郭 瑛， 王進(jìn)新， 鄭連振

(1.青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 山東 青島 266061; 2. 中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東 青島 266100)

0 引言

海洋物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于海洋學(xué)等領(lǐng)域，例如海洋數(shù)據(jù)收集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源勘探和海軍軍事[1].在這些應(yīng)用中，收集的數(shù)據(jù)必須與位置信息匹配[2-3].因此，研究海洋物聯(lián)網(wǎng)定位具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

近年來(lái)，海洋物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)發(fā)展日漸成熟[4]，但是與陸地物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)相比，依然存在著較大差距[5].陸地物聯(lián)網(wǎng)定位通過(guò)全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)或者是直接定位方法快速實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位，GPS技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[6].但在海洋物聯(lián)網(wǎng)水下環(huán)境中，主要通過(guò)聲波進(jìn)行通信，聲波在水中傳播速度受到多種因素的影響，例如：發(fā)射信號(hào)的功率低、噪聲大、信號(hào)能量衰減快以及信道的沖激響應(yīng)等[7].

水下信號(hào)的傳播介質(zhì)與陸地上的傳播介質(zhì)相差較大，GPS信號(hào)會(huì)迅速衰減，以至于無(wú)法定位[8-9].并且海洋物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)位置會(huì)隨著海流移動(dòng)而變化，從而增加了水下節(jié)點(diǎn)定位的誤差[10]. 因此，陸地定位技術(shù)不能直接應(yīng)用于海洋物聯(lián)網(wǎng)，并且后者因很多限制因素而難以實(shí)現(xiàn).目前，陸地物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)一般分兩種：基于距離的定位算法(range-based)和距離無(wú)關(guān)的定位算法(range-free)[11-12].range-based主要依據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)間的精確距離計(jì)算來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的位置.包括多種算法機(jī)制，如：到達(dá)時(shí)間(time of arrival，TOA)、到達(dá)角度(angle of arrival，AoA)[13]、接收信號(hào)強(qiáng)度(received signal strength indicator，RSSI)[14]等.range-free不需要精確的節(jié)點(diǎn)位置即可定位.很多算法采用了這種技術(shù)，如：質(zhì)心算法[15]、距離向量-跳段算法(distance vector-hop，DV-Hop)[16].由于水下和陸地環(huán)境的差異，這些方法不能用于海洋物聯(lián)網(wǎng).

大多數(shù)基于距離的定位算法都需要高精度的時(shí)間同步算法.其中，多跳擬合定位方法(multihops fitting localization approach，MFLA)[17]用于定位孤立未知節(jié)點(diǎn).此算法中使用的中間節(jié)點(diǎn)設(shè)置為路由器，通過(guò)貪婪方法構(gòu)建路徑，多跳路徑近似描述為直線，通過(guò)三邊定位方程來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置.Cheng等[18]提出了一種不需要時(shí)間同步的定位方案，這種大規(guī)模定位(localization scheme for large scale underwater networks，LSLS)采用到達(dá)時(shí)間差異方法測(cè)量不同傳感器的距離，LSLS算法應(yīng)用于大規(guī)模水下網(wǎng)絡(luò)定位.

距離無(wú)關(guān)的定位算法僅提供節(jié)點(diǎn)位置的模糊估計(jì).Hu等[19]介紹了蒙特卡洛定位方法,可以在節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性不可控制的情況下，改善節(jié)點(diǎn)定位的精度和準(zhǔn)確度.一些研究人員使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行海洋定位，多直升機(jī)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)是一種無(wú)人駕駛四軸飛行器的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，進(jìn)行空氣污染源的定位.在該系統(tǒng)中，采用了GPS定位，為系統(tǒng)提供連續(xù)和精確的定位信息，四軸飛行器需要布置大量傳感器定位污染源，通過(guò)射頻方式將所得信息返回到基站.然而射頻信號(hào)在水下傳輸距離較短，并且傳感器節(jié)點(diǎn)布置困難，此系統(tǒng)很難直接應(yīng)用于水下節(jié)點(diǎn)定位[20].

