一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法技术

本发明专利技术涉及一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法，考虑了节点实时移动以及水下通信的路径损耗和吸收效应，对节点位置和路径损耗因子进行联合估计；将原始非凸问题转化为非负约束最小二乘框架，基于内点法和块坐标更新法的两阶段寻找海洋节点位置最优解；第一阶段根据内点法使用惩罚函数对问题重新表述，求出近似解；第二阶段，将原问题转化为广义信赖域子问题，将内点法得到的近似解作为第二阶段的初始估计，通过结合一种块坐标更新法进行迭代求解，得到海洋节点位置和路径损耗因子的精确估计值。本发明专利技术解决了水声信号传播过程中因节点实时移动、路径损耗因子未知及水下信号传播的吸收效应导致定位误差较大的问题，实现了海洋目标节点的高精度高鲁棒定位。了海洋目标节点的高精度高鲁棒定位。了海洋目标节点的高精度高鲁棒定位。

【技术实现步骤摘要】
一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法


[0001]本专利技术涉及海洋无线传感网节点定位
，尤其是涉及一种海洋生态环境监测无线传感网节点高精度高鲁棒定位方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着海洋环境的不断恶化以及海洋资源的日益紧缺，为海洋环境的监测与管理带来了巨大挑战，对海洋环境的有效监测与管理也变得尤为重要。海洋环境监测无线传感网(Marine Environmental Monitoring Wireless Sensor Networks,MEM
‑
WSNs)，作为一种新兴的海洋监测技术，在海洋科学和资源管理领域具有广泛的应用前景。然而，实现对海洋环境的监测依赖于准确的节点坐标下采集的监测数据，定位数据的缺乏将使得采集的监测数据毫无意义。因此，获取精确的海洋节点位置信息是实现海洋环境监测的基础与保证。MEM
‑
WSNs包括在海面上部署的锚节点和水下部署的未知节点。其中，锚节点已知位置信息或可以通过自带的GPS/北斗定位模块等获取位置信息；然而，水下未知节点的位置信息需要间接获取，即与锚节点通过水声通信来交换接收信号强度指示值(Received Signal Strength Indication,RSSI)等数据信息以计算自身位置坐标。
[0003]MEM
‑
WSNs节点在水下主要依靠水声信道进行通信，具有独特的技术特点和难点：首先，水声信道衰减随声波频率指数上升，导致水声通信的带宽窄、通信速率低及传输距离短；其次，海洋环境中，信号传输不仅有衰减损耗，且存在吸收损耗，会给定位精度带来较大影响；此外，节点受力模式较为复杂，海洋中固有的动态特征，如旋涡、内波、跃层等，导致节点的运动模式具有极大地不确定性，即网络的拓扑结构具有高度动态性，从而使MEM
‑
WSNs节点实现精确定位较为困难。
[0004]中国专利申请CN113242512A公开了一种利用声线补偿的方法来纠正普通节点与锚节点之间的测距，引入遗传算法中的交叉思想，嵌入到粒子群算法中得到粒子和粒子群体的最优位置的节点定位方案；中国专利申请CN115038165A公开了一种根据声信号在水下的分层传播效应，构建基于斯涅尔定律和射线追踪定理的接收信号强度的测距模型的目标位置估计方法；专利申请CN104302001A公开了一种各个节点根据水流移动更新自身移动模式来预测节点未来的位置的方案。
[0005]针对MEM
‑
WSNs节点定位，现有定位方法均至少有以下一个不足：1)假设路径损耗因子已知。而在MEM
‑
WSNs应用中，路径损耗因子未知且随海洋环境动态变化而实时改变；2)未考虑所有节点均实时移动的场景；3)未考虑水下环境中信号传输的衰减损耗以及吸收效应。因此需要提出一种新的节点定位方法以实现海洋生态环境监测无线传感网节点的高精度高鲁棒定位。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了解决了水下环境高度动态以及声通信在水下的吸收效应导致的定位精度较低的问题，提供一种海洋监测无线传感网节点高精度高鲁棒定位方法。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法，所述方法步骤包括：
[0009]根据信号传播损耗及水下声传播吸收效应构建接收信号强度模型；
[0010]建立路径损耗因子和目标位置的联合估计优化函数；
[0011]利用惩罚函数重新表达优化函数，利用内点法寻找海洋节点位置坐标近似解；
[0012]将原始定位问题转化为广义信赖域子问题，将内点法找到的近似解作为广义信赖域子问题的初始估计值，结合块坐标更新法寻找最优解。
[0013]进一步的，所述建接收信号强度模型具体如下：
[0014]根据无线信号损失传播模型，节点i接收节点发送的信息的信号强度表示为：
[0015][0016]式中，表示在t时刻第i个锚节点接收到的目标节点的功率；表示目标节点在t时刻的发射功率；L(l0)表示参考距离为l0时的损耗值；β表示路径损耗因子；||
