基于信号幅度衰减测距的水下定位方法

摘要：无线传感器网络中节点规模大、能量有限、可靠性差、随机部署，无线模块的通信距离有限，虽然运用全球定位系统是个很好的选择，但是其体积大、成本高、能耗多而且需要基础设施，不适用于低成本、自组织的无线传感器网络。通过研究发现，基于信号幅度衰减测距的水下定位方法不仅能够满足无线传感器网络节点定位的要求，而且其成本较低，易理解及操作，精度高。
关键词：无线传感器；信号；衰减测距；水下定位

0 引言
节点定位在无线传感器网络的应用中非常重要，传感器节点所采集到的数据必须结合其位置信息才有意义，节点的定位还可以在外部目标的定位和追踪以及提高路由效率等方面发挥作用。节点定位在整个传感器网络中占有重要的地位，在事件观测、目标跟踪、网络构建等方面都是不可缺少的环节。无线传感器网络的定位问题可分为两类，一类是无线传感器网络对自身传感器节点的定位，另一类是无线传感器网络对外部目标的定位，如目标跟踪问题。本文主要讨论节点自定位技术。
传感器节点通常随机部署，以自组织的方式相互协调工作，定位必须在部署后完成。全球定位系统是目前应用最广泛的定位系统，但是其体积大、成本高、能耗多和需要基础设施，不适用于低成本、自组织的无线传感器网络，或者只有少数节点配备来确定自身位置，作为其他节点定位的参考。在无线传感器网络中节点规模大、能量有限、可靠性差、随机部署、无线模块的通信距离有限，这通常要求定位机制具备自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等特点。
在基于以上要求的前提下，基于信号幅度衰减测距的定位方法能够很好地满足上面的要求。由于网络模型是在水下环境中，定位问题还应该考虑到水下通信的特殊性和环境带来的影响，一些适用在陆上无线传感器网络的定位方法不在适用于水下环境，同时为减少开销尽可能少地使用具有GPS功能的节点。

1 基于信号幅度衰减测距的水下定位方法
在无线传感器网络中，常用的测量节点间距离或角度技术有RSSI，AOA，TOA及TDOA。在此基础上，根据信号幅度的衰减随着传播距离和信号频率的不同而变化，推导出了距离与频率和幅度衰减等参数的公式。
1．1 水声传播的损失计算
根据水声原理，可以得到水声传播损失的公式如下：
(1)对于浅海表面声道：

(2)对于深海声道：
传播损失公式如下：

1．2 基于信号幅度衰减的测距定位方法
以浅海远距离声道为例描述定位方法，如图1所示。

图中：Us为发送端电信号；换能器的电声效率有其频率响应曲线；k，t为比例系数；Ps为发送端换能器将电信号转换为的声波信号的幅度，即声压；声波经传输后有传播损失，即声压级的降低；Pr为衰减后接收端处声波信号的幅度；换能器的灵敏度Mu=u／p，u为换能器接收的输出电压，p为声波信号的声压，当然，灵敏度也有其频率响应曲线；Ur为声波经接收端换能器转换后的电信号幅度。