水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合同步和定位方法

摘" 要： 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)（UASNs）在海洋監(jiān)測、資源勘探、災(zāi)害預(yù)防和海洋學(xué)數(shù)據(jù)收集等方面的廣泛應(yīng)用，引起了學(xué)術(shù)和工業(yè)研究人員的極大關(guān)注。在這些服務(wù)中，節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位是水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)之一。然而，在實(shí)際的水下環(huán)境中，傳播速度隨深度變化（即分層效應(yīng)）和異步時(shí)鐘的存在均會(huì)顯著影響測距的精度，從而降低定位性能。針對(duì)以上特性，文中設(shè)計(jì)一種基于自主水下航行器（AUV）輔助的水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合同步和定位方法。在開始定位流程后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過接收AUV發(fā)出的信標(biāo)信號(hào)建立水聲傳播方程并進(jìn)行相對(duì)距離的估計(jì)，其中考慮了異步時(shí)鐘問題和分層效應(yīng)引起的水聲彎曲效應(yīng)問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置和時(shí)鐘的聯(lián)合估計(jì)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞： 自主水下航行器（AUV）； 時(shí)鐘同步； 水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)； 測距精度； 分層效應(yīng)； 聯(lián)合同步和定位方法

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； TP393"""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A""""""""""""""""" 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）09?0066?05

0" 引" 言

隨著海洋技術(shù)的快速發(fā)展，水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)（Underwater Acoustic Sensor Network， UASN）作為陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的延伸，在水下環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)檢測、災(zāi)害預(yù)警、資源勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。UASN在數(shù)據(jù)收集、水下地圖、水下機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用常常依賴于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位[2]。在UASN中，自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle， AUV）擁有相對(duì)于傳統(tǒng)固定節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)性、覆蓋范圍和存儲(chǔ)容量方面等明顯優(yōu)勢，所以常常用于水下目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位的輔助設(shè)備[3]。

目前，在基于測距的水下定位技術(shù)中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過采集不同位置處的測量信號(hào)來估計(jì)自身位置，其中常用的測量信號(hào)包括接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength， RSS）、到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival， TOA）、到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival， TDOA）、到達(dá)角度（Angle of Arrival， AOA）、到達(dá)頻率差（Frequency Difference of Arrival， FDOA）等[4?5]。在無線信號(hào)測量值中，TOA測量值的估計(jì)誤差可以達(dá)到毫秒級(jí)，且常用于目標(biāo)的時(shí)鐘同步和定位[6]。然而，在實(shí)際的水下環(huán)境中，聲波的低傳播速度（約1 500 m/s）將會(huì)產(chǎn)生較高的通信延遲，特別是長距離傳輸中，從而導(dǎo)致嚴(yán)格的時(shí)間同步難以實(shí)現(xiàn)。此外，聲速隨著溫度、鹽度、壓力等因素的變化而變化，并不是一個(gè)固定值，因此水下環(huán)境中信號(hào)的傳播時(shí)延是動(dòng)態(tài)變化的，也就是分層效應(yīng)[7]。

為了解決上述問題，文獻(xiàn)[8]提出利用AUV作為移動(dòng)的錨節(jié)點(diǎn)，即AUV在預(yù)定的軌道上運(yùn)行，并定期廣播具有自身位置的信標(biāo)信號(hào)。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過接收不同位置處的AUV信標(biāo)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)自身的定位和時(shí)鐘同步。然而，在上述方法中，假定水下聲傳播速度是固定的，忽略了水介質(zhì)的不均勻性。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于垂直移動(dòng)信標(biāo)的迭代定位方法，其中建立了與深度相關(guān)的聲速函數(shù)。該方法雖然考慮了分層效應(yīng)對(duì)于定位結(jié)果的影響，但是卻忽略了異步時(shí)鐘引入的水下定位誤差問題。因此，在水下定位中同時(shí)考慮到分層效應(yīng)和異步時(shí)鐘問題，設(shè)計(jì)一種水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合同步和定位方法，以提高水下目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，顯得尤為重要。

