水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究進展

畢京學(xué)，郭 英，甄 杰，張鼎凱，楊 凱，段淑珍

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266500；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

1 引言

水下定位技術(shù)是當(dāng)前海洋開發(fā)活動與海洋技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。海洋定位技術(shù)在海底環(huán)境監(jiān)測、海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)、海洋科學(xué)發(fā)展以及海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)報與急救等多方面都將發(fā)揮極其重要的作用。傳統(tǒng)的水聲定位設(shè)備普遍存在著諸如布設(shè)、校準(zhǔn)和維護困難，費時耗資，靈活性差，定位精度不理想，作用范圍有限，系統(tǒng)標(biāo)定困難，無法滿足特殊工程應(yīng)用等問題。全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用為突破傳統(tǒng)水下定位技術(shù)的局限提供了充分的可能性。綜合了浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、水聲定位技術(shù)以及GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，即水下GPS定位系統(tǒng)，較好地解決了水下運動目標(biāo)的實時精確定位問題。但在實際應(yīng)用中，浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)透露出越來越多的不足。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為陸上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的延伸，由大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，具有自組織性、可靠性高等特點[1-2]，低成本、高冗余的設(shè)計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力[3]，在水環(huán)境監(jiān)測、海洋數(shù)據(jù)收集、海底探測、災(zāi)害預(yù)測、搜索救援等方面具有重要應(yīng)用[4]。

2 浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)

如圖1所示，浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)由GPS、浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)、水下目標(biāo)、地面監(jiān)控中心或測量船組成。浮標(biāo)內(nèi)置的GPS 接收機獲取位置信息，同時水下目標(biāo)向浮標(biāo)基元發(fā)出聲脈沖信息，然后浮標(biāo)將自身的GPS位置信息及所接收聲波脈沖信息以無線電形式發(fā)送到地面監(jiān)控中心或者測量船上，通過相應(yīng)的定位算法解算出水下目標(biāo)的位置信息并發(fā)送至浮標(biāo)，再通過聲波脈沖告知定位目標(biāo)[5-7]。

應(yīng)用較廣泛的是單浮標(biāo)水下GPS相對定位模型及浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)水下GPS長基線定位模型：前者操作簡單成本較低，主要應(yīng)用于定位精度不是很高的情況，文獻[8-9]對基于單個GPS浮標(biāo)的水下相對定位系統(tǒng)的定位算法作了較詳細地討論；后者將傳統(tǒng)的水下長基線定位系統(tǒng)“移至”水面，由浮標(biāo)基元構(gòu)建長基線，利用空間后方交會實現(xiàn)水下目標(biāo)的定位[10-11]，文獻[12]提出了差分GPS水下定位系統(tǒng)的極坐標(biāo)系下定位的解析表達式，推導(dǎo)了定位結(jié)果影響表達式。

圖1 浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

含有浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的水下GPS定位技術(shù)雖然有了長足發(fā)展，能夠提供滿足精度需求的定位服務(wù)，但是存在許多不足。

2004-01研制成功的水下GPS高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)，在水深45 m的水域，水下定位精度為5 cm，測深精度為30 cm，水下授時精度為0.2 ms，能夠?qū)崿F(xiàn)水下設(shè)備導(dǎo)航和水下目標(biāo)瞬時水深檢測[13]。該系統(tǒng)在水下自動化程度及應(yīng)用范圍等方面達到了當(dāng)時的國際先進水平，然而其定位相對精度為1/150，只適用于淺水區(qū)域。

文獻[14]提出了將GPS技術(shù)、矢量水聽器技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化傳感器技術(shù)引入傳統(tǒng)長基線水下目標(biāo)定位系統(tǒng)的方法，討論了測量原理、系統(tǒng)實現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化傳感器技術(shù)僅采用聲壓傳感器，構(gòu)成空間陣列，進行聲場空間采樣，通過陣列信號處理方法獲得波達方向(direction of arrival，DOA)估計，從而計算出目標(biāo)方位角αi和俯角βi，用于目標(biāo)定位。文中沒有仿真實驗，無法評估系統(tǒng)定位和導(dǎo)航的精度。

