基于无线传感网的海洋监测节点定位算法

摘要:针对应用于海洋监测的无线传感器网络，提出了一种基于蒙特卡罗算法的节点定位算法。该算法根据海洋中洋流在某一时间段内线性运动的特性，通过引入符合海水运动规律的角度来提高节点在位置预测阶段的精度；并根据节点感知压力的大小来确定预测坐标的置信度，以对预测坐标进行修正，进而得到最终的预测结果。仿真结果表明，该算法比传统的定位方法在不同的锚节点密度、节点密度、节点运动速度和时间等条件下都表现出更好的性能。

关键词:无线传感网络；移动节点；定位；精度；蒙特卡罗定位

中图分类号: TP393.02文献标志码:A英文标题

引言

水下传感器网络以水下传感器作为信息获取的窗口，并最终以某种方式把水下传感器网纳入常规网络，把水下数据送给观察者［1］。它可以应用于海洋学数据获取，海洋污染监控，近岸开发，灾难预防，以及水下目标的探测、跟踪与定位。

在以往的水下传感器网络研究中，研究人员针对静态的水下传感网，是将三维定位转化成二维，先利用传统的节点定位算法，如基于到达时间（Time Of Arrival，TOA）的定位，基于接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication, RSSI）的定位，基于到达角度（Angle of Arrival）的定位等［2］计算节点在XOY平面的坐标，再根据水下深度与压强值的关系确定Z轴坐标［3-4］；另外，研究人员还利用水下传感网声音传输信号的特性，提出了时间同步的问题［5］，通过控制误差传播以提高定位精度。而对于节点移动的水下传感网，研究人员主要是在假设节点有自定位功能［6］或者传感器节点带有全球定位系统（Global Positioning System, GPS）定位装置［7］的前提下进行研究的。然而在实际应用中，考虑到技术和成本等问题，不可能给每一个传感器节点配备GPS定位装置，也不能使每一个传感器节点都保持固定的位置。由于海水的流动性，传感器节点也会随之运动，进而导致网络的拓扑结构变化频繁，采用静态定位算法中的定位机制，则需要频繁地更新节点的位置信息，这将消耗系统的大量资源，同时也会降低网络响应能力及定位精度［8］。因此，应用于海洋监测的无线传感器网络移动节点定位至关重要。

针对海洋监测的无线传感器网络，其部分节点通过水下锚定的浮标或潜标来固定，且位置已知，其余节点随海水自由移动的情况下，本文改进了基于蒙特卡罗定位（Monte Carlo Localization，MCL）的移动传感网精确定位算法［9］，提出基于MCL的四维（三维坐标和速度）节点定位算法基于蒙特卡罗算法的多维节点定位算法（Monte Carlo Multidimensional Localization Algorithm，MCMLA）。