, UCANs)。UCANs中借鑒認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR)技術(shù)，提出了認(rèn)知聲（Cognitive Acoustic，CA)技術(shù)。與陸地?zé)o線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)類似，UCANs中存在兩類用戶：主用戶和認(rèn)知用 戶。認(rèn)知用戶通過感知周圍頻譜的利用情況，靈活調(diào)整自身的頻率，功率或其他參數(shù)，在保 證不和主用戶沖突的情況下，提高頻譜利用率。
[0004] 在海洋中，UCANs的人工聲學(xué)系統(tǒng)與海洋生物構(gòu)成的天然聲學(xué)系統(tǒng)共享頻譜。然 而，到目前為止，大多數(shù)UCANs的研究都集中在單一的網(wǎng)絡(luò)情景中，主要解決UCANs的頻譜 發(fā)現(xiàn)、頻譜管理、頻譜分配問題，較少考慮到UCANs對水生生物，特別是海洋哺乳動物的影 響。為了促進(jìn)UCANs與水下生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展，UCANs應(yīng)掌握海洋哺乳動物位置，通信頻 率使用情況等信息，以便對UCANs的通信進(jìn)行合理調(diào)度。這一切的基礎(chǔ)是海洋哺乳動物定 位，例如UCANs中的功率控制算法需要獲取位置信息。
[0005] 對海洋哺乳動物進(jìn)行定位，與已有的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的區(qū)別在于：現(xiàn)有 定位算法多為主動定位算法，即依賴被定位節(jié)點(diǎn)與參考錨節(jié)點(diǎn)的信息交互，利用發(fā)送和接 收信號的時間、功率等參數(shù)推算其坐標(biāo)位置，但是現(xiàn)有的定位算法不能直接用于海洋哺乳 動物定位，因?yàn)槠浒l(fā)聲信號的功率、頻率和時間未知。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 出于構(gòu)建環(huán)境友好型水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的考慮，本發(fā)明提出了一種得到海洋哺 乳動物位置信息的方法。本發(fā)明利用海洋哺乳動物發(fā)出的聲學(xué)信號特點(diǎn)進(jìn)行被動定位，解 決了海洋哺乳動物無法與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互所帶來的定位問題，可以實(shí)現(xiàn)對海洋哺乳動 物的精確、快速定位。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] 水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋哺乳動物的定位方法，該方法中，包括四個位 置已知且固定的錨節(jié)點(diǎn)A、B、C、D，海洋哺乳動物S的坐標(biāo)未知，四個錨節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀況， 當(dāng)海洋哺乳動物發(fā)出聲信號時，四個錨節(jié)點(diǎn)接收聲信號，并測得接收信號的功率，然后四 個錨節(jié)點(diǎn)廣播自己的坐標(biāo)信息及接收到的信號功率，設(shè)海洋哺乳動物的發(fā)聲功率范圍是
[α，β]，單位是W;發(fā)聲功率間隔為AW，對于此范圍內(nèi)的每一個可能的發(fā)聲功率，執(zhí)行下 列的步驟一至步驟四：
[0008] 步驟一，根據(jù)A，B，C，D各個錨節(jié)點(diǎn)接收到的接收功率，計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)A，B，C，D到海 洋哺乳動物S的距離D a，Db，D。，Dd ;
[0009] 步驟二，判斷^，^，^，比是否滿足基本的三角形條件：若滿足:繼續(xù)進(jìn)行下面的檢 測，否則結(jié)束對此可能的發(fā)聲功率的檢測；
[0010] 步驟三，利用Da，Db，D。，比進(jìn)行定位，如果能定位成功，獲得潛在的位置坐標(biāo)，繼續(xù) 下面的檢驗(yàn)；否則，結(jié)束對此可能的發(fā)聲功率的檢測；
[0011] 步驟四，驗(yàn)證潛在的位置坐標(biāo)是否滿足初始的接收功率，即驗(yàn)證在一定的精確度 限定下，該潛在的位置坐標(biāo)是否在以A、B、C、D各個錨節(jié)點(diǎn)為球心，以各個錨節(jié)點(diǎn)分別到海 洋哺乳動物S的距離為半徑的4個球面上；若該潛在的位置坐標(biāo)滿足要求，則比較潛在的位 置到各個球面的距離誤差，記錄此時的最大差值ε，并暫時保存此可能的發(fā)聲功率和對應(yīng) 的潛在位置坐標(biāo)；
[0012] 步驟五，檢測完發(fā)聲功率范圍內(nèi)的每一個功率后，可能出現(xiàn)三種情況：
[0013] 1)只檢測到一組可能的發(fā)聲功率和對應(yīng)的潛在位置坐標(biāo)滿足條件，即為海洋哺乳 動物的發(fā)聲功率和海洋哺乳動物位置；2)沒有檢測到符合條件的可能的發(fā)聲功率和對應(yīng) 的潛在位置坐標(biāo)，可能是由于所采用的利用D a，Db，D。，Dd進(jìn)行定位的定位方法存在定位盲 區(qū)，無法定位；3)多組可能的發(fā)聲功率和對應(yīng)的潛在位置坐標(biāo)滿足條件，此時可對海洋哺 乳動物的速度做出估計(jì)，判斷速度是否符合實(shí)際情況，若不符合實(shí)際情況，舍去；
[0014] 如果經(jīng)驗(yàn)證后，還有多個坐標(biāo)滿足條件，則選取ε值最小的那個。
