畢京學，郭 英，甄 杰，張鼎凱，楊 凱，段淑珍

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

1 引言

水下定位技術是當前海洋開發(fā)活動與海洋技術發(fā)展的基礎。海洋定位技術在海底環(huán)境監(jiān)測、海洋工程建設、海洋資源開發(fā)、海洋科學發(fā)展以及海洋災害預警預報與急救等多方面都將發(fā)揮極其重要的作用。傳統(tǒng)的水聲定位設備普遍存在著諸如布設、校準和維護困難，費時耗資，靈活性差，定位精度不理想，作用范圍有限，系統(tǒng)標定困難，無法滿足特殊工程應用等問題。全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)技術、無線傳感器網絡技術的廣泛應用為突破傳統(tǒng)水下定位技術的局限提供了充分的可能性。綜合了浮標網絡技術、水聲定位技術以及GPS衛(wèi)星定位技術的浮標網絡定位技術，即水下GPS定位系統(tǒng)，較好地解決了水下運動目標的實時精確定位問題。但在實際應用中，浮標網絡技術透露出越來越多的不足。水下無線傳感器網絡作為陸上無線傳感器網絡的延伸，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、災害預測、搜索救援等方面具有重要應用[4]。

2 浮標網絡定位系統(tǒng)

如圖1所示，浮標網絡定位系統(tǒng)由GPS、浮標網絡、水下目標、地面監(jiān)控中心或測量船組成。浮標內置的GPS 接收機獲取位置信息，同時水下目標向浮標基元發(fā)出聲脈沖信息，然后浮標將自身的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，通過相應的定位算法解算出水下目標的位置信息并發(fā)送至浮標，再通過聲波脈沖告知定位目標[5-7]。

應用較廣泛的是單浮標水下GPS相對定位模型及浮標網絡水下GPS長基線定位模型：前者操作簡單成本較低，主要應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，由浮標基元構建長基線，利用空間后方交會實現(xiàn)水下目標的定位[10-11]，文獻[12]提出了差分GPS水下定位系統(tǒng)的極坐標系下定位的解析表達式，推導了定位結果影響表達式。

圖1 浮標網絡系統(tǒng)結構示意圖

含有浮標網絡的水下GPS定位技術雖然有了長足發(fā)展，能夠提供滿足精度需求的定位服務，但是存在許多不足。

2004-01研制成功的水下GPS高精度定位導航系統(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，能夠實現(xiàn)水下設備導航和水下目標瞬時水深檢測[13]。該系統(tǒng)在水下自動化程度及應用范圍等方面達到了當時的國際先進水平，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、矢量水聽器技術、無線傳感器技術、無線網絡技術和網絡化傳感器技術引入傳統(tǒng)長基線水下目標定位系統(tǒng)的方法，討論了測量原理、系統(tǒng)實現(xiàn)及關鍵技術。網絡化傳感器技術僅采用聲壓傳感器，構成空間陣列，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，從而計算出目標方位角αi和俯角βi，用于目標定位。文中沒有仿真實驗，無法評估系統(tǒng)定位和導航的精度。

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，無法用于水下目標動態(tài)定位和導航。

綜上所述，依靠浮標網絡水下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)時延效應沒有消除；

(4)只顯示了微跟蹤能力[17]。

3 水下無線傳感器網絡

水下無線傳感器網絡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)，通過聲學通信方式傳遞給水面的基站或船舶，水面設施采用無線電方式傳給衛(wèi)星或互聯(lián)網，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，并能向岸上基站播發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖2 傳感器節(jié)點結構示意圖

4 水下無線傳感器網絡定位技術

水下無線傳感器網絡定位技術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，從而更好地服務于海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋工程建設和災害預警等應用。

在水下無線傳感器網絡定位技術中，網絡拓撲結構通常是決定能源消耗、容量和網絡可靠性的關鍵因素。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，且不易更換，這就需要對水下無線傳感器網絡拓撲結構進行精心設計和最優(yōu)化布設。良好拓撲結構的網絡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，因此網絡拓撲結構的好壞對系統(tǒng)的性能尤為重要。

這部分主要從網絡拓撲結構方面對水下無線傳感器網絡定位技術進行分類，介紹了系統(tǒng)原理，并從網絡拓撲結構和定位算法優(yōu)化方面敘述了發(fā)展現(xiàn)狀。按照系統(tǒng)結構可將水下定位系統(tǒng)分為：二維水下傳感器網絡定位系統(tǒng)和三維水下傳感器網絡定位系統(tǒng)。

4.1 二維水下傳感器網絡定位系統(tǒng)

