聲基陣網絡節點被動式時間同步與定位方法

邱揚剛,張 亞,李世中

(中北大學機電工程學院,山西太原 030051)

0 引言

國外對傳感器無線組網的研究起步較早,其巨大的軍事應用價值得到世界上許多國家的極大關注[1]。其中被動聲傳感器網絡的優點使其在戰術防空中可用于復雜地形地區的低空預警和雷達補盲。單個的被動聲基陣探測范圍小,對動目標的探測和預警能力有限,信息很難共享,而被動聲傳感器基陣網絡的信息化能力和感知探測能力則有質的提高,具有可快速部署、可自組織、覆蓋區域大、隱蔽性強和高容錯性等優點,因此極具應用前景。而其研究難點之一就在于聲傳感器區域無線組網技術。

在無線組網技術中,目前已有的基于距離的節點定位方法主要為基于時間到達的TOA定位、基于到達時間差的 TDOA定位、基于到達角度的AOA定位和基于接收信號強度指示的RSSI定位[2]。TOA定位和TDOA定位要求精確的時間同步,利用距離信息和相應算法完成節點定位,對硬件的要求較高,成本高;AOA定位以TOA定位為基礎,利用天線陣列感知方位角,通過三角測量法完成節點定位[3],該技術復雜、通信量大、能耗高;RSSI定位則不適用于復雜開闊的外部環境。針對以上節點定位方法的缺點和不足,本文提出被動式時間同步機制與網絡節點的被動聲基陣定位方法。

1 網絡節點模型

聲學定位模型設計是被動聲定位的關鍵技術之一。五元空間被動聲探測基陣的優點是定距精度高、定向精度與方位角無關、俯仰角對定距精度的影響較小,應用于動目標的被動聲探測和節點定位較為理想[4]。

被動聲基陣無線網絡的節點定位機制中,節點的定位部分由揚聲器、五元聲傳感器基陣、處理器模塊和無線通信模塊組成,如圖1所示。

圖1 五元空間被動聲探測基陣網絡節點定位圖示Fig.1 The five-element space detection array network node localization model

五元空間被動聲探測基陣網絡包含任務節點、信標節點以及管理終端,大量的聲基陣節點隨機部署在監測區域內,通過自組方式構成網絡。任務節點檢測的數據經處理模塊處理后沿路由路徑節點逐跳地進行傳輸,經多跳后路由到信標節點,最后通過管理終端傳輸給用戶。每個任務節點兼有傳統網絡節點和路由器雙重功能,除進行監測區域的信息收集和處理外,還要對其他節點轉發來的數據進行處理和轉發。信標節點是一個具有增強功能的傳感器節點,有足夠的能量供應、較大的內存和較強的計算能力,能獨立完成自身的定位和授時,它的通信能力、存儲能力、處理能力都要較任務節點強,它擔負其他任務節點的位置定位、授時,它連接著一定數量的任務節點和管理終端,實現兩種協議棧之間的通信協議轉換,同時將收集的數據轉發到管理終端。

2 網絡節點被動聲基陣定位

節點定位過程中不僅包括地理位置信息,還包括至關重要的時間信息[5]。在被動式時間同步機制下,利用本地時鐘的時延值或時間差,節點的五元被動聲基陣即可完成節點自身定位。

2.1 被動式時間同步機制

時間同步對網絡的信息傳輸和交換具有重要意義。在傳統網絡中節點的定位離不開時間同步,因此提出了多種時間同步機制。NTP協議已廣泛應用于互聯網,具有易擴展、精度高的優點,但它依賴于有線的傳輸網絡不適于無線傳感器網絡;無線廣播報時系統在聲傳感器基陣網絡中很難得到相應基礎設施的支持,而且易受干擾破壞;GPS能為網絡系統提供納秒級精度的標準時間,也適于在地形復雜開闊的地域使用,但是需要較高成本的接收機,無法每個節點都配備,只能為少數的信標節點使用。而且我國沒有GPS的主控權,使用的是降低精度的粗碼,戰時更是不可依賴。我國的北斗二代衛星導航定位系統投入使用后,我們可以得到精度更高和完全控制權的定位、授時服務,完全可以為關鍵節點定位授時。

