邱揚(yáng)剛,張 亞,李世中

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西太原 030051)

0 引言

國(guó)外對(duì)傳感器無(wú)線組網(wǎng)的研究起步較早,其巨大的軍事應(yīng)用價(jià)值得到世界上許多國(guó)家的極大關(guān)注[1]。其中被動(dòng)聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)使其在戰(zhàn)術(shù)防空中可用于復(fù)雜地形地區(qū)的低空預(yù)警和雷達(dá)補(bǔ)盲。單個(gè)的被動(dòng)聲基陣探測(cè)范圍小,對(duì)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)和預(yù)警能力有限,信息很難共享,而被動(dòng)聲傳感器基陣網(wǎng)絡(luò)的信息化能力和感知探測(cè)能力則有質(zhì)的提高,具有可快速部署、可自組織、覆蓋區(qū)域大、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn),因此極具應(yīng)用前景。而其研究難點(diǎn)之一就在于聲傳感器區(qū)域無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)。

在無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)中,目前已有的基于距離的節(jié)點(diǎn)定位方法主要為基于時(shí)間到達(dá)的TOA定位、基于到達(dá)時(shí)間差的 TDOA定位、基于到達(dá)角度的AOA定位和基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示的RSSI定位[2]。TOA定位和TDOA定位要求精確的時(shí)間同步,利用距離信息和相應(yīng)算法完成節(jié)點(diǎn)定位,對(duì)硬件的要求較高,成本高;AOA定位以TOA定位為基礎(chǔ),利用天線陣列感知方位角,通過(guò)三角測(cè)量法完成節(jié)點(diǎn)定位[3],該技術(shù)復(fù)雜、通信量大、能耗高;RSSI定位則不適用于復(fù)雜開(kāi)闊的外部環(huán)境。針對(duì)以上節(jié)點(diǎn)定位方法的缺點(diǎn)和不足,本文提出被動(dòng)式時(shí)間同步機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的被動(dòng)聲基陣定位方法。

1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型

聲學(xué)定位模型設(shè)計(jì)是被動(dòng)聲定位的關(guān)鍵技術(shù)之一。五元空間被動(dòng)聲探測(cè)基陣的優(yōu)點(diǎn)是定距精度高、定向精度與方位角無(wú)關(guān)、俯仰角對(duì)定距精度的影響較小,應(yīng)用于動(dòng)目標(biāo)的被動(dòng)聲探測(cè)和節(jié)點(diǎn)定位較為理想[4]。

被動(dòng)聲基陣無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制中,節(jié)點(diǎn)的定位部分由揚(yáng)聲器、五元聲傳感器基陣、處理器模塊和無(wú)線通信模塊組成,如圖1所示。

圖1 五元空間被動(dòng)聲探測(cè)基陣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位圖示Fig.1 The five-element space detection array network node localization model

五元空間被動(dòng)聲探測(cè)基陣網(wǎng)絡(luò)包含任務(wù)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及管理終端,大量的聲基陣節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi),通過(guò)自組方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。任務(wù)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)處理模塊處理后沿路由路徑節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸,經(jīng)多跳后路由到信標(biāo)節(jié)點(diǎn),最后通過(guò)管理終端傳輸給用戶。每個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)兼有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和路由器雙重功能,除進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息收集和處理外,還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn),有足夠的能量供應(yīng)、較大的內(nèi)存和較強(qiáng)的計(jì)算能力,能獨(dú)立完成自身的定位和授時(shí),它的通信能力、存儲(chǔ)能力、處理能力都要較任務(wù)節(jié)點(diǎn)強(qiáng),它擔(dān)負(fù)其他任務(wù)節(jié)點(diǎn)的位置定位、授時(shí),它連接著一定數(shù)量的任務(wù)節(jié)點(diǎn)和管理終端,實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換,同時(shí)將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到管理終端。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被動(dòng)聲基陣定位

節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程中不僅包括地理位置信息,還包括至關(guān)重要的時(shí)間信息[5]。在被動(dòng)式時(shí)間同步機(jī)制下,利用本地時(shí)鐘的時(shí)延值或時(shí)間差,節(jié)點(diǎn)的五元被動(dòng)聲基陣即可完成節(jié)點(diǎn)自身定位。

