基于無線傳感網節點定位的海上立體搜救

劉 玲 張亦禎

(上海海事大學 商船學院，中國 上海 201306)

0 前言

隨著國內外貿易的不斷拓展，海上交通運輸逐漸增多和水上旅游業日漸繁榮，我國海上運輸船舶數量及從事水上工作的人員迅速增長，而海難事故也時常發生，遇難人數居高不下，海上搜救日益繁重。在整個救援中，救援的成功率和救援效率是衡量海上救援的一個重要指標，因此，在一定時間范圍內提高搜救成功率是重要且有其現實意義。現階段已經有比較多的技術和設備應用于海上搜救，比如搜救雷達應答器、GMDSS 系統設備等等，這些設備的使用在一定程度上提高了落水人員被搜救成功的概率。然而這些設施和相關技術只能提供我們海事發生的地點，搜救工作在其附近區域展開。而落水人員、救生筏等物體是時刻移動的，如果移動的物體能主動的將物理位置等信息傳送給搜救方，那么搜救方就可以進行更加明確的目標搜救，這樣就可以縮短搜尋時間，提高搜救效率和成功率。而將無線傳感器應用于海上搜救就可以實現落水人員、救生筏等移動物體自主向搜救小組報告自身位置等相關信息的目的。

無線傳感器網絡[1]（Wireless Sensor Network,WSN）是由部署在監測區域內大量的低成本、低功耗的微型傳感器節點組成，這些傳感器節點具有感知能力、計算能力和通信能力，它們通過無線通信方式形成一個多跳的Ad-Hoc 系統；其目的是感知、采集和處理覆蓋區域內被監測的對象，并將檢測數據和分析結果發送給終端管理節點[2]。將傳感器節點分別安裝于救生衣、救生筏、救援直升機、搜救船舶等物體上，在海難發生后，節點自動啟動工作實現自主報告自身位置等信息的目的。

本文充分考慮無線傳感器定位要求和搜救直升機等的特點，提出了基于無線傳感網節點定位的海上立體搜救。由直升機搭載錨節點充當移動錨節點利用最小二乘法實現未知節點的定位,達到落水人員等落水物體主動示位、提高搜救成功率的目的。

本文其它各部分按如下方式組織：第1 節介紹了相關研究工作：第2 節介紹了海上例題搜救中的節點定位；第3 節利用仿真實驗對本文提出的方法進行評估；第4 節是結論。

1 相關工作

傳感器網絡中各節點采集的數據只有結合其位置信息才有意義，且傳感器網絡的覆蓋、布局和目標跟蹤等操作都依賴于節點的有效定位[3]，因此無線傳感器網絡節點的定位至關重要。無線傳感網中有錨節點和未知節點兩種，錨節點是指能夠通過自身攜帶的GPS 或其它設備獲得自己當前位置信息的節點；未知節點是指不能夠自主獲得自己地理坐標信息需要通過定位算法獲得位置信息的節點。

在基于移動錨節點的定位中，根據錨節點移動路徑的動態性可以兩類：靜態路徑和動態路徑。文獻[4,5]等提出了移動錨節點按照靜態路徑(即確定的軌跡)移動。文獻[6]提出了基于位置邊界線的無線傳感器網絡節點定位方法，其主要思想是通過未知節點能否接收到移動錨節點廣播的信息來確定一組或多組其估算區域的邊界線，當獲得足夠多的位置邊界線后，通過邊界線所圍圖形的質心作為未知節點的估計位置。該算法中的錨節點有2 種移動方式：直線和隨機移動，即Gauss—Markov 運動模型。該方法可以實現未知節點的定位，錨節點需要與未知節點較頻繁地進行通信來確定邊界線，這可能會造成局部節點的能量消耗過快，且定位周期會比較長，不適用于大型網絡中節點的定位。文獻[7,8]等提出了錨節點的動態路徑算法。同時，由于傳感器應用環境的不同，節點定位又分為2D 和3D 定位。而3D 定位更適合應用于對高度有更多要求的實際環境中。

2 海上立體搜救中的節點定位

2.1 無線傳感網節點的部署

在海上搜救過程中，無線傳感器網絡節點的部署通常由兩部分組成：1）節點被預先安放于船舶、救生衣、救生筏、救援船舶、救援直升機等救援設備上。這部分節點的位置信息在一定程度上就代表等待救援的落水人員或者物品的位置信息，是搜救中需要特別關注的節點。2）在救援過程中為保障這些節點自組織成網絡實現節點之間的相互通信，救援直升機或者船舶可以根據救援需要隨時拋灑節點于ROI。在節點部署過程中，考慮一下因素：(1)節點成本，救援中傳感器節點需要量較大，因此高成本的錨節點數量不宜過多。(2)節點能耗，未知節點能量有限，我們利用移動錨節點可以均衡整個無線傳感網的能耗，降低網絡因個別節點無能量而癱瘓的概率。因此，無線傳感器節點的合理部署及定位都很重要。節點間通信信息包括如下內容：ID、定位次數、地理信息坐標、鄰居節點數、生命體征、RSSI 信號強度等。