無線傳感器領域的三種基本時間同步機制RBS、TPSN 和 TINY/MINI-SYNC,適用于不同的傳感器網絡。RBS機制適合多跳網絡,它用去除發送時間和訪問時間的方法來提高時間同步精度。但在實際傳感器網絡中,需要多個簇之間有共同點進行比對,才能實現時間同步,這依賴于有效的分簇方法,需要交換多個同步消息,消耗較多的網絡能量,并且隨條數的增多而誤差增大。TPSN時間同步協議能提供比RBS機制更高的同步精度,但其同步信息交換頻繁,協議開銷大,而且一旦根節點失效則整個網絡將喪失時間同步信息。TINY/MINI-SYNC同步算法的前提是時鐘頻偏和相偏固定不變,這在實際網絡中難以實現,較低成本的晶振很難保證其長時間的穩定,這個問題同樣存在于以上兩種機制之中,這就需要信標節點按一定的周期發送同步信息對時,這樣既耗費寶貴的能量又占用通信通道,會對突如其來的目標信息的轉發造成阻塞。

聲基陣傳感器網絡的主探測器是五元空間聲傳感器基陣,在定位過程中需要本地時鐘的時延值或時間差,而不必與信標節點嚴格地時間同步,該網絡的時間原理如圖2所示,每一個節點都有標識ID和本地時鐘,節點的本地時鐘無需與信標節點同步。信標節點通過GPS或北斗衛星定位系統獲得精確的定位和授時,以此為網絡的標準時間。圖中目標事件發生未知時刻為T,T為信標節點接收到單跳任務節點發送的目標信息的時刻,Tn為信標節點接收到n跳任務節點發送的目標信息的時刻;t1為任務節點完成對聲目標的探測、數據處理,并將數據發送給信標節點所需的時間,即任務時間延遲t1=ta+tb,其中ta為目標的聲信號發出到達探測基陣所需的時間,由計算得到;tb為完成信號處理、數據發送所需的時間,由節點本地時鐘測得;故t1可實際測得。t2～tn為n跳內每個路由節點完成數據處理、轉發所需時間,由每個路由節點的本地時鐘測得,因此在目標探測、數據處理和轉發每個過程所耗費的時間均可測得。這樣信標節點通過已知時刻對已知時間延遲相減,其結果為目標事件發生的時刻,即:

在節點定位不需時間同步的情況下,依據聲傳感器基陣網絡的實際,使用無需嚴格同步的時間方式,稱之為被動式時間同步方式。

圖2 五元空間被動聲探測基陣網絡時間機制原理圖Fig.2 The network time mechanism principles of the five-element space detection array

2.2 節點被動聲基陣定位

在聲傳感器網絡中,目標事件發生的位置和獲取信息的節點位置是聲傳感器節點所監測信息中至關重要的信息,沒有位置信息就無法獲得目標的方位、高度、速度、航向等信息。聲傳感器節點隨機布放在監測區域內以信標節點為中心進行有效地分簇,隨機布放的聲傳感器節點除信標節點外無法知道自身位置,聲傳感器節點在布放后要能夠完成自身定位,節點根據離自己最近的信標節點的位置,利用自身攜帶的聲基陣傳感器按被動聲定位的方式和算法確定自身的位置。

聲基陣節點的定位原理如圖3所示,該基陣共有5個傳感器,S0、S1、S2、S3和 S4分別在 x軸和 z軸、y軸和z軸構成的坐標平面內,距坐標軸的距離為l,以S0為原點建立直角坐標系。假設節點A(x,y),節點到原點的距離為r,聲波以球面波進行傳播,以地北為基準逆時針方向方位角為φ,τi(i=1,2,3,4)為節點的聲信號到達傳感器Si和S0的時間差。ri(i=1,2,3,4)為節點的聲信號到達Si和S0的距離差,c為聲速。則有:

圖3 五元空間探測基陣節點定位原理圖Fig.3 The node localization principles of the five-element space detection array

根據直角坐標系中兩點間的距離公式可得節點A的位置極坐標(φ,r)的表達式為:

上述方程即為五元空間被動聲探測基陣網絡節點位置的定位方程。該五元空間基陣布陣有較好的定向精度和定距精度,方位角的誤差與方位角和距離無關,在水平方向俯仰角對方位角和距離的影響較小。

被動聲基陣網絡中,信標節點在網絡中所占的比例很小,配置較高。由北斗導航定位系統或GPS系統提供定位和授時,其他未知任務節點的參考坐標由信標節點通過無線通信方式發布自己的位置坐標(x,y),單跳距離的未知任務節點接收。信標節點的揚聲器發出聲信號,離信標節點單跳距離的未知任務節點利用五元聲傳感器基陣模塊接收聲信號,經處理后由定位公式(3)計算出信標節點相對自己的距離r和方位角φ,由兩點換算公式(4)換算成自己的位置坐標:

在完成定位的同時,每個節點都會記錄下自己的跳數,將得到的跳數信息和位置信息通過無線模塊反饋給信標節點,最終傳遞給管理終端處理。單跳一級的節點按方位角 φ由小到大的優先級順序,按上述方式對多跳未知節點進行定位。

3 節點定位誤差分析

從定位公式來看,影響位置精度的因素有聲速、時延估計、聲陣尺寸和陣型的幾何形狀,為驗證五元空間陣對節點的定位性能,下面對節點誤差進行分析仿真,基于三個前提假設:

1)網絡中節點處于同一水平面(在其他俯仰角情況下仍可利用聲基陣測得,這里設節點處于水平面);

2)設節點距離的變化范圍為0＜r≤200 m,有效聲速為334 m/s(探測單元利用其他傳感器探測風速、溫度、濕度等值加以修正);

3)各聲傳感器時延估計的標準偏差相同,即:

3.1 方位角誤差分析

在俯仰角θ=90°方位角估計的誤差為:

節點定位的方位角精度與時延估計誤差、聲陣尺寸有關,與方位角和距離無關。方位角誤差的仿真結果如圖4所示。圖 4為俯仰角 θ=90°時,方位角誤差隨時延估計誤差和聲陣尺寸變化的曲面圖。

圖4 方位角誤差與聲陣尺寸、時延估計誤差關系圖Fig.4 Azimuth error vs array size and time delay error diagram

從圖4可以看出:時延估計誤差取不同值時,方位角誤差隨聲陣尺寸變化的曲線。當στ≤10μs,l≥0.2 m時 ,方位角誤差σφ＜0.8°。當 στ≤5μs,時,方位角誤差 σφ＜0.4°。

3.2 距離相對誤差分析

在俯仰角θ=90°時,距離相對誤差為:

距離相對估計誤差與時延估計誤差、陣列尺寸和節點間實際距離有關,與方位角無關。圖5是俯仰角θ=90°時,距離相對誤差隨時延估計誤差和聲陣尺寸變化的曲面圖。圖中可以看出增大聲陣尺寸和減小時延估計誤差可以減小距離相對誤差。當στ≤5μs,l≥0.2 m時,距離相對誤差小于10%,當l≥0.5 m時,相對誤差小于1.5%。

圖5 距離相對誤差與聲陣尺寸、時延估計誤差關系圖Fig.5 Range relative error vs array size and time delay error diagram

圖6 是當στ=5μs,l=0.5 m時,距離相對誤差與距離的關系圖。

圖6 距離相對誤差與距離關系圖Fig.6 Range relative error vs range diagram

由圖6可知,當要求距離相對誤差為0.82%,即距離誤差為1 m時,對應的節點距離為122 m。當r=200 m時,距離相對誤差小于1.4%。而在500 m時的距離相對誤差則約為3.5%。可見,在一定的時延估計誤差和陣列尺寸下,聲陣的測距精度隨著目標距離的增大而下降,隨距離的增加誤差增大。

4 結論

本文提出了被動式時間同步機制下的網絡節點被動聲基陣定位方法,該方法在被動式時間同步機制下,利用本地時鐘的時延值或時間差,節點的五元被動聲基陣即可完成節點自身定位,其對硬件要求低,通信量小,節省能量開銷。誤差分析表明節點在有效的定位距離內精度較高,為網絡路由協議、通信協議和數據融合處理提供研究依據。

[1]宋海濤,何明一,段渭軍,等.基于無線傳感器網絡的聲目標識別算法研究[J].電子測量技術,2007,30(12):63-69.SONG Haitao,HE Mingyi,DUAN Weijun,et al.Arithmetic research of acoustic objectives identification in WSN[J].Electronic Measurement Technology,2007,30(12):63-69.

[2]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.

[3]Dragos,Niculescu,Badri Nath.Ad Hoc Positioning System(APS)Using AOA[D].DATAMAN Lab Rutgers University,2003.

[4]邱揚剛,張亞,李世中.五元空間陣聲被動定位算法及性能研究[J].四川兵工學報,2010,31(2):122-125.QIU Yanggang,ZHANG Ya,LI Shizhong.Acoustic passive localization algorithm based on a five-element spacial matrix and its performance aanalysis[J].Sichuan Ordnance Journal,2010,31(2):122-125.

[5]聶偉榮.多傳感器探測與控制網絡技術——地面運動目標震動信號探測與識別[D].南京:南京理工大學,2001.