·
||表示二阶范数；n
i
表示第i个锚节点的信号衰减噪声；α
f
表示吸收系数；为第i个锚节点在t时刻的位置；x
t
为目标节点在t时刻的位置。
[0017]进一步的，所述路径损耗因子和目标位置的联合估计如下：
[0018][0019]其中，x
t
为目标节点在t时刻的位置；β为路径损耗因子；表示在时刻第i个锚节点接收到的目标节点的功率；点接收到的目标节点的功率；表示目标节点在t时刻的发射功率；L(l0)表示参考距离为l0时的损耗值；时的损耗值；为第i个锚节点在t时刻的位置；α
f
表示吸收系数。
[0020]进一步的，所述路径损耗因子和目标位置的联合估计函数优化表示为如下ANLS问题：
[0021][0022]其中，ψ＝[||x
t
||2，(x
t
)
T
，θ]T
；为第i个锚节点在t时刻的位置；x
t
为目标节点在t时刻的位置，β为路径损耗因子；为估计参数
[0023]进一步的，所述利用惩罚函数重新表达优化函数，利用内点法寻找近似解具体步骤包括：
[0024]根据内点法，引入惩罚函数对问题进行重新描述：
[0025][0026]其中，θ＞0是惩罚因子，随着迭代的进行θ逐渐减小到零，可行域为D＝{ψ
i
＞0，i＝1，2，
…
，k}；
[0027]使用牛顿迭代法求解KKT来寻找问题的最优解。
[0028]进一步的，所述使用牛顿迭代法求解KKT来寻找问题的最优解的具体步骤包括：
[0029]令z
k
＝(ψ
k
)
‑1，Z＝diag(z1，z2…
，z
k
)，则KKT条件表示为：
[0030]ψ
T
(A
T
Aψ
‑
A
T
B)
‑
z＝0，
[0031]γZE
‑
θE＝0
[0032]将KKT条件写成矩阵形式：
[0033][0034]根据构建线性系统：
[0035][0036]其中，和为牛顿迭代方向；
[0037]找到满足系统的初始点，分别沿着与进行线性搜索，找到新的迭代值；当所有条件的公差都成立时，得到最终的解ψ
*
。
[0038]进一步的，所述将原始定位问题转化为广义信赖域子问题，具体如下：
[0039][0040]s.t.(ψ)
T
Dψ+2f
T
ψ＝0
[0041]其中，和0表示单位矩阵和零矩阵；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法，其特征在于，所述方法步骤包括：根据信号传播损耗及水下声传播吸收效应构建接收信号强度模型；建立路径损耗因子和目标位置的联合估计优化函数；利用惩罚函数重新表达优化函数，利用内点法寻找海洋节点位置坐标近似解；将原始定位问题转化为广义信赖域子问题，将内点法找到的近似解作为广义信赖域子问题的初始估计值，结合块坐标更新法寻找最优解。2.根据权利要求1所述的一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法，其特征在于，所述建接收信号强度模型具体如下：根据无线信号损失传播模型，节点i接收节点发送的信息的信号强度表示为：式中，表示在t时刻第i个锚节点接收到的目标节点的功率；表示目标节点在t时刻的发射功率；L(l0)表示参考距离l0时的损耗值；β表示路径损耗因子；||
·
||表示二阶范数；n
i
表示第i个锚节点的信号衰减噪声；α
f
表示吸收系数；为第i个锚节点在t时刻的位置；x
t
为目标节点在t时刻的位置。3.根据权利要求1所述的一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法，其特征在于，所述路径损耗因子和目标位置的联合估计如下：其中，x
t
为目标节点在t时刻的位置；β为路径损耗因子；表示在t时刻第i个锚节点接收到的目标节点的功率；L(l0)表示参考距离为l0时的损耗值；时的损耗值；为第i个锚节点在t时刻的位置；α
f
表示吸收系数。4.根据权利要求3所述的一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法，其特征在于，所述路径损耗因子和目标位置的联合估计函数优化表示为如下ANLS问题：其中，其中，其中，为第i个锚节点在t时刻的位置；x
t
为目标节点在t时刻的位置，β为路径损耗因子；为估计参数5.根据权利要求4所述的一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法，其特征在于，所述利用惩罚函数重新表达优化函数，利用内点法寻找近似解具体步骤包括：
根据内点法，引入惩罚函数对问题进行重新描述：其中，θ＞0是惩罚因子，随着迭代的进行θ逐渐减小到零，可行域为D＝{ψ
i
＞0，i＝1，2，
…
，k}；使用牛顿迭代法求解KKT来寻找问题的最优解。6.根据权利要求5所述的一种海洋生态环境监测无线传感网节点定位方法，其特征在于，所述使用牛顿迭代法求解KKT来寻找问题的最优解的具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲜江峰，马俊领，吴华锋，杨勇生，梅骁峻，陈信强，李朝锋，张倩楠，梁立年，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：