2.1 被動(dòng)式時(shí)間同步機(jī)制

時(shí)間同步對(duì)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸和交換具有重要意義。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的定位離不開(kāi)時(shí)間同步,因此提出了多種時(shí)間同步機(jī)制。NTP協(xié)議已廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng),具有易擴(kuò)展、精度高的優(yōu)點(diǎn),但它依賴(lài)于有線的傳輸網(wǎng)絡(luò)不適于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);無(wú)線廣播報(bào)時(shí)系統(tǒng)在聲傳感器基陣網(wǎng)絡(luò)中很難得到相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的支持,而且易受干擾破壞;GPS能為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供納秒級(jí)精度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,也適于在地形復(fù)雜開(kāi)闊的地域使用,但是需要較高成本的接收機(jī),無(wú)法每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備,只能為少數(shù)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用。而且我國(guó)沒(méi)有GPS的主控權(quán),使用的是降低精度的粗碼,戰(zhàn)時(shí)更是不可依賴(lài)。我國(guó)的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)投入使用后,我們可以得到精度更高和完全控制權(quán)的定位、授時(shí)服務(wù),完全可以為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)定位授時(shí)。

無(wú)線傳感器領(lǐng)域的三種基本時(shí)間同步機(jī)制RBS、TPSN 和 TINY/MINI-SYNC,適用于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)。RBS機(jī)制適合多跳網(wǎng)絡(luò),它用去除發(fā)送時(shí)間和訪問(wèn)時(shí)間的方法來(lái)提高時(shí)間同步精度。但在實(shí)際傳感器網(wǎng)絡(luò)中,需要多個(gè)簇之間有共同點(diǎn)進(jìn)行比對(duì),才能實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,這依賴(lài)于有效的分簇方法,需要交換多個(gè)同步消息,消耗較多的網(wǎng)絡(luò)能量,并且隨條數(shù)的增多而誤差增大。TPSN時(shí)間同步協(xié)議能提供比RBS機(jī)制更高的同步精度,但其同步信息交換頻繁,協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)大,而且一旦根節(jié)點(diǎn)失效則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將喪失時(shí)間同步信息。TINY/MINI-SYNC同步算法的前提是時(shí)鐘頻偏和相偏固定不變,這在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)現(xiàn),較低成本的晶振很難保證其長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定,這個(gè)問(wèn)題同樣存在于以上兩種機(jī)制之中,這就需要信標(biāo)節(jié)點(diǎn)按一定的周期發(fā)送同步信息對(duì)時(shí),這樣既耗費(fèi)寶貴的能量又占用通信通道,會(huì)對(duì)突如其來(lái)的目標(biāo)信息的轉(zhuǎn)發(fā)造成阻塞。

聲基陣傳感器網(wǎng)絡(luò)的主探測(cè)器是五元空間聲傳感器基陣,在定位過(guò)程中需要本地時(shí)鐘的時(shí)延值或時(shí)間差,而不必與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格地時(shí)間同步,該網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間原理如圖2所示,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有標(biāo)識(shí)ID和本地時(shí)鐘,節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘無(wú)需與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)同步。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPS或北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得精確的定位和授時(shí),以此為網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。圖中目標(biāo)事件發(fā)生未知時(shí)刻為T(mén),T為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到單跳任務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的目標(biāo)信息的時(shí)刻,Tn為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到n跳任務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的目標(biāo)信息的時(shí)刻;t1為任務(wù)節(jié)點(diǎn)完成對(duì)聲目標(biāo)的探測(cè)、數(shù)據(jù)處理,并將數(shù)據(jù)發(fā)送給信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間,即任務(wù)時(shí)間延遲t1=ta+tb,其中ta為目標(biāo)的聲信號(hào)發(fā)出到達(dá)探測(cè)基陣所需的時(shí)間,由計(jì)算得到;tb為完成信號(hào)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送所需的時(shí)間,由節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘測(cè)得;故t1可實(shí)際測(cè)得。t2～tn為n跳內(nèi)每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)所需時(shí)間,由每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘測(cè)得,因此在目標(biāo)探測(cè)、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)每個(gè)過(guò)程所耗費(fèi)的時(shí)間均可測(cè)得。這樣信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)已知時(shí)刻對(duì)已知時(shí)間延遲相減,其結(jié)果為目標(biāo)事件發(fā)生的時(shí)刻,即:

在節(jié)點(diǎn)定位不需時(shí)間同步的情況下,依據(jù)聲傳感器基陣網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際,使用無(wú)需嚴(yán)格同步的時(shí)間方式,稱(chēng)之為被動(dòng)式時(shí)間同步方式。

圖2 五元空間被動(dòng)聲探測(cè)基陣網(wǎng)絡(luò)時(shí)間機(jī)制原理圖Fig.2 The network time mechanism principles of the five-element space detection array

2.2 節(jié)點(diǎn)被動(dòng)聲基陣定位

在聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中,目標(biāo)事件發(fā)生的位置和獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是聲傳感器節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)信息中至關(guān)重要的信息,沒(méi)有位置信息就無(wú)法獲得目標(biāo)的方位、高度、速度、航向等信息。聲傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布放在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為中心進(jìn)行有效地分簇,隨機(jī)布放的聲傳感器節(jié)點(diǎn)除信標(biāo)節(jié)點(diǎn)外無(wú)法知道自身位置,聲傳感器節(jié)點(diǎn)在布放后要能夠完成自身定位,節(jié)點(diǎn)根據(jù)離自己最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置,利用自身攜帶的聲基陣傳感器按被動(dòng)聲定位的方式和算法確定自身的位置。

聲基陣節(jié)點(diǎn)的定位原理如圖3所示,該基陣共有5個(gè)傳感器,S0、S1、S2、S3和 S4分別在 x軸和 z軸、y軸和z軸構(gòu)成的坐標(biāo)平面內(nèi),距坐標(biāo)軸的距離為l,以S0為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系。假設(shè)節(jié)點(diǎn)A(x,y),節(jié)點(diǎn)到原點(diǎn)的距離為r,聲波以球面波進(jìn)行傳播,以地北為基準(zhǔn)逆時(shí)針?lè)较蚍轿唤菫棣?τi(i=1,2,3,4)為節(jié)點(diǎn)的聲信號(hào)到達(dá)傳感器Si和S0的時(shí)間差。ri(i=1,2,3,4)為節(jié)點(diǎn)的聲信號(hào)到達(dá)Si和S0的距離差,c為聲速。則有:

圖3 五元空間探測(cè)基陣節(jié)點(diǎn)定位原理圖Fig.3 The node localization principles of the five-element space detection array

根據(jù)直角坐標(biāo)系中兩點(diǎn)間的距離公式可得節(jié)點(diǎn)A的位置極坐標(biāo)(φ,r)的表達(dá)式為:

上述方程即為五元空間被動(dòng)聲探測(cè)基陣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置的定位方程。該五元空間基陣布陣有較好的定向精度和定距精度,方位角的誤差與方位角和距離無(wú)關(guān),在水平方向俯仰角對(duì)方位角和距離的影響較小。

被動(dòng)聲基陣網(wǎng)絡(luò)中,信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所占的比例很小,配置較高。由北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)或GPS系統(tǒng)提供定位和授時(shí),其他未知任務(wù)節(jié)點(diǎn)的參考坐標(biāo)由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)布自己的位置坐標(biāo)(x,y),單跳距離的未知任務(wù)節(jié)點(diǎn)接收。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的揚(yáng)聲器發(fā)出聲信號(hào),離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)單跳距離的未知任務(wù)節(jié)點(diǎn)利用五元聲傳感器基陣模塊接收聲信號(hào),經(jīng)處理后由定位公式(3)計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相對(duì)自己的距離r和方位角φ,由兩點(diǎn)換算公式(4)換算成自己的位置坐標(biāo):

在完成定位的同時(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)記錄下自己的跳數(shù),將得到的跳數(shù)信息和位置信息通過(guò)無(wú)線模塊反饋給信標(biāo)節(jié)點(diǎn),最終傳遞給管理終端處理。單跳一級(jí)的節(jié)點(diǎn)按方位角 φ由小到大的優(yōu)先級(jí)順序,按上述方式對(duì)多跳未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。

