基于坐標(biāo)修正的改進(jìn)型三邊定位算法

郭世俊， 雷虎， 何淋， 劉用功， 陳元鵬

(廣州航海學(xué)院 輪機(jī)工程學(xué)院，廣州 510330)

基于坐標(biāo)修正的改進(jìn)型三邊定位算法

郭世俊， 雷虎， 何淋， 劉用功， 陳元鵬

(廣州航海學(xué)院 輪機(jī)工程學(xué)院，廣州 510330)

針對(duì)海洋無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜、通信受遮蔽效應(yīng)較大、信號(hào)衰減嚴(yán)重等問題，將傳統(tǒng)的WSN三邊定位算法應(yīng)用到海洋環(huán)境，提出一種基于坐標(biāo)修正的改進(jìn)型三邊定位算法.利用EXata平臺(tái)進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果表明，提出的算法具有較高的定位精度和較好的海上動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)性，能提升海上搜救效率.

交通信息工程； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 三邊定位； 海事搜救

0 引 言

21世紀(jì)是全面建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵時(shí)期，在中國(guó)共產(chǎn)黨第十八次全國(guó)代表大會(huì)提出“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略目標(biāo)后，習(xí)近平主席又進(jìn)一步提出“一帶一路”的宏偉戰(zhàn)略構(gòu)想.隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，人類開發(fā)海洋、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的需求不斷增長(zhǎng)，海上經(jīng)貿(mào)得到迅速發(fā)展，但海上運(yùn)輸?shù)娜找娣泵κ沟媒鼛啄旰Ｉ鲜鹿拾l(fā)生率不斷上升.這就給海上搜救提出了新的要求，其中提高海上定位精度對(duì)提升搜救成功率和最大程度地減少海上事故損失起著重要的作用.

海洋無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)以自組織方式形成.信標(biāo)節(jié)點(diǎn)內(nèi)置全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)，能實(shí)時(shí)獲取自身位置，與待搜救人員或貨物所攜帶的未知節(jié)點(diǎn)數(shù)相比，其數(shù)量是有限的.給每件救生衣配置帶GPS信號(hào)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，不僅成本巨大[1]，而且也沒有必要.隨著通信技術(shù)的發(fā)展，利用WSN節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)較高精度的未知節(jié)點(diǎn)定位.

然而，海洋WSN節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜[2]，節(jié)點(diǎn)間通信受海浪遮蔽效應(yīng)大，信號(hào)傳播受環(huán)境噪聲干擾嚴(yán)重，故傳統(tǒng)的WSN節(jié)點(diǎn)定位算法在海洋環(huán)境下的普適性較差，難以實(shí)現(xiàn)在海洋環(huán)境下的精確定位.

本文對(duì)傳統(tǒng)WSN三邊定位算法進(jìn)行坐標(biāo)修正，提出一種基于坐標(biāo)修正的改進(jìn)型三邊定位算法(Improved Three-edge Localization Algorithm，ITLA)，減小在惡劣海況下利用接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)測(cè)距時(shí)的誤差，實(shí)現(xiàn)在惡劣海況下對(duì)海洋WSN節(jié)點(diǎn)的較高的定位精度，提高海上搜救效率.