雖然這些算法涉及了在靜動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)部署以及水下節(jié)點(diǎn)定位的問(wèn)題，但都沒(méi)有同時(shí)考慮多信源節(jié)點(diǎn)靜動(dòng)態(tài)定位以及速度對(duì)單信標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的影響等問(wèn)題，從而無(wú)法在不同的海洋環(huán)境中精確部署節(jié)點(diǎn)，不能達(dá)到準(zhǔn)確定位.為解決上述問(wèn)題，基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，本文提出了一種新的多信源海洋物聯(lián)網(wǎng)定位算法.該算法包括多信源靜態(tài)定位算法 MSL和多信源動(dòng)態(tài)定位算法 MDL.該算法解決了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)難以準(zhǔn)確部署的問(wèn)題，節(jié)約了定位成本.同時(shí)，由于定位過(guò)程中，沒(méi)有輔助節(jié)點(diǎn)的參與，大大縮短了定位時(shí)間，減少了定位誤差.除此之外，本文算法較之前算法，更好地解決了當(dāng)前海洋物聯(lián)網(wǎng)定位的問(wèn)題.

本文的貢獻(xiàn)主要是3個(gè)方面：1) 基于多信源海洋物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，將位置精確的岸邊建筑物、海面艦船和航標(biāo)等作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)輔助定位，減少了定位過(guò)程所需要信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量(多信源靜態(tài)定位算法：近海海域需要的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為4個(gè)，遠(yuǎn)海海域需要的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2個(gè)；多信源動(dòng)態(tài)定位算法中需要的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量?jī)H為1個(gè)).2) 分析了海洋物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定位的基本原理，并說(shuō)明了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與水下待定位節(jié)點(diǎn)之間的通信過(guò)程，設(shè)計(jì)了針對(duì)不同海洋環(huán)境的多源定位算法.3) 與其他定位算法進(jìn)行仿真比較，通過(guò)仿真結(jié)果，總結(jié)分析了不同海洋環(huán)境下MSL算法和MDL算法的性能.

1 算法設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)位置和軌跡的精確預(yù)判，需要利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行輔助定位.但是在實(shí)際部署過(guò)程中，由于受到海域外在條件限制，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的部署工作難以順利進(jìn)行.在海洋物聯(lián)網(wǎng)中，岸邊基站、建筑物以及海面船舶等具有精確位置的物體可作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來(lái)輔助定位.本節(jié)設(shè)計(jì)了多信源海洋物聯(lián)網(wǎng)定位算法用于水下靜態(tài)、動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)定位.

1.1 多信源靜態(tài)節(jié)點(diǎn)定位算法

本節(jié)設(shè)計(jì)了多信源靜態(tài)節(jié)點(diǎn)定位算法 MSL，用于水下待定位節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程中保持靜止的情況.

圖1 近海多信源靜態(tài)節(jié)點(diǎn)定位圖Fig.1 Multi-source static node localization in the offshore area

圖1標(biāo)明了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和水下待定位節(jié)點(diǎn)的分類，岸邊建筑物A、浮標(biāo)B、海面帆船C、輪船D作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，這類信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以利用攜帶的定位裝置時(shí)刻確定自身位置，節(jié)點(diǎn)N作為水下待定位節(jié)點(diǎn).水下待定位節(jié)點(diǎn)N以廣播形式發(fā)出定位請(qǐng)求信息，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在收到水下待定位節(jié)點(diǎn)N的請(qǐng)求定位信息后，采用TOA測(cè)距方法計(jì)算出其與水下待定位節(jié)點(diǎn)N之間的距離，具體公式為

di,N=c×ti,N，

(1)

其中：c為節(jié)點(diǎn)之間通信的水下聲波速度；ti,N為節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)間；i=A,B,C,D.

