聲基陣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被動式時間同步與定位方法

邱揚剛,張 亞,李世中

(中北大學(xué)機電工程學(xué)院,山西太原 030051)

0 引言

國外對傳感器無線組網(wǎng)的研究起步較早,其巨大的軍事應(yīng)用價值得到世界上許多國家的極大關(guān)注[1]。其中被動聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點使其在戰(zhàn)術(shù)防空中可用于復(fù)雜地形地區(qū)的低空預(yù)警和雷達補盲。單個的被動聲基陣探測范圍小,對動目標(biāo)的探測和預(yù)警能力有限,信息很難共享,而被動聲傳感器基陣網(wǎng)絡(luò)的信息化能力和感知探測能力則有質(zhì)的提高,具有可快速部署、可自組織、覆蓋區(qū)域大、隱蔽性強和高容錯性等優(yōu)點,因此極具應(yīng)用前景。而其研究難點之一就在于聲傳感器區(qū)域無線組網(wǎng)技術(shù)。

在無線組網(wǎng)技術(shù)中,目前已有的基于距離的節(jié)點定位方法主要為基于時間到達的TOA定位、基于到達時間差的 TDOA定位、基于到達角度的AOA定位和基于接收信號強度指示的RSSI定位[2]。TOA定位和TDOA定位要求精確的時間同步,利用距離信息和相應(yīng)算法完成節(jié)點定位,對硬件的要求較高,成本高;AOA定位以TOA定位為基礎(chǔ),利用天線陣列感知方位角,通過三角測量法完成節(jié)點定位[3],該技術(shù)復(fù)雜、通信量大、能耗高;RSSI定位則不適用于復(fù)雜開闊的外部環(huán)境。針對以上節(jié)點定位方法的缺點和不足,本文提出被動式時間同步機制與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的被動聲基陣定位方法。

1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型

聲學(xué)定位模型設(shè)計是被動聲定位的關(guān)鍵技術(shù)之一。五元空間被動聲探測基陣的優(yōu)點是定距精度高、定向精度與方位角無關(guān)、俯仰角對定距精度的影響較小,應(yīng)用于動目標(biāo)的被動聲探測和節(jié)點定位較為理想[4]。

被動聲基陣無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位機制中,節(jié)點的定位部分由揚聲器、五元聲傳感器基陣、處理器模塊和無線通信模塊組成,如圖1所示。

圖1 五元空間被動聲探測基陣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位圖示Fig.1 The five-element space detection array network node localization model

五元空間被動聲探測基陣網(wǎng)絡(luò)包含任務(wù)節(jié)點、信標(biāo)節(jié)點以及管理終端,大量的聲基陣節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi),通過自組方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。任務(wù)節(jié)點檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)處理模塊處理后沿路由路徑節(jié)點逐跳地進行傳輸,經(jīng)多跳后路由到信標(biāo)節(jié)點,最后通過管理終端傳輸給用戶。每個任務(wù)節(jié)點兼有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和路由器雙重功能,除進行監(jiān)測區(qū)域的信息收集和處理外,還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行處理和轉(zhuǎn)發(fā)。信標(biāo)節(jié)點是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點,有足夠的能量供應(yīng)、較大的內(nèi)存和較強的計算能力,能獨立完成自身的定位和授時,它的通信能力、存儲能力、處理能力都要較任務(wù)節(jié)點強,它擔(dān)負其他任務(wù)節(jié)點的位置定位、授時,它連接著一定數(shù)量的任務(wù)節(jié)點和管理終端,實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換,同時將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到管理終端。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被動聲基陣定位

節(jié)點定位過程中不僅包括地理位置信息,還包括至關(guān)重要的時間信息[5]。在被動式時間同步機制下,利用本地時鐘的時延值或時間差,節(jié)點的五元被動聲基陣即可完成節(jié)點自身定位。

2.1 被動式時間同步機制

時間同步對網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸和交換具有重要意義。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的定位離不開時間同步,因此提出了多種時間同步機制。NTP協(xié)議已廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng),具有易擴展、精度高的優(yōu)點,但它依賴于有線的傳輸網(wǎng)絡(luò)不適于無線傳感器網(wǎng)絡(luò);無線廣播報時系統(tǒng)在聲傳感器基陣網(wǎng)絡(luò)中很難得到相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的支持,而且易受干擾破壞;GPS能為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供納秒級精度的標(biāo)準(zhǔn)時間,也適于在地形復(fù)雜開闊的地域使用,但是需要較高成本的接收機,無法每個節(jié)點都配備,只能為少數(shù)的信標(biāo)節(jié)點使用。而且我國沒有GPS的主控權(quán),使用的是降低精度的粗碼,戰(zhàn)時更是不可依賴。我國的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)投入使用后,我們可以得到精度更高和完全控制權(quán)的定位、授時服務(wù),完全可以為關(guān)鍵節(jié)點定位授時。

