基于信號幅度衰減測距的水下定位方法

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點規(guī)模大、能量有限、可靠性差、隨機部署，無線模塊的通信距離有限，雖然運用全球定位系統(tǒng)是個很好的選擇，但是其體積大、成本高、能耗多而且需要基礎(chǔ)設(shè)施，不適用于低成本、自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過研究發(fā)現(xiàn)，基于信號幅度衰減測距的水下定位方法不僅能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的要求，而且其成本較低，易理解及操作，精度高。
關(guān)鍵詞：無線傳感器；信號；衰減測距；水下定位

0 引言
節(jié)點定位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中非常重要，傳感器節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合其位置信息才有意義，節(jié)點的定位還可以在外部目標(biāo)的定位和追蹤以及提高路由效率等方面發(fā)揮作用。節(jié)點定位在整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中占有重要的地位，在事件觀測、目標(biāo)跟蹤、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面都是不可缺少的環(huán)節(jié)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題可分為兩類，一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對自身傳感器節(jié)點的定位，另一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對外部目標(biāo)的定位，如目標(biāo)跟蹤問題。本文主要討論節(jié)點自定位技術(shù)。
傳感器節(jié)點通常隨機部署，以自組織的方式相互協(xié)調(diào)工作，定位必須在部署后完成。全球定位系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的定位系統(tǒng)，但是其體積大、成本高、能耗多和需要基礎(chǔ)設(shè)施，不適用于低成本、自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，或者只有少數(shù)節(jié)點配備來確定自身位置，作為其他節(jié)點定位的參考。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點規(guī)模大、能量有限、可靠性差、隨機部署、無線模塊的通信距離有限，這通常要求定位機制具備自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等特點。
在基于以上要求的前提下，基于信號幅度衰減測距的定位方法能夠很好地滿足上面的要求。由于網(wǎng)絡(luò)模型是在水下環(huán)境中，定位問題還應(yīng)該考慮到水下通信的特殊性和環(huán)境帶來的影響，一些適用在陸上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法不在適用于水下環(huán)境，同時為減少開銷盡可能少地使用具有GPS功能的節(jié)點。

1 基于信號幅度衰減測距的水下定位方法
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常用的測量節(jié)點間距離或角度技術(shù)有RSSI，AOA，TOA及TDOA。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)信號幅度的衰減隨著傳播距離和信號頻率的不同而變化，推導(dǎo)出了距離與頻率和幅度衰減等參數(shù)的公式。
1．1 水聲傳播的損失計算
根據(jù)水聲原理，可以得到水聲傳播損失的公式如下：
(1)對于淺海表面聲道：

(2)對于深海聲道：
傳播損失公式如下：

1．2 基于信號幅度衰減的測距定位方法
以淺海遠距離聲道為例描述定位方法，如圖1所示。

圖中：Us為發(fā)送端電信號；換能器的電聲效率有其頻率響應(yīng)曲線；k，t為比例系數(shù)；Ps為發(fā)送端換能器將電信號轉(zhuǎn)換為的聲波信號的幅度，即聲壓；聲波經(jīng)傳輸后有傳播損失，即聲壓級的降低；Pr為衰減后接收端處聲波信號的幅度；換能器的靈敏度Mu=u／p，u為換能器接收的輸出電壓，p為聲波信號的聲壓，當(dāng)然，靈敏度也有其頻率響應(yīng)曲線；Ur為聲波經(jīng)接收端換能器轉(zhuǎn)換后的電信號幅度。