文獻[15]采用了文獻[16]中的差分GPS水下立體定位系統(tǒng)浮標(biāo)姿態(tài)測量算法，同時對水聲信號作時延測量，利用數(shù)字羅盤實時測量浮標(biāo)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，獲得實時精確的初始定位信息，從而提高水下定位的精度；湖面試驗較文獻[13]中定位精度提高，海面試驗投放深度為45 m，平面和垂直精度均小于1 m。然而，兩次試驗均為目標(biāo)靜態(tài)測試，且添加了人為測深手段，自動化程度較低，無法用于水下目標(biāo)動態(tài)定位和導(dǎo)航。

綜上所述，依靠浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)水下GPS定位系統(tǒng)，有以下不足：

(1)系統(tǒng)節(jié)點數(shù)目少，容錯性低，覆蓋范圍較??；

(2)適于淺水或淺海區(qū)域，自動化程度較低；

(3)時延效應(yīng)沒有消除；

(4)只顯示了微跟蹤能力[17]。

3 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由固定在海底或懸浮在海中的傳感器節(jié)點組成，節(jié)點搭載的傳感器負責(zé)采集溫度、鹽度、深度、波高、剖面流量等海洋環(huán)境參數(shù)，通過聲學(xué)通信方式傳遞給水面的基站或船舶，水面設(shè)施采用無線電方式傳給衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)，最終發(fā)送到用戶手中[18]。

如圖2所示，傳感器節(jié)點是將傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊集成到一體的極小物理單元。這四個模塊確保傳感器節(jié)點與安裝有傳感器節(jié)點的水下設(shè)備具有自我配置能力，即通過改變配置、位置和運動信息相互協(xié)調(diào)，并能向岸上基站播發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

4 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)能夠為傳感器獲取的數(shù)據(jù)提供位置信息，增加空間屬性，從而更好地服務(wù)于海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋工程建設(shè)和災(zāi)害預(yù)警等應(yīng)用。

在水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)通常是決定能源消耗、容量和網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)鍵因素。水聲信道的物理條件苛刻，具有低帶寬、高誤碼率和傳播延遲的特點，傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)和通信過程消耗的電量由電池供應(yīng)，且不易更換，這就需要對水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行精心設(shè)計和最優(yōu)化布設(shè)。良好拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)有較高的可靠性和容錯性，減少通信冗余，降低通信消耗，避免出現(xiàn)因某個節(jié)點的錯誤信息影響定位精度的情況。與此同時，水中聲速為1 500 m/s，易受溫度、壓力和鹽度等影響發(fā)生變化，與無線電在空氣中傳播相比，傳播延遲高了5個數(shù)量級，因此網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的好壞對系統(tǒng)的性能尤為重要。

這部分主要從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)方面對水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)進行分類，介紹了系統(tǒng)原理，并從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和定位算法優(yōu)化方面敘述了發(fā)展現(xiàn)狀。按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可將水下定位系統(tǒng)分為：二維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)和三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)。

4.1 二維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)

如圖3所示，二維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)是由水面浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。水面浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)接收GPS信號，安裝在浮標(biāo)上的水聽器同時接收匯聚節(jié)點或者信標(biāo)發(fā)送的聲脈沖信息，并將其以無線電形式發(fā)送到測量船或地面基站；測量船或地面基站依據(jù)算法計算出各個傳感器節(jié)點的位置。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量固定在海底的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點或信標(biāo)構(gòu)成，匯聚節(jié)點有水平和垂直通信收發(fā)器，水平收發(fā)器用于向周圍傳感器節(jié)點發(fā)送指令和配置信息以及收集傳感器節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，垂直收發(fā)器可以向浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)信息；傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點可直接通信，也可通過多跳傳遞信息。