1" 系統(tǒng)模型

水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括AUV和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)兩種類型的節(jié)點(diǎn)。AUV作為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)，按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)并定期向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)信號(hào)。當(dāng)AUV在水面上時(shí)，其初始位置和時(shí)鐘通過全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）獲取并校準(zhǔn)。當(dāng)AUV潛入水下后，利用慣性傳感器計(jì)算其位置。為了避免慣性傳感器累積過多誤差，AUV需要定期浮出水面進(jìn)行位置和時(shí)鐘更新[10]。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是被動(dòng)且靜態(tài)的，不發(fā)射任何信號(hào)，只監(jiān)聽AUV的廣播信號(hào)，并通過定位方法實(shí)現(xiàn)位置估計(jì)。此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備壓力傳感器來獲取深度信息的初步估計(jì)。值得注意的是，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和AUV之間的時(shí)鐘是不同步的。本文同時(shí)考慮了時(shí)鐘偏斜和時(shí)鐘偏差的影響[11]，AUV和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳播時(shí)延可以表示為：

[τn，k=s?rn，k-tn，k+ο=τn，k+nn，k] （1）

式中：[tn，k]表示AUV在第[n]條路徑上第[k]個(gè)信標(biāo)信號(hào)的發(fā)射時(shí)間和位置；[rn，k]為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到第[n]條路徑上第[k]個(gè)信標(biāo)信號(hào)的時(shí)間；[s]和[o]分別為時(shí)鐘偏斜和時(shí)鐘偏差；[τn，k]表示準(zhǔn)確的傳播時(shí)延。假設(shè)第[n]條路徑上第[k]個(gè)信標(biāo)信號(hào)的發(fā)射時(shí)間[tn，k]和接收時(shí)間[rn，k]均服從均值為0、方差為[σ2t]的高斯分布，因此整個(gè)定時(shí)誤差[nn，k]服從均值為0、方差為[（s2+1）σ2t]的高斯分布。因此，根據(jù)傳播時(shí)延可得：

[x-xn，k=τn，k?c] （2）

式中：[x]表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置，即[x=x，y，z]；[c]表示平均水下聲速；[xn，k]表示AUV在第[n]條路徑上發(fā)射第[k]個(gè)信標(biāo)信號(hào)時(shí)的位置，[xn，k=xn，k，yn，k，zn，k]。

水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合同步和定位方法主要包括兩個(gè)階段，即粗定位和同步、[z]坐標(biāo)和聲速模型估計(jì)。在階段1中，AUV在水平方向上移動(dòng)并周期性地廣播信標(biāo)信號(hào)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過接收該信標(biāo)信號(hào)獲得初始的同步和定位結(jié)果。根據(jù)文獻(xiàn)[12?13]，聲速只與節(jié)點(diǎn)間的深度有關(guān)，因此假設(shè)平均聲速在第一階段中為常數(shù)。在階段2中，AUV在垂直方向上移動(dòng)并周期性地廣播信標(biāo)信號(hào)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在得到第一個(gè)階段同步和定位結(jié)果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建與深度信息有關(guān)的平均聲速函數(shù)，通過建立傳播時(shí)延與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置的關(guān)系來估計(jì)水下平均聲速模型的參數(shù)。最后，根據(jù)階段2的估計(jì)結(jié)果更新目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置，并將結(jié)果反饋到階段1中，執(zhí)行迭代過程直到滿足迭代條件輸出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)同步和定位結(jié)果。

2" 聯(lián)合同步定位方案

2.1" 階段1：粗定位和同步

階段1中，AUV獲得指令后下潛到指定深度，在此深度平面上沿[NH]條設(shè)定路徑做平面運(yùn)動(dòng)，并在每條預(yù)定軌跡中周期性地廣播[K]個(gè)時(shí)隙的信標(biāo)信號(hào)，其中包含信號(hào)的發(fā)射時(shí)間和位置信息。在此階段中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過接收AUV水平運(yùn)動(dòng)中發(fā)射的信標(biāo)信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步和定位參數(shù)估計(jì)，初步的深度信息（[z]坐標(biāo)）通過壓力傳感器獲得。由于平均聲速只與深度信息有關(guān)且目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)的，因此在此階段平均聲速被視為一個(gè)固定值。為了聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置、時(shí)鐘偏斜以及時(shí)鐘偏差，定義未知參數(shù)[θ1=x，y，s，o，c]。