1 WSN定位研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)WSN定位提出了許多優(yōu)秀的算法.夏侯凱順等[3]提出了自適應(yīng)分簇機(jī)制，在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)內(nèi)優(yōu)先選取一部分節(jié)點(diǎn)形成工作簇，以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精確獲取，同時(shí)提出改進(jìn)型最小二乘法加權(quán)方式以提高RSSI定位準(zhǔn)確率.王振朝等[4]提出了改進(jìn)的加權(quán)算法，以節(jié)點(diǎn)距離倒數(shù)之和代替距離和的倒數(shù)作為權(quán)值，不僅解決了三角形質(zhì)心定位算法(Triangle and Centroid Localization Algorithm, TCLA)測(cè)距誤差大、定位精度不高的問題，而且提高了節(jié)點(diǎn)信息利用率.李國(guó)柱[5]將未知節(jié)點(diǎn)的位置和RSSI測(cè)距參數(shù)作為自變量，RSSI誤差作為目標(biāo)函數(shù)，并用粒子群優(yōu)化算法估算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，提出了不依賴于RSSI測(cè)距參數(shù)選取的三維定位算法，進(jìn)一步提高了定位精度.丁海強(qiáng)等[6]提出了一種負(fù)約束條件下的似然估計(jì)定位算法，對(duì)參考節(jié)點(diǎn)通信范圍外的未知節(jié)點(diǎn)，引入負(fù)約束提高定位精度，而后根據(jù)節(jié)點(diǎn)通信情況建立正約束和負(fù)約束條件下的似然估計(jì)函數(shù)，進(jìn)而利用粒子群優(yōu)化算法確定未知節(jié)點(diǎn)最佳坐標(biāo).LIU等[7]考慮復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)傳播的影響，改進(jìn)了三邊定位算法(TLA)，提高了在惡劣通信環(huán)境下的定位精度.

海洋WSN節(jié)點(diǎn)定位是WSN新的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn).LIU等[9]對(duì)海事監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、拓?fù)淇刂萍岸ㄎ坏汝P(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究，引入雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)中Cth/m的檢測(cè)思想，降低了漏警率和虛警率，同時(shí)提高了故障識(shí)別率；羅強(qiáng)[10]對(duì)水下WSN的部署問題進(jìn)行了研究；畢衛(wèi)紅等[11]給出了基于WSN的海洋水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；盛堰等[12]提出了一種水下WSN數(shù)據(jù)的盲分離算法；郭忠文等[13]和WANG等[14]對(duì)海洋WSN節(jié)點(diǎn)的水下三維定位進(jìn)行了闡述；董傳明等[15]提出了基于時(shí)空特性的檢測(cè)方法以降低節(jié)點(diǎn)漏警率和虛警率，提高了WSN的故障識(shí)別率；劉磊等[16]對(duì)海洋監(jiān)測(cè)WSN的節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行了量化分析；WU等[17]對(duì)基于RSSI的數(shù)據(jù)傳輸模型進(jìn)行了研究，建立符合海上信號(hào)傳播特性的遮蔽模型，而后建立符合海上環(huán)境特征的路徑損耗優(yōu)化模型，并對(duì)TCLA進(jìn)行優(yōu)化，提出一種基于RSSI加權(quán)的TCLA，提高了海上搜救的定位精度和搜救成功率.然而,以上研究均未給出相應(yīng)的定位算法，更未對(duì)海洋WSN節(jié)點(diǎn)間基于RSSI的測(cè)距誤差進(jìn)行分析.

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，考慮海洋WSN節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜、通信受遮蔽效應(yīng)大、信號(hào)衰減嚴(yán)重等問題，對(duì)傳統(tǒng)的WSN三邊定位算法的定位誤差進(jìn)行修正，提出一種基于坐標(biāo)修正的ITLA，以提高定位精度，提高搜救成功率.

2 基于坐標(biāo)修正的ITLA

基于坐標(biāo)修正的ITLA流程見圖1.首先確定與未知節(jié)點(diǎn)距離最近的4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，然后利用這4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算值與實(shí)際值的差值作為修正值，并對(duì)這4個(gè)修正值賦予不同的權(quán)重，最終確定未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo).

圖1 基于坐標(biāo)修正的 ITLA流程

2.1 三邊定位算法誤差分析

對(duì)海洋WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，節(jié)點(diǎn)在風(fēng)、浪、涌作用下呈現(xiàn)高度的三維動(dòng)態(tài)性，節(jié)點(diǎn)之間的通信受到較大干擾.海洋WSN節(jié)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)性對(duì)通信的影響見圖2,其中:A，B，C和D為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，E為未知節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)在海洋環(huán)境力作用下呈現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)性;信標(biāo)節(jié)點(diǎn)C與未知節(jié)點(diǎn)E之間的通信受海洋環(huán)境影響最大，其他的次之.