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和水下待定位節(jié)點(diǎn)通信過(guò)程中水下聲波速度公式[21]為

c=1449.30+4.6T-0.055T2+0.000 29T3+(1.34-0.010T)×(S-35)+0.168P，

(2)

其中：T表示節(jié)點(diǎn)所在海域水下溫度；S代表節(jié)點(diǎn)所在海域海水鹽度；P為節(jié)點(diǎn)在海域水下位置的壓強(qiáng).

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)返回自身位置信息和它們與水下待定位節(jié)點(diǎn)N之間的距離.水下待定位節(jié)點(diǎn)N收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)返回的信息，利用多邊定位原理，得到多邊距離公式

(3)

圖2 遠(yuǎn)海多信源靜態(tài)節(jié)點(diǎn)定位圖Fig.2 Multi-source static node localization in the remote sea

其中：(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB)、(xC,yC,zC)和(xD,yD,zD)分別是岸邊建筑物A、浮標(biāo)B、海面帆船C和輪船D的坐標(biāo)；(xN,yN,zN)表示水下待定位節(jié)點(diǎn)N坐標(biāo)；dAN、dBN、dCN、dDN分別是岸邊建筑物A、浮標(biāo)B、海面帆船C和輪船D與水下待定位節(jié)點(diǎn)N之間的距離.根據(jù)多邊公式(3)可以求得水下待定位節(jié)點(diǎn)N的坐標(biāo).MSL算法精度高、計(jì)算量小，但是在定位過(guò)程中，至少需要4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn).

在遠(yuǎn)海，艦船、航標(biāo)、建筑物等分布相對(duì)稀疏，造成信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限，當(dāng)返回的位置信息數(shù)目不能達(dá)到使用定位算法中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目下限時(shí)，水下待定位節(jié)點(diǎn)利用與移動(dòng)的船舶多次通信完成位置坐標(biāo)的計(jì)算.圖2展現(xiàn)了這一過(guò)程.水下待定位節(jié)點(diǎn)N利用公式(3)計(jì)算得到位置.

MSL算法定位過(guò)程如下.

Algorithm 1: Multi-source static localization algorithm (MSL)Step 1 A1: Broadcast (Loc_request);Step 2 Receive (Position and Distance); Step 3 if (Num_beacon≤4)Step 4 Goto A1;Step 5 endifStep 6 Compute Position N with equation (3);

通常，水下節(jié)點(diǎn)在洋流等的影響下會(huì)隨水流移動(dòng)，這樣就造成了作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的船舶和水下待定位節(jié)點(diǎn)位置會(huì)隨著時(shí)間的變化而改變.在近海海域，分布著充足的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，水下待定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次定位請(qǐng)求信息，就可以得到充足定位信息.節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)不會(huì)影響最終算法性能.在遠(yuǎn)海，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目不足，水下待定位節(jié)點(diǎn)收到定位信息不會(huì)達(dá)到定位需求，這就會(huì)給節(jié)點(diǎn)定位帶來(lái)影響.

1.2 多信源動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)定位算法

由于水下待定節(jié)點(diǎn)得到定位請(qǐng)求回復(fù)位置不是固定的，直接利用靜態(tài)定位算法對(duì)水下待定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置的計(jì)算會(huì)帶來(lái)較大誤差.為了解決上述問(wèn)題，本節(jié)設(shè)計(jì)了多信源動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)定位算法MDL.

如圖3所示，水下待定位節(jié)點(diǎn)N廣播定位請(qǐng)求信息，船舶在位置A收到該請(qǐng)求信息，利用公式(1)計(jì)算得到兩點(diǎn)之間的距離dAN，并將其返回給水下待定位節(jié)點(diǎn)N.水下待定位節(jié)點(diǎn)N收到返回的信息后，立刻連續(xù)發(fā)送3次定位請(qǐng)求信息.船舶在位置B、C、D收到這些定位請(qǐng)求信息，利用公式(1)分別計(jì)算出兩點(diǎn)之間的距離dBN、dCN、dDN，再將求得的信息返回給水下待定位節(jié)點(diǎn)N，具體的通信過(guò)程如圖4所示.