考慮到平均聲速通常在1 480～1 530 m/s之間，且水下節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)深度差較小，將平均水下聲速初始化為1 500 m/s，粗略估計(jì)同步和定位參數(shù)。然后，將公式（2）的兩邊平方可以得到如下形式：

[x-xn，k2-c2s2r2n，k+ο2+t2n，k+2srn，kο-2srn，ktn，k-2tn，kο=en，k""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" """""""""""""""""nbsp;""""""""""""""""（3）]

式中[en，k]是由定時(shí)誤差和平均聲速誤差引起的整體誤差。為了線性化，對(duì)測距方程（3）中的各項(xiàng)減去第一個(gè)信標(biāo)信號(hào)的測距方程，可以得到：

采用最小二乘法可得到[p=ATA-1ATb]。因此，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)[xy]坐標(biāo)為[p1：2]。時(shí)鐘偏斜和偏差估計(jì)分別為[s=p5]和[ο=p6]。進(jìn)一步，采用迭代反演來更新估計(jì)參數(shù)。泰勒級(jí)數(shù)展開如下所示：

[fθ1-fθ1=RΔθ1] （7）

式中：[fθ1=f1θ1，f2θ1，…， fNHθ1]，[fnθ1=fn，1θ1，fn，2θ1，…， fn，Kθ1]，[fn，kθ1=x-xn，kc-s?rn，k-ο+tn，k=-nn，k]；[R=R1，R2，…，RNH]為雅可比矩陣，

[Rn=x-xn，1x-xn，1cy-yn，1x-xn，1c-1-rn，1-x-xn，1c2?????x-xn，Kx-xn，Kcy-yn，Kx-xn，Kc-1-rn，K-x-xn，Kc2]。

由于測量誤差非常小，因此[fθ1≈0NK×1]。所以，上述偏差估計(jì)為[Δθ1=-RTR-1RTfθ1]。因此，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的同步參數(shù)和位置可以更新為[θr1=θ1+Δθ1]。上述過程可以多次迭代來提高精度。

2.2" 階段2：[z]坐標(biāo)和聲速模型估計(jì)

階段2中，AUV下潛到某個(gè)位置，并沿[NV]條設(shè)定路徑做垂直運(yùn)動(dòng)，并在每條預(yù)定軌跡中周期性地廣播[K]個(gè)時(shí)隙的信標(biāo)信號(hào)，其中包含信號(hào)的發(fā)射時(shí)間和位置信息。此階段通過接收AUV垂直運(yùn)動(dòng)中發(fā)射的信標(biāo)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)聲速參數(shù)的估計(jì)。由于水下聲速具有深度分層特性，當(dāng)水深為[z]時(shí)的聲速可以表示為[Cz=b+az]，[a]表示聲速梯度，[b]為水面聲速。因此，水下平均聲速為：

[c=1z-zn，kzn，kzCzdz=b+12z+zn，ka] （8）

為了聯(lián)合估計(jì)[z]坐標(biāo)和聲速模型參數(shù)，定義未知參數(shù)[θ2=a，b，z]。利用階段1估計(jì)的節(jié)點(diǎn)位置、時(shí)鐘偏斜及時(shí)鐘偏差作為階段2的初始值。因此，

[12z+zn，kτn，ka+τn，kb=x-xn，k-en，k] （9）

式中[τn，k]為傳播時(shí)延估計(jì)值，[τn，k=s?rn，k+ο-tn，k]?？紤]到所有TOA測量值，定義未知變量為[s=a，b]，將其整理成矩陣形式可以得到：

[Cs=d+e] （10）

式中：[e=e1，e2，…，eNV]，[en=en，1，en，2，…，en，K]；[d=d1，d2，…，dNV]，[dn=x-xn，1，…，x-xn，K]；[C=C1，C2，…，CNV]，[Cn=12z+zn，1τn，1τn，1??12z+zn，Kτn，Kτn，K]。

采用最小二乘法估計(jì)未知變量[s]，[s=CTC-1CTd]。為了進(jìn)一步改進(jìn)聲速模型參數(shù)和[z]坐標(biāo)估計(jì)，采用迭代反演來提高參數(shù)的估計(jì)精度。首先，泰勒級(jí)數(shù)展開為如下形式：