無線傳感器領(lǐng)域的三種基本時間同步機制RBS、TPSN 和 TINY/MINI-SYNC,適用于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)。RBS機制適合多跳網(wǎng)絡(luò),它用去除發(fā)送時間和訪問時間的方法來提高時間同步精度。但在實際傳感器網(wǎng)絡(luò)中,需要多個簇之間有共同點進行比對,才能實現(xiàn)時間同步,這依賴于有效的分簇方法,需要交換多個同步消息,消耗較多的網(wǎng)絡(luò)能量,并且隨條數(shù)的增多而誤差增大。TPSN時間同步協(xié)議能提供比RBS機制更高的同步精度,但其同步信息交換頻繁,協(xié)議開銷大,而且一旦根節(jié)點失效則整個網(wǎng)絡(luò)將喪失時間同步信息。TINY/MINI-SYNC同步算法的前提是時鐘頻偏和相偏固定不變,這在實際網(wǎng)絡(luò)中難以實現(xiàn),較低成本的晶振很難保證其長時間的穩(wěn)定,這個問題同樣存在于以上兩種機制之中,這就需要信標(biāo)節(jié)點按一定的周期發(fā)送同步信息對時,這樣既耗費寶貴的能量又占用通信通道,會對突如其來的目標(biāo)信息的轉(zhuǎn)發(fā)造成阻塞。

聲基陣傳感器網(wǎng)絡(luò)的主探測器是五元空間聲傳感器基陣,在定位過程中需要本地時鐘的時延值或時間差,而不必與信標(biāo)節(jié)點嚴(yán)格地時間同步,該網(wǎng)絡(luò)的時間原理如圖2所示,每一個節(jié)點都有標(biāo)識ID和本地時鐘,節(jié)點的本地時鐘無需與信標(biāo)節(jié)點同步。信標(biāo)節(jié)點通過GPS或北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得精確的定位和授時,以此為網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)時間。圖中目標(biāo)事件發(fā)生未知時刻為T,T為信標(biāo)節(jié)點接收到單跳任務(wù)節(jié)點發(fā)送的目標(biāo)信息的時刻,Tn為信標(biāo)節(jié)點接收到n跳任務(wù)節(jié)點發(fā)送的目標(biāo)信息的時刻;t1為任務(wù)節(jié)點完成對聲目標(biāo)的探測、數(shù)據(jù)處理,并將數(shù)據(jù)發(fā)送給信標(biāo)節(jié)點所需的時間,即任務(wù)時間延遲t1=ta+tb,其中ta為目標(biāo)的聲信號發(fā)出到達探測基陣所需的時間,由計算得到;tb為完成信號處理、數(shù)據(jù)發(fā)送所需的時間,由節(jié)點本地時鐘測得;故t1可實際測得。t2～tn為n跳內(nèi)每個路由節(jié)點完成數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)所需時間,由每個路由節(jié)點的本地時鐘測得,因此在目標(biāo)探測、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)每個過程所耗費的時間均可測得。這樣信標(biāo)節(jié)點通過已知時刻對已知時間延遲相減,其結(jié)果為目標(biāo)事件發(fā)生的時刻,即:

在節(jié)點定位不需時間同步的情況下,依據(jù)聲傳感器基陣網(wǎng)絡(luò)的實際,使用無需嚴(yán)格同步的時間方式,稱之為被動式時間同步方式。

圖2 五元空間被動聲探測基陣網(wǎng)絡(luò)時間機制原理圖Fig.2 The network time mechanism principles of the five-element space detection array

2.2 節(jié)點被動聲基陣定位

在聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中,目標(biāo)事件發(fā)生的位置和獲取信息的節(jié)點位置是聲傳感器節(jié)點所監(jiān)測信息中至關(guān)重要的信息,沒有位置信息就無法獲得目標(biāo)的方位、高度、速度、航向等信息。聲傳感器節(jié)點隨機布放在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)以信標(biāo)節(jié)點為中心進行有效地分簇,隨機布放的聲傳感器節(jié)點除信標(biāo)節(jié)點外無法知道自身位置,聲傳感器節(jié)點在布放后要能夠完成自身定位,節(jié)點根據(jù)離自己最近的信標(biāo)節(jié)點的位置,利用自身攜帶的聲基陣傳感器按被動聲定位的方式和算法確定自身的位置。

聲基陣節(jié)點的定位原理如圖3所示,該基陣共有5個傳感器,S0、S1、S2、S3和 S4分別在 x軸和 z軸、y軸和z軸構(gòu)成的坐標(biāo)平面內(nèi),距坐標(biāo)軸的距離為l,以S0為原點建立直角坐標(biāo)系。假設(shè)節(jié)點A(x,y),節(jié)點到原點的距離為r,聲波以球面波進行傳播,以地北為基準(zhǔn)逆時針方向方位角為φ,τi(i=1,2,3,4)為節(jié)點的聲信號到達傳感器Si和S0的時間差。ri(i=1,2,3,4)為節(jié)點的聲信號到達Si和S0的距離差,c為聲速。則有:

圖3 五元空間探測基陣節(jié)點定位原理圖Fig.3 The node localization principles of the five-element space detection array