如圖3所示，二維水下傳感器網絡是由水面浮標網絡和水下無線傳感器網絡組成。水面浮標網絡接收GPS信號，安裝在浮標上的水聽器同時接收匯聚節(jié)點或者信標發(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。水下無線傳感器網絡由大量固定在海底的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點或信標構成，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)器可以向浮標網絡傳遞數(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。

水下傳感器網絡中，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，導致網絡容量減少。在多跳路徑中，由中間節(jié)點負責傳遞數(shù)據(jù)，可能會節(jié)約能源和增加網絡容量，但會增加路由計算的復雜度[20]。所以，在考慮到能源和網絡容量的同時，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絡定位模型

4.2 三維水下傳感器網絡定位系統(tǒng)

如圖4所示，三維水下傳感器網絡定位系統(tǒng)由水面基站和懸浮在水中的傳感器網絡組成。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網絡，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。當然，含有水下目標(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)自主導航與定位。

三維水下傳感器網絡的傳感器節(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

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

4.3.1 拓撲結構上的研究

文獻[20]提到AUV將會從許多方面增強水下傳感器網絡的功能，并指出需要研究的協(xié)同算法領域，譬如自適應采樣、自我配置算法等，為后續(xù)研究作了準備。文獻[21]設想了一個三維水下傳感器網絡結構，如圖5所示，包括漂浮在水面的平臺和浮標，固定在海底的水下傳感器網絡，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 設想的水下無線傳感器網絡拓撲結構[21]

文獻[23]提出一種利用升降(Dive’N’Rise，DNR)信標定位的方法，DNR浮標能夠上浮到水面和下潛至一定深度。文獻[23]作了兩個假設：節(jié)點間時間同步，DNR信標和傳感器節(jié)點裝有壓力傳感器。當DNR信標浮到水面時，能夠獲取GPS坐標信息，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、DET、錨節(jié)點和普通節(jié)點組成，DET連接在浮標上，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絡中，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絡極大的挑戰(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的目標區(qū)域進行仿真實驗，在三維空間里較理想地均勻布設了900個傳感器節(jié)點，每個節(jié)點基本處于蜂窩區(qū)的質心，并用定位流程完成時間來評估整個網絡的性能。仿真結果表明，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絡的水下定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用大量的裝有水聽器和GPS的標準站，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絡以及文獻[29]提出的水下機器人自定位協(xié)議，惡化了水下傳感器網絡帶寬窄的問題，降低了網絡的吞吐量。

文獻[30]提出一種適用于大型水下傳感器網絡分層定位的方法，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、準確度、能源消耗和延遲方面，對三維水下移動傳感器網絡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)，大型傳感器網絡定位(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絡關鍵協(xié)議，并從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層等方面對目前國內外已有的協(xié)議進行詳細綜述，因此，本文不再敘述水下傳感器網絡協(xié)議的發(fā)展現(xiàn)狀。

5 結束語

水下無線傳感器網絡定位技術仍然面臨許多挑戰(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，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，應致力于水下傳感器網絡拓撲結構優(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。

本文針對目前浮標網絡定位技術的不足，簡單介紹了水下無線傳感器網絡技術，從網絡拓撲結構方面對水下無線傳感器網絡定位技術進行分類，介紹了系統(tǒng)原理，并從網絡拓撲結構和定位算法優(yōu)化方面敘述了發(fā)展現(xiàn)狀，為后續(xù)研究提供了參考。

[1] 呂超，王碩，譚民.水下移動無線傳感器網絡研究綜述[J].控制與決策，2009，24(6)：801-807.

[2] 孫桂芝.水聲通信網絡路由協(xié)議研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[3] 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003(14)：1282-1288.

[4] CUI Jun-hong，KONG Jie-jun，GERLA M，et al.The Challenges of Building Mobile Underwater Wireless Networks for Aquatic Applications[J].IEEE Network，2006，20(3)：12-18.

[5] 張瑜，孟慶海.提高水下GPS定位精度方法研究[J].海洋工程，2009，27(2)：106-109.

[6] 王澤民，羅建國，陳琴仙，等.水下高精度立體定位導航系統(tǒng)[J].聲學與電子工程，2005(2)：1-3.

[7] 李啟虎.水聲學研究進展[J].聲學學報，2001，26(4)：295-301.

[8] 王大成，郭麗華，丁士圻.高精度水下定位的一種實現(xiàn)方案[J].海洋技術，2004，23(9)：34-38.

[9] 李小民，李建增，宋軍，等.水下GPS應用方法研究[J].測控技術，2004，23(6)：57-59.

[10] 李睿.水下GPS定位技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2008：33-37.