圖2 海洋WSN節(jié)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)性對(duì)通信的影響

遮蔽效應(yīng)指信號(hào)隨距離的衰減并不是平滑的，當(dāng)信號(hào)穿越各種障礙物(如海浪)或被反射時(shí)會(huì)損失能量.通常情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)很容易配置測(cè)定信號(hào)強(qiáng)度的模塊.已知發(fā)射功率，根據(jù)在接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量到的接收功率，計(jì)算路徑損耗，然后用經(jīng)驗(yàn)傳播模型將路徑損耗轉(zhuǎn)化為距離.基于此原理的RSSI測(cè)距法通常使用的路徑損耗模型為

眾所周知，詞匯知識(shí)對(duì)于語(yǔ)言學(xué)習(xí)者，不是“要么至關(guān)重要，要么無(wú)關(guān)緊要”的現(xiàn)象（Laufer,1998)[6]，而是語(yǔ)言知識(shí)若干層面和維度的連續(xù)體（Laufer&Paribakth,1998,p.367)[7]。多年來(lái)，第一語(yǔ)言和第二語(yǔ)言研究者對(duì)詞匯知識(shí)的構(gòu)成提出了不同的建議。Richards（1976），Robinson,R.,&Good,T.L.(1987)[8][9]聲稱單詞知識(shí)涉及各種亞知識(shí)，如形態(tài)學(xué)和語(yǔ)法知識(shí)。還有一些人認(rèn)為，掌握一個(gè)單詞有不同的程度，由被動(dòng)的接受到主動(dòng)產(chǎn)出，即能在不同語(yǔ)境不同場(chǎng)景熟練地自由地使用該詞匯。

(1)

式中：d0(=1 m)是參考距離，PL(d0)是信號(hào)傳播d0后的功率損耗；d是信號(hào)傳播的實(shí)際距離；PL(d)是信號(hào)從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(即錨節(jié)點(diǎn))到未知節(jié)點(diǎn)的功率損耗；Xσ為遮蔽因子，n為路徑損耗指數(shù).由式(1)可知，路徑損耗在各環(huán)境下的衰減類似于指數(shù)衰減，隨著節(jié)點(diǎn)間距離的增加，信號(hào)趨于微弱，因而所確定的距離誤差變大.因此，選取的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待定位節(jié)點(diǎn)越近，所測(cè)得的距離可信度越高.[18]

a)對(duì)A定位b)對(duì)B定位c)對(duì)C定位d)對(duì)D定位

圖3 利用傳統(tǒng)的三邊定位算法得到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位誤差

2.2 坐標(biāo)修正

圖4 坐標(biāo)修正示意圖

坐標(biāo).在利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A，B，C，D對(duì)未知節(jié)點(diǎn)E進(jìn)行定位時(shí)，選取距離未知節(jié)點(diǎn)最近的3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(假設(shè)為A，B，C)對(duì)E進(jìn)行定位，用剩下的1個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(假設(shè)為D)作為坐標(biāo)修正的參考節(jié)點(diǎn).坐標(biāo)修正示意圖見圖4.

(2)

(3)

也就是

同理，

兩節(jié)點(diǎn)間的距離越近，其他節(jié)點(diǎn)與這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)所受的干擾越接近，基于RSSI的測(cè)距精度也越高.因此，在對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，距離其越近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，對(duì)定位精度貢獻(xiàn)越大，權(quán)重值也越大.據(jù)此，初步設(shè)置A，B，C，D的權(quán)重值分別為

(4)

令dT=dA+dB+dC+dD，對(duì)權(quán)重值進(jìn)行歸一化處理，得

(5)

最終得到基于坐標(biāo)修正的節(jié)點(diǎn)E的坐標(biāo)為

(6)

3 仿真結(jié)果分析

風(fēng)對(duì)海水的作用引起了海面小尺度的重力波，形成海浪[20]，海浪譜S(ω)在海浪理論研究中占有重要地位，它反映了海浪外部的一些特征[21].本文采用以風(fēng)速為參考系數(shù)的Pierson-Moscowitz(P-M)譜[22]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：g為重力加速度；μ為應(yīng)用環(huán)境中離海面19.5 m處的風(fēng)速；ω是角頻率.對(duì)上式求微分，得出譜峰ω=8.656/μ.在仿真實(shí)驗(yàn)中，采用離海面19.5 m處的風(fēng)速為參考系數(shù)，結(jié)合P-M海浪模型，確定海面海浪運(yùn)動(dòng)參數(shù).

