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設施，不適用于低成本、自組織的無線傳感器網(wǎng)絡。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)絡的應用中非常重要，傳感器節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結合其位置信息才有意義，節(jié)點的定位還可以在外部目標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)絡中占有重要的地位，在事件觀測、目標跟蹤、網(wǎng)絡構建等方面都是不可缺少的環(huán)節(jié)。無線傳感器網(wǎng)絡的定位問題可分為兩類，一類是無線傳感器網(wǎng)絡對自身傳感器節(jié)點的定位，另一類是無線傳感器網(wǎng)絡對外部目標的定位，如目標跟蹤問題。本文主要討論節(jié)點自定位技術。
傳感器節(jié)點通常隨機部署，以自組織的方式相互協(xié)調工作，定位必須在部署后完成。全球定位系統(tǒng)是目前應用最廣泛的定位系統(tǒng)，但是其體積大、成本高、能耗多和需要基礎設施，不適用于低成本、自組織的無線傳感器網(wǎng)絡，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)絡模型是在水下環(huán)境中，定位問題還應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)絡中，常用的測量節(jié)點間距離或角度技術有RSSI，AOA，TOA及TDOA。在此基礎上，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曲線；k，t為比例系數(shù)；Ps為發(fā)送端換能器將電信號轉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，當然，靈敏度也有其頻率響應曲線；Ur為聲波經(jīng)接收端換能器轉換后的電信號幅度。