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對于距離匯聚節(jié)點較近的傳感器節(jié)點，可直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，且這種通信方式簡單；對于距離匯聚節(jié)點很遠的傳感器節(jié)點，發(fā)送數(shù)據(jù)所需的功率可能要高許多[19]，而且高發(fā)射率引起水聲干涉增多，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量減少。在多跳路徑中，由中間節(jié)點負責(zé)傳遞數(shù)據(jù)，可能會節(jié)約能源和增加網(wǎng)絡(luò)容量，但會增加路由計算的復(fù)雜度[20]。所以，在考慮到能源和網(wǎng)絡(luò)容量的同時，需視情況選擇合適的數(shù)據(jù)通信方式。

圖3 二維水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位模型

4.2 三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)

如圖4所示，三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)由水面基站和懸浮在水中的傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。懸浮在水中的傳感器節(jié)點分布在不同深度，用于監(jiān)測不同深度的數(shù)據(jù)信息，由中間節(jié)點通過多跳方式傳遞到漂浮在水面的浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，然后將信息以無線電形式發(fā)送至地面基站或測量船，解算完畢后發(fā)送至用戶手中完成測量。當(dāng)然，含有水下目標(biāo)(如水下機器人，autonomous underwater vehicle，AUV)的系統(tǒng)里，可保證其與傳感器節(jié)點通信，實現(xiàn)自主導(dǎo)航與定位。

三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點懸浮在水中，受洋流的影響具有移動性，這就需要考慮到傳感器節(jié)點的布設(shè)密度、感知范圍和通信距離。

4.3 發(fā)展現(xiàn)狀

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、定位算法優(yōu)化、水聲信道通信、路由計算、能源供應(yīng)、時間同步等問題上，仍然有許多挑戰(zhàn)，國內(nèi)外研究人員對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作了大量研究。

4.3.1 拓撲結(jié)構(gòu)上的研究

文獻[20]提到AUV將會從許多方面增強水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能，并指出需要研究的協(xié)同算法領(lǐng)域，譬如自適應(yīng)采樣、自我配置算法等，為后續(xù)研究作了準(zhǔn)備。文獻[21]設(shè)想了一個三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，包括漂浮在水面的平臺和浮標(biāo)，固定在海底的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及漫游的水下機器人；他們主要研究了短程水聲通信、介質(zhì)訪問控制(medium access control，MAC)協(xié)議、時間同步的問題，通過測量節(jié)點間信號的傳播時間，采用到達時間(time of arrival，TOA)方法估計節(jié)點間距離從而實現(xiàn)定位。由于TOA方法要求節(jié)點間(收、發(fā)端)時間同步，他們設(shè)計了新的時間同步協(xié)議TSHL(time synchronization for high latency)[22]，用來處理時間傳播誤差。

圖5 設(shè)想的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[21]

文獻[23]提出一種利用升降(Dive’N’Rise，DNR)信標(biāo)定位的方法，DNR浮標(biāo)能夠上浮到水面和下潛至一定深度。文獻[23]作了兩個假設(shè)：節(jié)點間時間同步，DNR信標(biāo)和傳感器節(jié)點裝有壓力傳感器。當(dāng)DNR信標(biāo)浮到水面時，能夠獲取GPS坐標(biāo)信息，下潛時向傳感器節(jié)點廣播。傳感器節(jié)點同時監(jiān)聽多個DNR信標(biāo)的廣播信息，通過TOA方法測量距離，從而估計自身的位置。評估了洋流影響下DNR定位系統(tǒng)的性能，并作了假設(shè)性探索。

文獻[24]提出了一種基于可拆卸式升降收發(fā)器(detachable elevator transceivers， DET)的分層定位方案，系統(tǒng)有浮標(biāo)、DET、錨節(jié)點和普通節(jié)點組成，DET連接在浮標(biāo)上，可升降播發(fā)自己的位置，該定位方案繼承了DNR定位方案的優(yōu)點，節(jié)點定位成功率較高。

4.3.2 定位算法優(yōu)化研究

文獻[25]將歐幾里德估計法從二維擴展到三維，提出將遞歸位置估計與三維歐幾里德距離估計方法融合起來的分布式定位算法，能夠在大型三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，以較小的定位誤差和低通信消耗得到較大的覆蓋范圍。