[fθ2=JΔθ2] （11）

式中：[fθ2=f1θ2， f2θ2，…， fNVθ2]，[fnθ2=fn，1θ2， fn，2θ2，…， fn，Kθ2]，[fn，kθ2=12z+zn，kτn，ka+τn，kb-x-xn，k]；[J=J1，J2，…，JNV]為雅可比矩陣，

[Jn=z+zn，12τn，1τn，1a2τn，1-z-zn，1x-xn，1???z+zn，K2τn，Kτn，Ka2τn，K-z-zn，Kx-xn，K]。

所以，聲速模型參數(shù)和[z]坐標(biāo)偏差估計(jì)為[Δθ2=-JTJ-1JTfθ2]。聲速模型參數(shù)和[z]坐標(biāo)可以更新為[θr2=θ2+Δθ2]。上述過程可以通過多次迭代來提高估計(jì)精度。

最后，將階段2輸出結(jié)果更新目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的[z]坐標(biāo)，并反饋給階段1進(jìn)行同步和定位，以提高估計(jì)精度。迭代終止條件有兩個(gè)，滿足其一則停止迭代。一是迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值；二是迭代后的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置與上一次迭代結(jié)果的歐氏距離小于設(shè)定的門限值，即[xl+1-xllt;ε]，其中[xl+1]和[xl]表示第[l]+1次和第[l]次迭代后目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，[ε]為閾值。

3" 仿真分析

3.1" 仿真環(huán)境

仿真環(huán)境為500 m×500 m×500 m的三維空間，選定的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置為（250，250，250） m，水下聲速模型中聲速梯度[a]=0.1，水面聲速[b]=1 480 m/s。AUV每5 s廣播一次信標(biāo)信號(hào)，AUV移動(dòng)速度為1.5～3 m/s，設(shè)定的運(yùn)動(dòng)路徑條數(shù)為9，每條路徑上發(fā)射50個(gè)信標(biāo)，其中[NH=4]，[NV=5]。定時(shí)誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.1～10 ms之間，[s=1+10-3]，[ο=5 ms]。在迭代的過程中，其迭代終止條件設(shè)置為[xl+1-xllt;10-4]或者[lgt;100]。在仿真中，利用均方根誤差評(píng)估目標(biāo)位置、時(shí)間偏斜、時(shí)間偏移以及聲速參數(shù)的估計(jì)性能，即[Rx=1Li=1Lx-x2]，[Rs=1Li=1Ls-s2]，[Rο=1Li=1Lο-ο2]，[Ra=1Li=1La-a2]，[Rb=1Li=1Lb-b2]，[L]=1 000表示蒙特卡洛仿真運(yùn)行的次數(shù)。

3.2" 仿真結(jié)果

圖1給出了定位誤差、時(shí)鐘偏斜、時(shí)鐘偏差以及水下聲速模型參數(shù)的均方根誤差隨著[σ2t]的變化，其中[σ2t]為發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間誤差的方差。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提算法的有效性，圖1也給出了文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中提出的定位方法的估計(jì)性能。在文獻(xiàn)[8]中AUV作為移動(dòng)的錨節(jié)點(diǎn)在預(yù)設(shè)路徑上移動(dòng)，但其方法將平均聲速當(dāng)成一個(gè)常數(shù)，忽略了分層效應(yīng)。因此，在圖1d）和圖1e）中，沒有給出基于文獻(xiàn)[8]的聲速模型參數(shù)估計(jì)值。在文獻(xiàn)[9]中，利用垂直移動(dòng)的信標(biāo)作為錨節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)定位，但是該方法依賴于同步時(shí)鐘和聲速參數(shù)已知的假設(shè)，并且深度的估計(jì)僅依賴于壓力傳感器。因此，在圖1中沒有提供基于文獻(xiàn)[9]的同步參數(shù)和聲速參數(shù)估計(jì)結(jié)果。在圖1中，給出了各個(gè)參數(shù)估計(jì)誤差克拉美羅下界（Cramer Rao Lower Bound， CRLB）。

