第３０卷第４期

２０１１年８月

聲學(xué)技術(shù)

ＴｅｃｈｎｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓ

Ｖ０１．３０，ＮＯ．４

Ａｕｇ．，２０１１

水下網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分布式定位算法

李昊，張歆，張小薊

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安７１００７２）

摘要：隨著水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分布式定位技術(shù)的研究受到關(guān)注。提出了一種自組織、可容忍節(jié)

點(diǎn)失效與測(cè)距誤差、計(jì)算量和通信開(kāi)銷小的分布式水下節(jié)點(diǎn)定位算法，該算法利用自適應(yīng)加權(quán)、循環(huán)三角組合測(cè)量

法提高定位精度。對(duì)基于ＴＯＡ測(cè)距的循環(huán)三角組合算法的定位精度進(jìn)行了仿真，分析參考節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)平均定位誤差的

影響，并與三邊測(cè)量法的定位精度進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明，該算法具有較高的定位精度，對(duì)節(jié)點(diǎn)失效和測(cè)距誤

差的魯棒性高，并且降低了水下網(wǎng)絡(luò)對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的密度要求。

關(guān)鍵詞：水下網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位；分布式定位算法：三角法

中圖法分類號(hào)：Ｐ７５６文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ

文章編號(hào)：１０００．３６３０（２０１１１．０４．０３１６．０５

ＤＯＩ編碼：１０．３９６９，ｊ．ｉｓｓｎｌ０００?３６３０．２０１１．０４．００４

ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｌｏｃａｔｉＯｎ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍ

ｏｆｍｏｖａｂｌｅｎｏｄｅｓ

ｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｓ

ＬＩＨａｏ，ＺＨＡＮＧＸｉｎ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏ－ｊｉ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｒｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｔ＂ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ

ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

ｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋ

ｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｅ

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｌｏｃａｔｉｏｎ

ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ

ｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｍｏｖ－

ａｂｌｅｎｏｄｅｓ

ｒｅｃｅｉｖｅ

ｍｕｃｈ

ｃｏｎｃｅｒｎ．Ａ

ｌｏｃａｔｉｏｎ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍ

ｆｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｍｏｖａｂｌｅ

ｎｏｄｅｓ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙ

ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，ｔｏｌｅｒａｂｌｅ

ｎｏｄｅｆａｉｌｕｒｅｓａｎｄｔｈｅ

ｒａｎｇｅ

ｏｆ

ｅｒｒｏｒ，ｌｏｗｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ

ａｎｄｌｏｗｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｂｕｒｄｅｎ，ｉｓ

ｐｒｏｐｏｓｅｄ

ｉｎ

ｔｈｉｓ

ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｕｔｉｌｉｚｅｓ

ａｄａｐｔｉｖｅｗｅｉｇｈｔｉｎｇ，ａｎｄｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ

ｍｅｔｈｏｄｔｏ

ｉｍｐｒｏｖｅ

ｔｈｅ

ｌｏｃａｔｉｏｎｐａｐｅｒ

ｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｉｓ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍ

ｂａｓｅｄｏｎＴＯＡ

ｒａｎｇｉｎｇ

ｍｅ—ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅ

ｔｈｏｄ，ａｎａｌｙｚｅｓ

ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ

ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｎｏｄｅｓｏｎｌｏｃａｔｉｏｎ

ｅｒｒｏｒ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｓ

ｗｉｔｈｔｒｉｌａｔｅｒａｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｏｎ

ｔｏａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｉｔｓａｃｃｕｒａｃｙａｎｄ

ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｗｉｔｈ

ｒｅｓｐｅｃｔ

ｆａｉｌｕｒｅｓ，ａｎｄ

ｌｏｗ

ｄｅｎｓｉｔｙ

ｏｆ

ｒａｎｇｅ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒａｎｄｎｏｄｅ

ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｎｏｄｅ．

ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ

ｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｔｒｉｇｏｎｏｍｅｔｒｙＫｅｙ

ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｍｏｖａｂｌｅｎｏｄｅ

ＧＰＳ定位、長(zhǎng)基線定位等，具有定位精度高、但成

０引言

水下通信網(wǎng)絡(luò)的概念起源于美國(guó)海軍Ｓｅａｗｅｂ

項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)近１０年的研制和反復(fù)試驗(yàn)，Ｓｅａｗｅｂ己

由概念逐漸演變成一個(gè)水下無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)ｕ－。一

般來(lái)說(shuō)，水下通信網(wǎng)絡(luò)通常由海底傳感器、水下無(wú)

人航行器（ｔａＷ）等固定或移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)與海面通

過(guò)水聲通信鏈接而成，在海洋數(shù)據(jù)收集、輔助導(dǎo)航、

本高、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、費(fèi)用昂貴、海底聲基陣需要

校準(zhǔn)測(cè)量等特點(diǎn)；而短基線定位系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)簡(jiǎn)

單，定位精度較高，但跟蹤范圍較小，基陣也需嚴(yán)

格校準(zhǔn)。對(duì)于那些包括大量分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、大

范圍移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的水下通信網(wǎng)絡(luò)，這些定位技術(shù)的應(yīng)

用會(huì)受到限制。因此，分布式定位系統(tǒng)因具有自組

織性，通信開(kāi)銷小，融合結(jié)果的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且具

有局部獨(dú)立跟蹤的能力等優(yōu)點(diǎn)，成為目前研究的一

個(gè)熱點(diǎn)。

同時(shí)，由于水下環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)定位算法也

有較高的要求。目前常用的定位算法，如三邊測(cè)量

法口Ｊ１，計(jì)算簡(jiǎn)單，但定位誤差受參考節(jié)點(diǎn)位置的影

響較大且至少需要三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)；質(zhì)心定位法計(jì)算

量小，無(wú)需測(cè)距但定位精度一般，需要較高的參考

節(jié)點(diǎn)密度。因此，需要對(duì)具有自組織性的、可容忍

節(jié)點(diǎn)失效和測(cè)距誤差、只需較少的計(jì)算量的定位算

法進(jìn)行研究。

協(xié)同作戰(zhàn)等水下領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在水下通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置是

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要了解的重要信息。因此，節(jié)點(diǎn)定位，

特別是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)是水下通信網(wǎng)絡(luò)研究

中的主要內(nèi)容之一。目前常用的定位技術(shù)，如水下

收稿日期：２０１０．０７．１３；修回日期：２０１０－１０，１９

作者簡(jiǎn)介：李吳（１９８５，），男。陜西延安人，碩士研究生。研究方向?yàn)樗?/p>

聲信號(hào)處理。

通訊作者：李昊．Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｈｋｙ６＠１６３．ｃｏｉｌｌ

萬(wàn)方數(shù)據(jù)