文獻[26]認為傳感器節(jié)點的自定位和時間同步問題仍然是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)極大的挑戰(zhàn)，提出一種同時實現(xiàn)節(jié)點間時間同步和定位的多點定位算法。通過原子多點定位和遞歸多點定位，提出了一種自定位和時間同步的簡單且有效的方式，并在遞歸多點定位方法中成功控制了誤差傳播。在30 km×20 km深6 km的目標(biāo)區(qū)域進行仿真實驗，在三維空間里較理想地均勻布設(shè)了900個傳感器節(jié)點，每個節(jié)點基本處于蜂窩區(qū)的質(zhì)心，并用定位流程完成時間來評估整個網(wǎng)絡(luò)的性能。仿真結(jié)果表明，節(jié)點定位成功率較高接近100%。

文獻[27]提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水下定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用大量的裝有水聽器和GPS的標(biāo)準(zhǔn)站，采用聲功率水平測距，即由發(fā)送和接收的電壓差來計算距離，研究了新的定位原理，并從理論上分析可用性，以及新方法在水中噪音和聲反射的性能。該方法是接收信號強度指示(received signal strength indication，RSSI)的水聲測距應(yīng)用，定位精度一般。

文獻[28]提出了基于TOA測距的水聲定位方案(underwater positioning scheme，UPS)，并通過仿真實驗驗證算法。他們通過研究發(fā)現(xiàn)：時延和多路徑信道可以由改進的超寬帶S-V模型化。文獻[28]認為文獻[25]提出的將歐幾里德法擴展到三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)以及文獻[29]提出的水下機器人自定位協(xié)議，惡化了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)帶寬窄的問題，降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

文獻[30]提出一種適用于大型水下傳感器網(wǎng)絡(luò)分層定位的方法，并分為兩部分，錨節(jié)點定位和普通節(jié)點定位。在普通節(jié)點定位中，采用了分布式距離相關(guān)算法，新穎地整合了三維歐幾里德距離估計方法和遞歸位置估計方法。仿真結(jié)果表明，該方案以較小的定位誤差取得了較大的覆蓋范圍。

文獻[31]在定位成功率、通信消耗、準(zhǔn)確度、能源消耗和延遲方面，對三維水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的三種分布式定位算法作了比較，升降定位(dive and rise localization，DNRL[23])，代理定位(proxy localization，PL)，大型傳感器網(wǎng)絡(luò)定位(large-scale localization，LSL[25])。通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)，DNRL和LSL有超過90%的節(jié)點實現(xiàn)高精度定位，且DNRL有較低的通信消耗和能源消耗，PL的定位成功率和精確度較低，但定位速度快，而LSL的通信消耗和能源消耗要遠遠高于前兩者。除此之外，LSL的性能嚴(yán)重受平均節(jié)點度的影響。

由于文獻[32]研究了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵協(xié)議，并從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層等方面對目前國內(nèi)外已有的協(xié)議進行詳細綜述，因此，本文不再敘述水下傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展現(xiàn)狀。

5 結(jié)束語

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)仍然面臨許多挑戰(zhàn)，聲信號在海水中的傳播速度很不穩(wěn)定，容易受溫度、鹽度、壓力、海流等海洋環(huán)境要素的影響而變化，造成時延抖動。除此之外，傳感器節(jié)點的能源供應(yīng)，水聲信道的數(shù)據(jù)傳輸率低、通信消耗高、低帶寬、高誤碼率等問題。在后續(xù)研究工作中，應(yīng)致力于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水聲通信協(xié)議、路由計算、節(jié)點間同步及誤差補償?shù)葐栴}研究，以及協(xié)調(diào)各方面的最優(yōu)化定位算法和定位系統(tǒng)性能評估。

本文針對目前浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的不足，簡單介紹了水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)方面對水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)進行分類，介紹了系統(tǒng)原理，并從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和定位算法優(yōu)化方面敘述了發(fā)展現(xiàn)狀，為后續(xù)研究提供了參考。

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