根據(jù)直角坐標(biāo)系中兩點間的距離公式可得節(jié)點A的位置極坐標(biāo)(φ,r)的表達式為:

上述方程即為五元空間被動聲探測基陣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置的定位方程。該五元空間基陣布陣有較好的定向精度和定距精度,方位角的誤差與方位角和距離無關(guān),在水平方向俯仰角對方位角和距離的影響較小。

被動聲基陣網(wǎng)絡(luò)中,信標(biāo)節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中所占的比例很小,配置較高。由北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)或GPS系統(tǒng)提供定位和授時,其他未知任務(wù)節(jié)點的參考坐標(biāo)由信標(biāo)節(jié)點通過無線通信方式發(fā)布自己的位置坐標(biāo)(x,y),單跳距離的未知任務(wù)節(jié)點接收。信標(biāo)節(jié)點的揚聲器發(fā)出聲信號,離信標(biāo)節(jié)點單跳距離的未知任務(wù)節(jié)點利用五元聲傳感器基陣模塊接收聲信號,經(jīng)處理后由定位公式(3)計算出信標(biāo)節(jié)點相對自己的距離r和方位角φ,由兩點換算公式(4)換算成自己的位置坐標(biāo):

在完成定位的同時,每個節(jié)點都會記錄下自己的跳數(shù),將得到的跳數(shù)信息和位置信息通過無線模塊反饋給信標(biāo)節(jié)點,最終傳遞給管理終端處理。單跳一級的節(jié)點按方位角 φ由小到大的優(yōu)先級順序,按上述方式對多跳未知節(jié)點進行定位。

3 節(jié)點定位誤差分析

從定位公式來看,影響位置精度的因素有聲速、時延估計、聲陣尺寸和陣型的幾何形狀,為驗證五元空間陣對節(jié)點的定位性能,下面對節(jié)點誤差進行分析仿真,基于三個前提假設(shè):

1)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點處于同一水平面(在其他俯仰角情況下仍可利用聲基陣測得,這里設(shè)節(jié)點處于水平面);

2)設(shè)節(jié)點距離的變化范圍為0＜r≤200 m,有效聲速為334 m/s(探測單元利用其他傳感器探測風(fēng)速、溫度、濕度等值加以修正);

3)各聲傳感器時延估計的標(biāo)準(zhǔn)偏差相同,即:

3.1 方位角誤差分析

在俯仰角θ=90°方位角估計的誤差為:

節(jié)點定位的方位角精度與時延估計誤差、聲陣尺寸有關(guān),與方位角和距離無關(guān)。方位角誤差的仿真結(jié)果如圖4所示。圖 4為俯仰角 θ=90°時,方位角誤差隨時延估計誤差和聲陣尺寸變化的曲面圖。

圖4 方位角誤差與聲陣尺寸、時延估計誤差關(guān)系圖Fig.4 Azimuth error vs array size and time delay error diagram

從圖4可以看出:時延估計誤差取不同值時,方位角誤差隨聲陣尺寸變化的曲線。當(dāng)στ≤10μs,l≥0.2 m時 ,方位角誤差σφ＜0.8°。當(dāng) στ≤5μs,時,方位角誤差 σφ＜0.4°。

3.2 距離相對誤差分析

在俯仰角θ=90°時,距離相對誤差為:

距離相對估計誤差與時延估計誤差、陣列尺寸和節(jié)點間實際距離有關(guān),與方位角無關(guān)。圖5是俯仰角θ=90°時,距離相對誤差隨時延估計誤差和聲陣尺寸變化的曲面圖。圖中可以看出增大聲陣尺寸和減小時延估計誤差可以減小距離相對誤差。當(dāng)στ≤5μs,l≥0.2 m時,距離相對誤差小于10%,當(dāng)l≥0.5 m時,相對誤差小于1.5%。

圖5 距離相對誤差與聲陣尺寸、時延估計誤差關(guān)系圖Fig.5 Range relative error vs array size and time delay error diagram

圖6 是當(dāng)στ=5μs,l=0.5 m時,距離相對誤差與距離的關(guān)系圖。

圖6 距離相對誤差與距離關(guān)系圖Fig.6 Range relative error vs range diagram

由圖6可知,當(dāng)要求距離相對誤差為0.82%,即距離誤差為1 m時,對應(yīng)的節(jié)點距離為122 m。當(dāng)r=200 m時,距離相對誤差小于1.4%。而在500 m時的距離相對誤差則約為3.5%。可見,在一定的時延估計誤差和陣列尺寸下,聲陣的測距精度隨著目標(biāo)距離的增大而下降,隨距離的增加誤差增大。

4 結(jié)論

本文提出了被動式時間同步機制下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被動聲基陣定位方法,該方法在被動式時間同步機制下,利用本地時鐘的時延值或時間差,節(jié)點的五元被動聲基陣即可完成節(jié)點自身定位,其對硬件要求低,通信量小,節(jié)省能量開銷。誤差分析表明節(jié)點在有效的定位距離內(nèi)精度較高,為網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)融合處理提供研究依據(jù)。

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