3 節(jié)點(diǎn)定位誤差分析

從定位公式來(lái)看,影響位置精度的因素有聲速、時(shí)延估計(jì)、聲陣尺寸和陣型的幾何形狀,為驗(yàn)證五元空間陣對(duì)節(jié)點(diǎn)的定位性能,下面對(duì)節(jié)點(diǎn)誤差進(jìn)行分析仿真,基于三個(gè)前提假設(shè):

1)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)處于同一水平面(在其他俯仰角情況下仍可利用聲基陣測(cè)得,這里設(shè)節(jié)點(diǎn)處于水平面);

2)設(shè)節(jié)點(diǎn)距離的變化范圍為0＜r≤200 m,有效聲速為334 m/s(探測(cè)單元利用其他傳感器探測(cè)風(fēng)速、溫度、濕度等值加以修正);

3)各聲傳感器時(shí)延估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差相同,即:

3.1 方位角誤差分析

在俯仰角θ=90°方位角估計(jì)的誤差為:

節(jié)點(diǎn)定位的方位角精度與時(shí)延估計(jì)誤差、聲陣尺寸有關(guān),與方位角和距離無(wú)關(guān)。方位角誤差的仿真結(jié)果如圖4所示。圖 4為俯仰角 θ=90°時(shí),方位角誤差隨時(shí)延估計(jì)誤差和聲陣尺寸變化的曲面圖。

圖4 方位角誤差與聲陣尺寸、時(shí)延估計(jì)誤差關(guān)系圖Fig.4 Azimuth error vs array size and time delay error diagram

從圖4可以看出:時(shí)延估計(jì)誤差取不同值時(shí),方位角誤差隨聲陣尺寸變化的曲線。當(dāng)στ≤10μs,l≥0.2 m時(shí) ,方位角誤差σφ＜0.8°。當(dāng) στ≤5μs,時(shí),方位角誤差 σφ＜0.4°。

3.2 距離相對(duì)誤差分析

在俯仰角θ=90°時(shí),距離相對(duì)誤差為:

距離相對(duì)估計(jì)誤差與時(shí)延估計(jì)誤差、陣列尺寸和節(jié)點(diǎn)間實(shí)際距離有關(guān),與方位角無(wú)關(guān)。圖5是俯仰角θ=90°時(shí),距離相對(duì)誤差隨時(shí)延估計(jì)誤差和聲陣尺寸變化的曲面圖。圖中可以看出增大聲陣尺寸和減小時(shí)延估計(jì)誤差可以減小距離相對(duì)誤差。當(dāng)στ≤5μs,l≥0.2 m時(shí),距離相對(duì)誤差小于10%,當(dāng)l≥0.5 m時(shí),相對(duì)誤差小于1.5%。

圖5 距離相對(duì)誤差與聲陣尺寸、時(shí)延估計(jì)誤差關(guān)系圖Fig.5 Range relative error vs array size and time delay error diagram

圖6 是當(dāng)στ=5μs,l=0.5 m時(shí),距離相對(duì)誤差與距離的關(guān)系圖。

圖6 距離相對(duì)誤差與距離關(guān)系圖Fig.6 Range relative error vs range diagram

由圖6可知,當(dāng)要求距離相對(duì)誤差為0.82%,即距離誤差為1 m時(shí),對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)距離為122 m。當(dāng)r=200 m時(shí),距離相對(duì)誤差小于1.4%。而在500 m時(shí)的距離相對(duì)誤差則約為3.5%?？梢?jiàn),在一定的時(shí)延估計(jì)誤差和陣列尺寸下,聲陣的測(cè)距精度隨著目標(biāo)距離的增大而下降,隨距離的增加誤差增大。

4 結(jié)論

本文提出了被動(dòng)式時(shí)間同步機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被動(dòng)聲基陣定位方法,該方法在被動(dòng)式時(shí)間同步機(jī)制下,利用本地時(shí)鐘的時(shí)延值或時(shí)間差,節(jié)點(diǎn)的五元被動(dòng)聲基陣即可完成節(jié)點(diǎn)自身定位,其對(duì)硬件要求低,通信量小,節(jié)省能量開(kāi)銷(xiāo)。誤差分析表明節(jié)點(diǎn)在有效的定位距離內(nèi)精度較高,為網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)融合處理提供研究依據(jù)。

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