[发明专利]一种面向声速剖面的水下节点定位方法

说明书

本发明公开了一种面向线性声速剖面的水下节点定位方法，包括如下步骤：A1、分析输入的锚节点与目标节点间的声速剖面的线性程度；A2、根据线性程度的不同，采用粒子群优化算法；对线性程度为单段线性的声速剖面，采用单段线性声速剖面模型的定位方法，得到目标节点的坐标；对线性程度为多段线性的声速剖面，各段内近似为线性，采用多段线性声速剖面模型的定位方法，计算锚节点与目标节点间的水平距离，实现定位。采用粒子群优化算法在性能上优于现有技术，分段线性的处理方式，简化了计算，定位更简单。

技术领域

本发明涉及水下定位领域，尤其涉及一种面向声速剖面的水下节点定位方法。

背景技术

水下定位在环境勘探、灾难预测、资源开发等方面都具有重要的意义。由于水声通信传播距离远超水下光通信和电磁波通信，且技术相对成熟，因此常被用于水下节点定位。

由于水下环境的复杂性，通常采用相对较为准确的基于信号到达时间的测距定位(Time of Arrival,TOA)和基于信号到达时间差的测距定位(Time Difference ofArrival,TDOA)。而基于信号到达角度的定位(Angle of Arrival,AOA)需要额外的硬件支持、成本较高；基于信号强度的测距定位(Received Signal Strength Indicator，RSSI)效果较差。

使用TOA测距需要精确地表示两点间信号传播时间与距离的关系。如果声速不变的情况下，到达时间与距离呈简单的线性关系。然而，在声速变化的情况下，由时间求解距离存在一定的难度。通过射线追踪法，每隔0.02弧度发送一条射线根据声速剖面模拟声传播轨迹，由此寻得未知点的坐标，该方法定位精度受模拟间隔的限制。通过对恒定梯度声速下的传播时间与定位的研究，该方法得到了线性声速剖面情况下传播时间与水平距离的关系，并通过高斯牛顿法(Guass-Newton Algorithm,GNA)求解未知节点坐标，然而该方法也存在一定的局限性，一方面，GNA容易陷入局部最优值，使得坐标计算误差较大，另一方面，线性声速剖面与实际的声速剖面并不相符。

因此，对线性声速剖面算法优化，及实际声速剖面进行处理，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术如何对线性声速剖面算法优化、及对实际声速剖面进行处理的问题，本申请提供了一种面向声速剖面的水下节点定位方法。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种面向线性声速剖面的水下节点定位方法，包括如下步骤：

A1、分析输入的锚节点与目标节点间的声速剖面的线性程度；

A2、根据线性程度的不同，采用粒子群优化算法，对不同线性程度的声速剖面模型采用不同的定位方法，求解目标节点坐标。

优选地，所述步骤A2中，对线性程度为单段线性的声速剖面，采用单段线性声速剖面模型的定位方法，得到目标节点的坐标；对线性程度为多段线性的声速剖面，采用多段线性声速剖面模型的定位方法，得到目标节点的坐标。

优选地，所述步骤A1中，采用贪心算法来分析输入的声速剖面的线性程度，包括以下步骤：A11、起始：假设声速剖面的观测数据点数为n，将整个声速剖面分成个连续不重叠片段，其中，为向下取整函数；使用普通最小二乘回归拟合每个片段中的回归线；A12、迭代：计算所有相邻片段两两合并为一段回归线所造成的误差增加，将误差增加最小的两段相邻回归线由一条回归线代替；A13、输出：若迭代至只有一段，则用单段线性来表示声速剖面；若多于一个片段，则用多段线性来表示声速剖面。

优选地，依据锚节点与目标节点间声速剖面的线性程度判断采用何种声速模型：若锚节点与目标节点间的声速剖面为单段线性，则采用单段线性声速剖面模型；若锚节点与目标节点间的声速剖面为多段线性，则采用多段线性声速剖面模型。