第３０卷第４期

２０１１年８月

声学技术

ＴｅｃｈｎｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓ

Ｖ０１．３０，ＮＯ．４

Ａｕｇ．，２０１１

水下网络移动节点分布式定位算法

李昊，张歆，张小蓟

（西北工业大学航海学院，西安７１００７２）

摘要：随着水下网络系统的发展，水下移动节点的分布式定位技术的研究受到关注。提出了一种自组织、可容忍节

点失效与测距误差、计算量和通信开销小的分布式水下节点定位算法，该算法利用自适应加权、循环三角组合测量

法提高定位精度。对基于ＴＯＡ测距的循环三角组合算法的定位精度进行了仿真，分析参考节点数对平均定位误差的

影响，并与三边测量法的定位精度进行了比较。仿真结果表明，该算法具有较高的定位精度，对节点失效和测距误

差的鲁棒性高，并且降低了水下网络对参考节点的密度要求。

关键词：水下网络；移动节点定位；分布式定位算法：三角法

中图法分类号：Ｐ７５６文献标识码：Ａ

文章编号：１０００．３６３０（２０１１１．０４．０３１６．０５

ＤＯＩ编码：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、长基线定位等，具有定位精度高、但成

０引言

水下通信网络的概念起源于美国海军Ｓｅａｗｅｂ

项目，经过近１０年的研制和反复试验，Ｓｅａｗｅｂ己

由概念逐渐演变成一个水下无线自组织网络ｕ－。一

般来说，水下通信网络通常由海底传感器、水下无

人航行器（ｔａＷ）等固定或移动的节点与海面通

过水声通信链接而成，在海洋数据收集、辅助导航、

本高、系统构成复杂、费用昂贵、海底声基阵需要

校准测量等特点；而短基线定位系统，虽然系统简

单，定位精度较高，但跟踪范围较小，基阵也需严

格校准。对于那些包括大量分布式传感器节点、大

范围移动节点的水下通信网络，这些定位技术的应

用会受到限制。因此，分布式定位系统因具有自组

织性，通信开销小，融合结果的实时性强，并且具

有局部独立跟踪的能力等优点，成为目前研究的一

个热点。

同时，由于水下环境较为复杂，对定位算法也

有较高的要求。目前常用的定位算法，如三边测量

法口Ｊ１，计算简单，但定位误差受参考节点位置的影

响较大且至少需要三个参考节点；质心定位法计算

量小，无需测距但定位精度一般，需要较高的参考

节点密度。因此，需要对具有自组织性的、可容忍

节点失效和测距误差、只需较少的计算量的定位算

法进行研究。

协同作战等水下领域具有广泛的应用前景。

在水下通信网络的应用中，网络节点的位置是

网络系统需要了解的重要信息。因此，节点定位，

特别是移动节点的定位技术是水下通信网络研究

中的主要内容之一。目前常用的定位技术，如水下

收稿日期：２０１０．０７．１３；修回日期：２０１０－１０，１９

作者简介：李吴（１９８５，），男。陕西延安人，硕士研究生。研究方向为水

声信号处理。

通讯作者：李昊．Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｈｋｙ６＠１６３．ｃｏｉｌｌ

万方数据