為驗(yàn)證本算法對(duì)定位性能的優(yōu)化，采用EXata平臺(tái)將本文提出的基于坐標(biāo)修正的ITLA與文獻(xiàn)[4]的TCLA和文獻(xiàn)[7]的三邊定位算法(TLA)進(jìn)行比較.仿真參數(shù)設(shè)置為：在1 000 m×1 000 m的海域隨機(jī)布置100個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間能相互通信，節(jié)點(diǎn)通信半徑為100 m.設(shè)置RSSI測(cè)距法使用的路徑損

耗模型參數(shù)n=2.4，Xσ=7.98 dB.仿真的主要目的是研究信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度和海浪等級(jí)的變化對(duì)平均定位誤差的影響.

圖5表明：在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同的情況下，ITLA的定位誤差小于TLA和TCLA的，主要原因是ITLA利用TLA計(jì)算信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置，然后用其與由GPS確定的位置的差值修正測(cè)距，因而有更好的定位性能；隨著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)增多，3種算法的定位精度都增加，但因?yàn)镮TLA利用與未知節(jié)點(diǎn)距離最近的3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位，在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多時(shí)，有距離更近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可選擇，所以定位精度增加明顯.

圖6表明，在同一海況下ITLA的定位誤差小于TLA和TCLA的.這主要是因?yàn)門LA和TCLA在接收到RSSI值后，根據(jù)自由空間傳播模型確定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離時(shí)，沒有考慮到實(shí)際海域中海浪的高動(dòng)態(tài)性對(duì)信號(hào)的影響，而ITLA算法根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的定位誤差修正了這一影響，因而比TLA和TCLA的定位精度高.

圖5 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目與定位誤差關(guān)系

圖6 海浪等級(jí)與定位誤差關(guān)系

4 結(jié) 論

針對(duì)海洋無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜、通信受遮蔽效應(yīng)較大、信號(hào)衰減嚴(yán)重等問題，將傳統(tǒng)的WSN三邊定位算法(TLA)應(yīng)用到海洋環(huán)境，提出一種基于坐標(biāo)修正的改進(jìn)型三邊定位算法(ITLA)，以實(shí)現(xiàn)海洋WSN節(jié)點(diǎn)在惡劣海況下的較高的定位精度和較好的海上動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)性.仿真結(jié)果表明，在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度低且海浪等級(jí)高時(shí)，本算法對(duì)海洋環(huán)境有較強(qiáng)適應(yīng)性，能準(zhǔn)確獲取位置信息，提高海上救援效率.

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(編輯 趙勉)

Improved three-edge localization algorithm based on coordinate correction

GUO Shijun, LEI Hu, HE Lin, LIU Yonggong, CHEN Yuanpeng

(School of Marine Engineering, Guangzhou Maritime Institute, Guangzhou 510330, China)

Marine Wireless Sensor Networks (WSN) are of high dynamic of nodes, complex motion state of nodes, larger sheltered effect of communication, and serious attenuation of signals. In view of this, the three-edge localization algorithm of traditional WSN is applied to marine environment, and an improved three-edge localization algorithm based on coordinate correction is put forward. EXata platform is used to simulate the algorithm. Simulation results show that the proposed algorithm is of higher localization accuracy and better adaptability for dynamic marine environment, and can improve the efficiency of search and rescue.

traffic information engineering; Wireless Sensor Network(WSN); three-edge localization; maritime search and rescue

10.13340/j.jsmu.2017.01.005

1672-9498(2017)01-0021-05

2016-08-22

2016-11-18

廣州航海學(xué)院博士啟動(dòng)項(xiàng)目(B510604)

郭世俊(1990—)，男，湖北潛江人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂疲?E-mail)guoshijun1990@126.com； 雷虎(1978—)，男，湖北十堰人，副教授，博士，研究方向?yàn)楹Ｉ辖煌ò踩?E-mail)lei_zeyu@126.com

U676.83

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