圖3 多信源動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)定位圖Fig.3 Multi-source dynamic node localization

圖4 信息交換圖Fig.4 Information exchange process

水下待定位節(jié)點(diǎn)N在水流作用下具有移動(dòng)特性，其在收到船舶的信息后，連續(xù)發(fā)送3次信息，時(shí)間間隔很短，在幾秒內(nèi)就能完成.在計(jì)算兩點(diǎn)之間距離的時(shí)候，依然可以利用TOA測(cè)距方法進(jìn)行計(jì)算.水下待定位節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度較慢，位置變化在非常短的時(shí)間內(nèi)可以忽略不計(jì)[22].因此，可以采用方程組(3)解得水下待定位節(jié)點(diǎn)N的位置.

當(dāng)多艘船舶經(jīng)過(guò)水下待定位節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域，利用MDL算法可以得到水下待定位節(jié)點(diǎn)的位置.每增加一艘經(jīng)過(guò)水下待定位節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域的船舶，MDL算法運(yùn)行次數(shù)增加一次，這樣求得不同的定位結(jié)果，將其求平均值，并將所得平均值作為水下待定位節(jié)點(diǎn)的最終位置，這樣就可提升水下待定位節(jié)點(diǎn)的定位精度.MDL算法運(yùn)行如下.

Algorithm 2: Multi-source dynamic localization algorithm (MDL)Step 1 Broadcast (Loc_request);Step 2 Receive (Position A); Step 3 Send (Location message 1);Step 4 Send (Location message 2);Step 5 Send (Location message 3);Step 6 Compute Distance (dAN);Step 7 Receive (Position B、C、D and DistancedBN、dCN、dDN); Step 8 Compute Position N with equation (3);

在海洋物聯(lián)網(wǎng)水下待定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的過(guò)程中，首先選擇數(shù)量較為充足的多信源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位.當(dāng)信源節(jié)點(diǎn)數(shù)量少于4個(gè)，應(yīng)將移動(dòng)船舶與水下待定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多次通信，以得到足夠多的位置信息進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算.當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)無(wú)法與類似于船舶的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，而無(wú)法得到足夠多的定位信息的時(shí)候，則可以利用與其周圍已經(jīng)定位的水下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，從而讓已經(jīng)定位的水下節(jié)點(diǎn)充當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輔助定位.最終實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)范圍的水下待定位節(jié)點(diǎn)的定位.

大多數(shù)商用和民用船舶的位置信息都是公開(kāi)的，并且可以公開(kāi)用于水下節(jié)點(diǎn).因此，該算法可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如水下環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤等.

2 仿真分析

在該節(jié)中，我們通過(guò)仿真分析MSL算法和MDL算法的性能.為了簡(jiǎn)化，我們將船舶作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn).仿真實(shí)驗(yàn)分為兩部分：第一部分是MSL算法的仿真實(shí)驗(yàn)；第二部分是MDL算法的仿真實(shí)驗(yàn).同時(shí)，將MSL和MDL算法的性能與MFLA算法和LSLS算法進(jìn)行比較. MFLA和LSLS算法考慮受水流影響的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況，由于這兩種算法的水下待定位節(jié)點(diǎn)獨(dú)特的定位過(guò)程，致使這兩種算法可以用于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境；另外，這兩種算法的水下待定位節(jié)點(diǎn)位置可以通過(guò)三邊定位方程來(lái)計(jì)算.因此，本文將所提出的算法分別與MFLA和LSLS算法進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明了MSL和MDL算法要優(yōu)于MFLA和LSLS這兩種算法.