[11] THOMAS H G.New Advanced Underwater Navigation Techniques Based on Surface Relay Buoys[C]//Proceedings of Oceans Engineering for Today’s Technology and Tomorrow’s Preservation(IEEE OCEANS’94).Brest：[s.n.]，1994：III/395-III/402.

[12] 蔡艷輝，楊新紅.差分GPS水下定位系統(tǒng)的解析法分析[J].大地測量與地球動力學，2008，28(6)：101-106.

[13] 863計劃水下GPS高精度定位系統(tǒng)課題組.我國首套水下GPS高精度定位導航系統(tǒng)簡介[J].中國水利，2004(2)：52-53.

[14] 江南，黃建國，李姍.長基線水下目標定位新技術研究[J].儀器儀表學報，2004，25(4)：77-80.

[15] 王權，程鵬飛，章傳銀，等.差分GPS水下立體定位系統(tǒng)[J].測繪科學，2006，31(5)：18-20.

[16] 蔡艷輝，章傳銀，王澤民，等.差分GPS水下立體定位系統(tǒng)浮標姿態(tài)的測量[J].測繪科學，2005，30(3)：49-50.

[17] BECHAZ C，THOMAS H.GIB System：The Underwater GPS Solution[C]//Proceedings of 5th Europe Conference on Underwater Acoustics(ECUA).Lyon：[s.n.]，2000：56-58.

[18] 劉明臣，楊長青，孟橋.水下通信網的MAC層協(xié)議及TDCDMA技術的Opnet仿真[J].無線通信技術，2004，23(4)：119-220.

[19] SOZER E M，STOJANOVIC M，PROAKIS J G.Underwater Acoustic Networks[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2000，25(1)：72-83.

[20] AKYILDIZ I F，POMPILI D，MELODIA T.Underwater Acoustic Sensor Networks：Research Challenges [J].Ad hoc networks，2005，3(3)：257-279.

[21] HEIDEMANN J，YE Wei，WILLS J，et al.Research Challenges and Applications for Underwater Sensor Networking[C]//Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference(WCNC2006).Las Vegas：IEEE，2006：I/228-I/235.

[22] SYED A A，HEIDEMANN J S.Time Synchronization for High Latency Acoustic Networks [EB/OL].[2013-11-20].http：//citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.61.7729&rep=rep1&type=pdf.

[23] EROL M，VIEIRA L F M，GERLA M.Localization with Dive’N’Rise (DNR) Beacons for Underwater Acoustic Sensor Networks[C]//Proceedings of the Second Workshop on Underwater Networks.New York：[s.n.]，2007：97-100.

[24] CHEN Kai，ZHOU Yi，HE Jian-hua.A Localization Scheme for Underwater Wireless Sensor Networks [J].International Journal of Advanced Science and Technology，2009(4)：9-15.

[25] ZHOU Zhong，CUI Jun-hong，ZHOU Sheng-li.Localization for Large-scale Underwater Sensor Networks[EB/OL].[2013-11-20].http：//www.engr.uconn.edu/～jcui/UWSN_papers/UbiNet-TR06-04_localization.pdf.

[26] TIAN Chen，LIU Wen-yu，JIN Jiang，et al.Localization and Synchronization for 3D Underwater Acoustic Sensor Networks[C]//Proceedings of 4th International Conference on Ubiquitous Intelligence and Computing.Hong Kong：[s.n.]，2007：622-631.

[27] FU Bin，ZHANG Fei-fei，ITO M，et al.Development of a New Underwater Positioning System Based on Sensor Network [J].Artificial Life and Robotics，2008，13(1)：45-49.

[28] CHENG Xiu-zhen，SHU Hai-ning，LIANG Qi-lian，et al.Silent Positioning in Underwater Acoustic Sensor Networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2008，57(3)：1756-1766.

[29] ZHANG Yue-cheng，CHENG Liang.A Distributed Protocol for Multi-hop Underwater Robot Positioning[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics(ROBIO 2004).Shenyang，China：[s.n.]，2004：480-484.

[30] ZHOU Zhong，CUI Jun-hong，ZHOU Sheng-li.Efficient Localization for Large-scale Underwater Sensor Networks [J].Ad Hoc Networks，2010，8(3)：267-279.

[31] EROL-KANTARCI M，OKTUG S，VIEIRA L，et al.Performance Evaluation of Distributed Localization Techniques for Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks[J].Ad Hoc Networks，2011，9(1)：61-72.

[32] 郭忠文，羅漢江，洪鋒，等.水下無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發(fā)展，2010，47(3)：377-389.