3、水下传感器网络定位技术解析

水下传感器网络定位技术解析

1. 水下定位的挑战与现状

水下定位与陆地定位存在显著差异。一方面，由于电磁波在水中的强烈衰减，GPS 在水下无法使用。虽然有惯性测量单元和多普勒速度计等方法可用于水下定位，但这些方法存在误差累积的问题。另一方面，水下的传播延迟比射频陆地信道高出五个数量级，这导致基于到达时间（TOA）或到达时间差（TDOA）的定位方法依赖于时钟同步假设，而高传播延迟容易引发同步误差，使得传感器节点的时钟不同步，难以应用这些定位方法。

同时，水下环境中传感器节点常因水流或潮汐产生被动移动，这增加了估计节点间真实距离的难度，进而降低了定位精度。一些现有的定位算法要么假设传感器节点静止，仅适用于静态水下环境；要么虽考虑了节点移动，但仍依赖时钟同步假设。

2. 网络架构设计

为实现水下定位任务，设计了一种包含三种不同类型节点的网络架构：
- AUVs（自主水下航行器） ：安装有惯性导航系统，作为锚节点。它们在水面漂浮时通过 GPS 获取自身位置，接收传感器节点的定位消息后潜入水中，主动移动为传感器节点提供定位信息。与传统假设不同，AUVs 不要求时钟同步。潜入水中后，长距离传输变为短距离传输，减少了噪声和能量衰减的影响，提高了传感器的定位精度。
- 主动传感器节点 ：具备传感、传输和计算能力。通过向 AUVs 和被动传感器节点广播定位消息启动定位过程。受水流影响，它们被动移动，任务是利用所开发的定位方法确定自身位置。
- 被动传感器节点 ：有传感和计算能力，但不广播消息，监听 AUVs 和主动传感器节点的消息。