基于無線傳感網(wǎng)節(jié)點定位的海上立體搜救

劉 玲 張亦禎

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，中國 上海 201306)

0 前言

隨著國內(nèi)外貿(mào)易的不斷拓展，海上交通運輸逐漸增多和水上旅游業(yè)日漸繁榮，我國海上運輸船舶數(shù)量及從事水上工作的人員迅速增長，而海難事故也時常發(fā)生，遇難人數(shù)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(biāo)，因此，在一定時間范圍內(nèi)提高搜救成功率是重要且有其現(xiàn)實意義。現(xiàn)階段已經(jīng)有比較多的技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用于海上搜救，比如搜救雷達(dá)應(yīng)答器、GMDSS 系統(tǒng)設(shè)備等等，這些設(shè)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(shè)施和相關(guān)技術(shù)只能提供我們海事發(fā)生的地點，搜救工作在其附近區(qū)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(jìn)行更加明確的目標(biāo)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(yīng)用于海上搜救就可以實現(xiàn)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(guān)信息的目的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Network,WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點組成，這些傳感器節(jié)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(tǒng)；其目的是感知、采集和處理覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測的對象，并將檢測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果發(fā)送給終端管理節(jié)點[2]。將傳感器節(jié)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(fā)生后，節(jié)點自動啟動工作實現(xiàn)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(wǎng)節(jié)點定位的海上立體搜救。由直升機搭載錨節(jié)點充當(dāng)移動錨節(jié)點利用最小二乘法實現(xiàn)未知節(jié)點的定位,達(dá)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(jié)介紹了相關(guān)研究工作：第2 節(jié)介紹了海上例題搜救中的節(jié)點定位；第3 節(jié)利用仿真實驗對本文提出的方法進(jìn)行評估；第4 節(jié)是結(jié)論。

1 相關(guān)工作

傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)只有結(jié)合其位置信息才有意義，且傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、布局和目標(biāo)跟蹤等操作都依賴于節(jié)點的有效定位[3]，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位至關(guān)重要。無線傳感網(wǎng)中有錨節(jié)點和未知節(jié)點兩種，錨節(jié)點是指能夠通過自身攜帶的GPS 或其它設(shè)備獲得自己當(dāng)前位置信息的節(jié)點；未知節(jié)點是指不能夠自主獲得自己地理坐標(biāo)信息需要通過定位算法獲得位置信息的節(jié)點。

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

2 海上立體搜救中的節(jié)點定位

2.1 無線傳感網(wǎng)節(jié)點的部署

在海上搜救過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署通常由兩部分組成：1）節(jié)點被預(yù)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(shè)備上。這部分節(jié)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(guān)注的節(jié)點。2）在救援過程中為保障這些節(jié)點自組織成網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)節(jié)點之間的相互通信，救援直升機或者船舶可以根據(jù)救援需要隨時拋灑節(jié)點于ROI。在節(jié)點部署過程中，考慮一下因素：(1)節(jié)點成本，救援中傳感器節(jié)點需要量較大，因此高成本的錨節(jié)點數(shù)量不宜過多。(2)節(jié)點能耗，未知節(jié)點能量有限，我們利用移動錨節(jié)點可以均衡整個無線傳感網(wǎng)的能耗，降低網(wǎng)絡(luò)因個別節(jié)點無能量而癱瘓的概率。因此，無線傳感器節(jié)點的合理部署及定位都很重要。節(jié)點間通信信息包括如下內(nèi)容：ID、定位次數(shù)、地理信息坐標(biāo)、鄰居節(jié)點數(shù)、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(yīng)能力。由直升機搭載傳感器節(jié)點實現(xiàn)錨節(jié)點的移動，這樣來均衡整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗、適應(yīng)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(jié)點的位置信息，要求一個未知節(jié)點接收至少來自3 個錨節(jié)點的位置信息并且至少有一個錨節(jié)點與未知節(jié)點不在同一平面。為此，設(shè)定三個錨節(jié)點同時安放在直升機上，并且搭載在直升機上的錨節(jié)點呈正三角形分布與地面平行，這樣未知節(jié)點實現(xiàn)定位的概率就大幅度提高。