2.1 參數(shù)設(shè)置

在整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)中，使用Matlab R2016a作為仿真平臺(tái)，并對(duì)算法參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.第一部分為MSL算法參數(shù)設(shè)置，在400 m×400 m×100 m的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署了20個(gè)水下待定位節(jié)點(diǎn)，設(shè)置水下待定位節(jié)點(diǎn)的通信半徑為100 m.第二部分為MDL算法參數(shù)設(shè)置，水下待定位節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在相同的區(qū)域內(nèi), 將船舶移動(dòng)速度設(shè)定為2～20 m/s，水下待定位節(jié)點(diǎn)隨水流移動(dòng)的速度設(shè)定為0.5 m/s，參與定位的船舶數(shù)量設(shè)置為1艘， 信息發(fā)送時(shí)隙為1 s，設(shè)置水下待定位節(jié)點(diǎn)的通信半徑為100 m.在整個(gè)仿真過(guò)程中，將海水溫度和鹽度設(shè)定為15 ℃和3.5%.為了簡(jiǎn)化，忽略海水溫度和鹽度的變化.水下待定位節(jié)點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)可以通過(guò)其壓力傳感器直接獲得. 距離估計(jì)誤差服從標(biāo)準(zhǔn)差為0.3%的正態(tài)分布.另外，使用的計(jì)算水下待定位節(jié)點(diǎn)的定位誤差公式[23]為

(4)

其中：xest、yest、zest是通過(guò)算法計(jì)算得到的水下待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；xori、yori、zori是水下待定位節(jié)點(diǎn)的原始坐標(biāo).

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1MSL算法仿真 在MSL算法仿真實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)部署的20個(gè)水下待定位節(jié)點(diǎn)，將其原始位置與計(jì)算所得的位置進(jìn)行比較. 比較結(jié)果如圖5所示，由圖中展示的水下待定位節(jié)點(diǎn)的位置可以得到，通過(guò)MSL算法計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)位置更加接近原始節(jié)點(diǎn)的位置.

圖6顯示了通過(guò)MSL、MFLA和LSLS算法分別得到的水下待定位節(jié)點(diǎn)的定位誤差比較結(jié)果.表1更直觀地列出了3種算法定位誤差的相關(guān)細(xì)節(jié).從表1可以得到，MSL算法的節(jié)點(diǎn)定位平均誤差減少的倍數(shù)分別為MFLA算法的30%和LSLS算法的49%.這是因?yàn)镸SL算法的節(jié)點(diǎn)定位原理與MFLA和LSLS算法不同，MFLA算法用到的節(jié)點(diǎn)之間夾角角度變化幅度具有差異性.在LSLS算法中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與水下待定位節(jié)點(diǎn)之間距離的變化，造成了兩點(diǎn)之間通信時(shí)間的增大，進(jìn)而使算法中時(shí)間運(yùn)算部分的誤差加大.這些因素增加了MFLA和LSLS算法的節(jié)點(diǎn)定位誤差.

圖5 水下節(jié)點(diǎn)分布位置Fig.5 Nodes′ original and estimated positions

圖6 節(jié)點(diǎn)定位誤差Fig.6 Localization errors

表1 定位誤差的比較Tab.1 Comparison result of localization errors 單位：m

為了分析這3種算法在大規(guī)模節(jié)點(diǎn)部署中的定位誤差，在同一區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署了1 000個(gè)水下待定位節(jié)點(diǎn). 圖7顯示了MSL、MFLA和LSLS算法的節(jié)點(diǎn)定位誤差的CDF.從圖中可以看出當(dāng)CDF值為0.6時(shí)，MSL、MFLA和LSLS算法的節(jié)點(diǎn)定位誤差分別為3.65 m、5.10 m和6.15 m.相比于其他兩種算法，MSL算法在靜態(tài)海洋環(huán)境中具有較小的節(jié)點(diǎn)定位誤差和較好的穩(wěn)定性.