在海上搜救中，直升機具有很強的靈活性、快速反應能力。由直升機搭載傳感器節點實現錨節點的移動，這樣來均衡整個無線傳感器網絡能耗、適應海上搜救中的各種惡劣天氣。在3D 定位算法中，要獲得未知節點的位置信息，要求一個未知節點接收至少來自3 個錨節點的位置信息并且至少有一個錨節點與未知節點不在同一平面。為此，設定三個錨節點同時安放在直升機上，并且搭載在直升機上的錨節點呈正三角形分布與地面平行，這樣未知節點實現定位的概率就大幅度提高。

海難事故發生之后，落水人員或者其它物體會在風、流等的作用下移動，因此隨著時間的推移搜索區域再逐漸增大。然而，這些物體落水之后具有相同或者相似的運動過程，物體間的相對位置或者所在區域相對較近，因此，我們采用擴展方形搜尋方式如圖2(a)所示。這種搜尋方式對物體所在區域較近時是一種很有效的搜尋方式。搜救中，在同一區域內，直升機至少執行兩次搜尋任務，當直升機完成第一次搜尋后，它可以根據實際情況進行二次搜索，圖2(b)所示的路線為第二次搜索直升機路徑，這樣在第一次搜索中沒有完成定位的節點會有機會在第二次搜索中實現定位。而直升機的搜索路線即為移動錨節點的移動路徑。

圖1

2.2 定位算法

2.2.1 RSSI 測距模型

其中，d 是接收信息節點與發射信息節點間的距離，d0是參考距離，PL（d）相距距離d 時接收到的信號強度，PL（d0）是相距參考距離時d0接收到的信號強度Xσ是平均值為0 的高斯分布隨機變數，其范圍是4～10，n 為衰減因子，取值范圍是2～5。

2.2.2 定位算法

圖2 基于無線傳感網的海上搜救的模型

基于無線傳感網的海上搜救模型可以用圖2 表示，A、B、C 為直升機上同一平面的三個信標，未知節點U 處于海面上。

首先，錨節點廣播自身的位置信息，未知節點接收到后保存信息，通過RSSI 信號強度計算得到與錨節點間的實際距離。

其次，計算得到未知節點U（xi，yi，zi）與移動錨節點A、B、C 間的距離，根據歐氏空間中兩點間的距離公式得到式(3):

其中dia，dib，dic分別表示未知節點和三個錨節點A、B、C 的距離，可以通過式子(1)計算出；各個節點的坐標表示與圖2 一致。上式可變形為：

式(4)的線性方程可以表示為AX＝b，其中，

通過解上面的式子，可以得出未知節點U（xi，yi，zi）的坐標為：X=（ATA）-1ATb。

在定位過程中，我們根據節點信息中生命指數來控制節點定位次數，以減少節點間的通信、節約定位計算過程中的能量消耗：如果判斷生命指數非零，那么我們在搜索過程中要完成此類節點的定位或多次（n≤5）定位，甚至直升機可以輕微調整飛行路徑；若是生命指數為零，那么節點定位次數可以只實現一次或者多次（n≤3）。

3 仿真及分析

本文用MATLAB 7.10 平臺進行計算機仿真。仿真參數設置如下：在一個1000m×1000m×300m 的空間內隨機的分布著200 個未知節點，10-20 個錨節點。通過仿真分析比較本文定位算法與傳統3D 定位算法及文獻[11]一種新的3D 定位算法的比較,從定位誤差及定位時間兩方面進行比較。

圖3 RSSI 測距誤差與定位誤差

從圖3 可以看出RSSI 測距誤差與節點定位誤差之間的關系。隨著測距誤差的增大，定位誤差也在增大。但是在相同的測距誤差之下，本文算法的定位精度要更高，這是因為該定位算法的實時性更強。

圖4 定位誤差與搜尋時間

從圖4 中可以看出，隨著搜尋時間的增加，節點的定位誤差也在增加。搜尋時間長是由于節點無法達到實現定位的條件，同時由于節點的動態性，隨著時間的推移測距誤差也會逐漸增大，從而導致定位精度的降低。而本文定位算法受時間影響較小，說明它的實時性更強。

4 結論

本文提出了基于無線傳感網節點定位的海上立體搜救，一種應用于海上搜救直升機搭載無線傳感網節點的定位算法，通過對落水物攜帶的節點的定位來達到搜救落水人員等的目的，該應用可以改變過去落水物在水中只能等待救援的被動局面，實現它們可以主動向救援隊伍發送自己的位置信息的目的。同時，這種應用可以實現節點的多次定位，這樣節點的位置信息的實時性會更強，也可以提高救援效率和救援的成功率。然而，網絡中節點間距離的測量誤差是定位誤差的主要來源，測距誤差的修正是我們下一步工作的重點。

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