海難事故發(fā)生之后，落水人員或者其它物體會在風(fēng)、流等的作用下移動，因此隨著時間的推移搜索區(qū)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(qū)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(qū)域較近時是一種很有效的搜尋方式。搜救中，在同一區(qū)域內(nèi)，直升機至少執(zhí)行兩次搜尋任務(wù)，當(dāng)直升機完成第一次搜尋后，它可以根據(jù)實際情況進(jìn)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(jié)點會有機會在第二次搜索中實現(xiàn)定位。而直升機的搜索路線即為移動錨節(jié)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(jié)點與發(fā)射信息節(jié)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(shù)，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(wǎng)的海上搜救的模型

基于無線傳感網(wǎng)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(biāo)，未知節(jié)點U 處于海面上。

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

其次，計算得到未知節(jié)點U（xi，yi，zi）與移動錨節(jié)點A、B、C 間的距離，根據(jù)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(jié)點和三個錨節(jié)點A、B、C 的距離，可以通過式子(1)計算出；各個節(jié)點的坐標(biāo)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(jié)點U（xi，yi，zi）的坐標(biāo)為：X=（ATA）-1ATb。

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

3 仿真及分析

本文用MATLAB 7.10 平臺進(jìn)行計算機仿真。仿真參數(shù)設(shè)置如下：在一個1000m×1000m×300m 的空間內(nèi)隨機的分布著200 個未知節(jié)點，10-20 個錨節(jié)點。通過仿真分析比較本文定位算法與傳統(tǒng)3D 定位算法及文獻(xiàn)[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(jìn)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(jié)點定位誤差之間的關(guān)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(jié)點的定位誤差也在增加。搜尋時間長是由于節(jié)點無法達(dá)到實現(xiàn)定位的條件，同時由于節(jié)點的動態(tài)性，隨著時間的推移測距誤差也會逐漸增大，從而導(dǎo)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(jié)論

本文提出了基于無線傳感網(wǎng)節(jié)點定位的海上立體搜救，一種應(yīng)用于海上搜救直升機搭載無線傳感網(wǎng)節(jié)點的定位算法，通過對落水物攜帶的節(jié)點的定位來達(dá)到搜救落水人員等的目的，該應(yīng)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(xiàn)它們可以主動向救援隊伍發(fā)送自己的位置信息的目的。同時，這種應(yīng)用可以實現(xiàn)節(jié)點的多次定位，這樣節(jié)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(wǎng)絡(luò)中節(jié)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。

［1］Akyildiz I F,Weilian S,Sankarasubramaniam Y,et a1.Wireless Sensor Networks:A Survey[J].Computer Networks,IEEE,2002,38(3):393-422.

［2］景博,張劼,孫勇.智能網(wǎng)絡(luò)傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011:121-132.

［3］HIGHTOWER J,GAETANO B.Location systems for ubiquitous computing [J].IEEE Trans on Computer,2001,34(8):57-66.

［4］Dimitrios Koutsonikolas,Saumitra M.Das,et al.Path Planning of Mobile Landmarks for Localization in Wireless Sensor Networks [C]//IEEE International Conference on Distributed Computing Systems Workshops.2006.

［5］Liping Tang,Wanfang Chai,et al.Research of WSN Localization Algorithm Based on Moving Beacon Node.//IEEE 2011.

［6］劉克中,張金奮,胡富平,王殊.移動導(dǎo)標(biāo)條件下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報,2010,33(2):16-19,32.

［7］Songsheng Li,David Lowe,Xiaoying Kong,et al.Wireless Sensor Localization Algorithm Using Path of Mobile Beacons[C].2011.

［8］Songsheng Li,Xiaoying Kong,David Lowe.Dynamic Path of Mobile Beacons Employing Reinforcement Learning for Wireless Sensor Localization [C]//IEEE International conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops.2012:760-765.

［9］Bahl P,Padmanabhan V N.RADDAR:An in-building RF-based user location and tracking system[C]//Tel Aviv,Isreal:proceedings of the IEEE INFOCOM,2000:775-784.

［10］Lei wang,Xiaopeng Wang,et al.Some Issues on WSN Localization Based on MLE[J].2010:796-800.

［11］宋婉甜,李智.一種新的無線傳感網(wǎng)絡(luò)三維定位方法[J].信息與電子工程,2010,10(3):257-261.