從結(jié)果可以看出，本文提出的AUV輔助水下聲傳感器聯(lián)合同步和定位的方法可以實(shí)現(xiàn)較高的估計(jì)性能，估計(jì)性能接近CRLB，從而證明了本文方法的有效性，也驗(yàn)證了在水下定位中考慮異步時(shí)鐘和分層效應(yīng)的必要性。其次，仿真結(jié)果也證明了本文方法中采用迭代反饋過程可以有效提高參數(shù)估計(jì)的精確性，特別是聲速模型參數(shù)[a]和[b]。

4" 結(jié)" 語

本文提出了一種AUV輔助的水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合同步和定位方法。通過水下時(shí)鐘同步和定位聯(lián)合估計(jì)的方法，解決了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與AUV不同步的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的異步定位和時(shí)鐘同步，并利用兩個(gè)階段的不斷迭代反饋來提高同步和定位的精度。在定位過程中，考慮了水下聲速的不確定性，通過建立聲速模型，并利用AUV垂直運(yùn)動(dòng)下的信標(biāo)信號(hào)，估計(jì)其模型參數(shù)。仿真結(jié)果顯示，該方法具有良好的參數(shù)估計(jì)性能，驗(yàn)證了其有效性。

注：本文通訊作者為邱楓。

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Joint clock synchronization and localization method for underwater

acoustic sensor networks

QIU Feng1， 2， CANG Naimeng2

（1. TJ?YZ School of Network Science， Haikou University of Economics， Haikou 570228， China;

2. School of Information and Communication Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： Underwater acoustic sensor networks （UASNs） have gained considerable attention from academic and industrial researchers thanks to their wide range applications in ocean monitoring， resource exploration， disaster prevention and oceanography data collection. In the services， the accurate node localization is one fundamental issue in the study of UASNs. However， in the actual underwater environment， the existence of propagation speed variation with depth （i.e.， stratification effect） and asynchronous clock affects the ranging accuracy obviously， and in turn decreases the localization performance. In view of the above characteristics， an autonomous underwater vehicle （AUV） aided joint synchronization and localization method for UASNs is designed. After starting the localization process， the target node establishes the underwater acoustic propagation equation by receiving the beacon signals transmitted by the AUV， and estimates the relative distance， in which the asynchronous clock and ray bending caused by the stratification effect are considered， so as to realize the jointly estimation of localization and clock synchronization of the target node. The simulation results verify the effectiveness and feasibility of the proposed method.

Keywords： AUV; time synchronization; UASN; ranging accuracy; stratification effect; joint synchronization and localization method

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.09.012

引用格式：邱楓，倉乃夢.水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合同步和定位方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（9）：66?70.

收稿日期：2023?11?01"""""""""" 修回日期：2023?11?22

基金項(xiàng)目：海南省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（620QN284）

邱" 楓，等：水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合同步和定位方法

[xn，k-xn，1xT+12c2s2r2n，k-r2n，1+c2sοrn，k-rn，1-c2srn，ktn，k-rn，1tn，1-c2οtn，k-tn，1=12xn，k2-xn，12-c2t2n，k-t2n，1+en，1-en，k] （4）

考慮到所有TOA測量值，定義未知變量[p=[x，y，s2，so，s，o]]，將其整理成矩陣形式：

[Αp=b+e] （5）

式中：[A=A1，A2，…，ANH]，[An]如公式（6）所示；[e=e1，e2，…，eNH]，[en=en，1-en，2，…，en，1-en，K2]；[b=b1，b2，…，bNH]，[bn=bn，2，bn，3，…，bn，K]，[bn，k=xn，k2-xn，12-c2t2n，k-t2n，12]。

[An=xn，2-xn，1yn，2-yn，1c2r2n，2-r2n，12c2rn，2-rn，1c2rn，2tn，2-rn，1tn，1c2tn，2-tn，1??????xn，K-xn，1yn，K-yn，1c2r2n，K-r2n，12c2rn，K-rn，1c2rn，Ktn，K-rn，1tn，1c2tn，K-tn，1] （6）

邱" 楓，等：水下聲傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合同步和定位方法

作者簡介：邱" 楓（1991—），女，四川達(dá)州人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)處理、水下目標(biāo)定位和跟蹤。

倉乃夢（1994—），女，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗聶C(jī)器人控制。