[0015] 作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟一中，依據(jù)下面的方法計(jì)算距離Da，Db，D。，D d :設(shè)某可能的 發(fā)聲功率為Ps，某個錨節(jié)點(diǎn)的接收功率為已，則該錨節(jié)點(diǎn)到海洋哺乳動物s的距離d可依據(jù) 下列的兩個公式得到：

【權(quán)利要求】
1. 水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋哺乳動物的定位方法，該方法中，包括四個位置 已知且固定的錨節(jié)點(diǎn)A、B、C、D，海洋哺乳動物S的坐標(biāo)未知，四個錨節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀況， 當(dāng)海洋哺乳動物發(fā)出聲信號時，四個錨節(jié)點(diǎn)接收聲信號，并測得接收信號的功率，然后四 個錨節(jié)點(diǎn)廣播自己的坐標(biāo)信息及接收到的信號功率，設(shè)海洋哺乳動物的發(fā)聲功率范圍是 [α，β]，單位是W;發(fā)聲功率間隔為AW，對于此范圍內(nèi)的每一個可能的發(fā)聲功率，執(zhí)行下 列的步驟一至步驟四： 步驟一，根據(jù)A，B，C，D各個錨節(jié)點(diǎn)接收到的接收功率，計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)A，B，C，D到海洋哺 乳動物S的距離Da，Db，Dc，Dd ; 步驟二，判斷Da，Db，D。，比是否滿足基本的三角形條件；若滿足，繼續(xù)進(jìn)行下面的檢測， 否則結(jié)束對此可能的發(fā)聲功率的檢測； 步驟三，利用Da，Db，D。，比進(jìn)行定位，如果能定位成功，獲得潛在的位置坐標(biāo)，繼續(xù)下面 的檢驗(yàn)；否則，結(jié)束對此可能的發(fā)聲功率的檢測； 步驟四，驗(yàn)證潛在的位置坐標(biāo)是否滿足初始的接收功率，即驗(yàn)證在一定的精確度限定 下，該潛在的位置坐標(biāo)是否在以A、B、C、D各個錨節(jié)點(diǎn)為球心，以各個錨節(jié)點(diǎn)分別到海洋哺 乳動物S的距離為半徑的4個球面上；若該潛在的位置坐標(biāo)滿足要求，則比較潛在的位置到 各個球面的距離誤差，記錄此時的最大差值ε，并暫時保存此可能的發(fā)聲功率和對應(yīng)的潛 在位置坐標(biāo)； 步驟五，檢測完發(fā)聲功率范圍內(nèi)的每一個功率后，可能出現(xiàn)三種情況： 1)只檢測到一組可能的發(fā)聲功率和對應(yīng)的潛在位置坐標(biāo)滿足條件，即為海洋哺乳動物 的發(fā)聲功率和海洋哺乳動物位置；2)沒有檢測到符合條件的可能的發(fā)聲功率和對應(yīng)的潛 在位置坐標(biāo)，可能是由于所采用的利用D a，Db，D。，Dd進(jìn)行定位的定位方法存在定位盲區(qū)，無 法定位；3)多組可能的發(fā)聲功率和對應(yīng)的潛在位置坐標(biāo)滿足條件，此時可對海洋哺乳動物 的速度做出估計(jì)，判斷速度是否符合實(shí)際情況，若不符合實(shí)際情況，舍去； 如果經(jīng)驗(yàn)證后，還有多個坐標(biāo)滿足條件，則選取ε值最小的那個。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于，步驟一中，依據(jù)下面的方法計(jì)算距離 Da，Db，D。，Dd :設(shè)某可能的發(fā)聲功率為Ps，某個錨節(jié)點(diǎn)的接收功率為匕，則該錨節(jié)點(diǎn)到海洋哺 乳動物S的距離d可依據(jù)下列的兩個公式得到 ：
式中，A(d，f)為水聲信道中的衰減，包括傳播衰減和吸收衰減，單位為dB ;d的單位為 km ;f是海洋哺乳動物發(fā)聲信號頻率，單位為kHz ;k為路徑損耗指數(shù)，路徑損耗指數(shù)k反映 了信號傳播的幾何形狀，k=l用于圓柱形傳播，k = 2用于球形傳播；a (f)由下面的Thorp 公式得到，只與頻率f有關(guān)：
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于，步驟三中，根據(jù)雙曲面定位算法，利 用DyDyDyDd進(jìn)行定位。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于，步驟四中，設(shè)（xa，ya，za)為錨節(jié)點(diǎn)A 的坐標(biāo)，（xs，ys，zs)為潛在的位置坐標(biāo)，δ為表征所述的一定的精確度限定的判別閾值，有 關(guān)錨節(jié)點(diǎn)Α的判別條件如下：
同理，對于B、C、D，構(gòu)造相應(yīng)的判定條件，并依次得到差值eb、ε。、％值，若構(gòu)造的四 個判定條件均成立，則暫時保存此可能的發(fā)聲功率和對應(yīng)的潛在位置坐標(biāo)，并記錄下此時 的εa、ε b、ε。、ε 中的最大差值ε。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于，步驟五中，對海洋哺乳動物的速度做 出估計(jì)的方法如下：， 設(shè)錨節(jié)點(diǎn)A、B、C、D接收信號的頻率分別為frl、fr2、fr3、f r4 ;用va，vb，ν。，vd分別表示海 洋哺乳動物速度矢量在每個錨節(jié)點(diǎn)與海洋哺乳動物連線上的速度矢量分量，其大小分別用 Va，vb，V。，vd表示，則過va矢量終點(diǎn)，且與v a相垂直的平面方程為： X (xs-xa) +y (ys-ya) +z (zs-za) +vaDa = 0 式中，根據(jù)多普勒效應(yīng)，

同理可得另外三個平面方程，聯(lián)立這四個平面方程可得海洋哺乳動物的速度矢量（X， y，z)和海洋哺乳動物發(fā)出的聲信號的頻率f。
【文檔編號】G01S5/06GK104142488SQ201410364564
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】金志剛, 姚貴丹, 蘇毅珊 申請人:天津大學(xué)