2.2.2MDL算法仿真 圖8展示了MDL、MFLA和LSLS算法的動(dòng)態(tài)水下待定位節(jié)點(diǎn)定位誤差CDF.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，當(dāng)CDF值為0.6時(shí)，MDL算法節(jié)點(diǎn)定位誤差為4.84 m，MFLA和LSLS算法的節(jié)點(diǎn)定位誤差分別為6.15 m和7.55 m. 由此可以得到，在動(dòng)態(tài)的海洋環(huán)境中，MDL算法大規(guī)模節(jié)點(diǎn)定位誤差要遠(yuǎn)小于這兩種算法，其穩(wěn)定性更好.

圖7 靜態(tài)節(jié)點(diǎn)定位誤差的CDFFig.7 CDF of static node localization errors

圖8 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)定位誤差的CDFFig.8 CDF of dynamic node localization errors

圖9 MDL、MFLA、LSLS算法船舶速度對(duì)定位誤差的影響Fig.9 Localization errors and speed by MDL, MFLA, LSLS Algorithm

在水下待定位節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位過(guò)程中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度是一個(gè)重要的影響因素.為了研究船舶速度變化的影響，將其速度變化范圍設(shè)置在2～20 m/s之間.在圖9中，MDL、MFLA和LSLS算法的節(jié)點(diǎn)定位誤差隨著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)速度的增加而逐漸減少.對(duì)于MDL算法來(lái)說(shuō)，在水下待定位節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程中，船舶和水下待定位節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，以及船舶速度增加，這兩個(gè)因素致使兩點(diǎn)之間通信距離增大，從而提高了三邊定位法的求解精度，進(jìn)而使節(jié)點(diǎn)定位誤差逐漸減小，圖中曲線整體趨勢(shì)由高到低.MFLA算法采用多跳傳輸?shù)姆椒?，信?biāo)節(jié)點(diǎn)和水下待定位節(jié)點(diǎn)之間的通信過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，由兩邊(同一側(cè)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一條邊)形成的角度變化很小，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)定位誤差變化幅度緩慢. LSLS算法不考慮信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，并且不能很好地通過(guò)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建錨節(jié)點(diǎn)組，因此在節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程中，定位誤差變化較大. MDL、MFLA和LSLS算法的平均節(jié)點(diǎn)定位誤差分別為4.174 5 m、5.108 3 m和7.020 m.與MFLA和LSLS算法相比，MDL算法的平均節(jié)點(diǎn)定位誤差分別減少了19%和40%.由此可以證明，在動(dòng)態(tài)的海洋環(huán)境中，MDL算法的定位精度要高于MFLA和LSLS算法.

從上述的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以明顯看出，MSL和MDL算法的定位誤差要小于MFLA和LSLS算法.MSL和MDL算法節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程，需要信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量?jī)H為一個(gè)，且無(wú)須其他輔助節(jié)點(diǎn).水下待定位節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)直接通信，避免了其他節(jié)點(diǎn)輔助通信定位帶來(lái)的誤差影響.但是，MFLA算法需要其他輔助節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)造多跳路徑.路徑長(zhǎng)度(相鄰路徑的長(zhǎng)度由三個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)組成的角度計(jì)算)誤差隨信標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)而變大.LSLS算法需要3個(gè)節(jié)點(diǎn)(包含金、銀和銅節(jié)點(diǎn))來(lái)形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)組.在本文相同的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量只有一個(gè)，無(wú)法自由形成節(jié)點(diǎn)組，這樣造成節(jié)點(diǎn)組組成部分受到限制，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)延增大.因此，MSL和MDL定位精度更高、穩(wěn)定性更好、實(shí)用性更強(qiáng).

3 結(jié)論

根據(jù)海洋物聯(lián)網(wǎng)的特性，提出了多信源海洋物聯(lián)網(wǎng)定位算法，包括多信源靜態(tài)定位算法MSL和多信源動(dòng)態(tài)定位算法MDL.該算法可以只利用有定位信息的艦船、航標(biāo)、建筑物作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行水下節(jié)點(diǎn)定位，而不需要其他錨節(jié)點(diǎn)等輔助節(jié)點(diǎn).通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，證明MSL算法和MDL算法是精確的定位算法，在海洋物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，具有很好的實(shí)用性.