一種水聲組網定位一體化系統設計與實現

馬伯樂，衛紅凱，鄭思遠，古海玲，童 峰

(1. 中國人民解放軍 92150 部隊，浙江 舟山 316000；2. 海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033；3. 廈門大學 海洋與地球學院，福建 廈門 361002)

0 引言

由多個水下聲學互通互聯水聲節點組成的水聲網絡可大大提高水下信息傳輸能力，得到了國內外相關研究單位的高度重視，并在多個涉海應用領域推進理論研究、技術實現及工程應用[1-2]。

對水聲網絡而言，獲取網絡節點位置可在多樣化應用領域中扮演著十分重要的角色，例如在海洋測量、環境監測任務中，控制中心往往需要同時獲得環境數據與測量、監測節點的位置信息。并且，它也是基于地理信息路由的基礎，如基于矢量的轉發（Vector-Based Forwarding，VBF）協議[3]就需要獲取節點的位置信息，構建虛擬管道來進行網絡數據包的轉發；如基于扇形的目的預測路由（Sectorbased Routing with Destination Location Prediction，SBR-DLP）協議[4]，需要獲取源節點和目的節點位置信息，并依據運動模型劃分扇形區域選擇中繼節點；以及定向泛洪路由（Directional Flooding- Based Routing，DFR）[5]、聚焦束路由（Focused Beam Routing protocol，FBR）[6]等協議和在這些協議基礎上優化改進的一系列路由協議都需要依靠節點的位置信息來生成路由，支撐網絡的運行。對于認知水聲網絡，節點位置、距離信息也是一項重要的認知信息，例如通過節點的距離信息可以優化節點的發射功率、調制模式、路由選擇、拓撲結構等，提高網絡的性能。

但是水聲網絡在布置時，節點往往沒有任何關于位置的先驗信息。雖然為網絡節點配置GPS、北斗這類全球定位系統是最簡單的解決方案，但是全球定位系統使用的射頻信號在水下衰減很快，定位信息無法直接傳遞給水下節點。通常情況下，水下節點仍然需要使用水聲定位方法確定自身位置。

水聲定位是海洋開發、水下施工、科考、水下救援、水下無人平臺等領域關鍵技術。利用參考點、定位點之間水聲傳播從水聲接收信號獲取信號強度、傳播時間、波達方向等信息，并利用位置關系解算目標位置的水聲定位技術得到了廣泛的研究和應用[7]。典型的如基于測距的水聲定位技術，多家國內外廠商推出了不同用途、不同參數的基于測距的水聲定位設備[8-10]。

但是，傳統的基于測距定位需要逐個節點進行數次應答測距，同時往往需要精確的時間同步，不僅僅需要較長的定位時間，而且對于多網絡節點定位需要多次進行基于測距定位操作，效率低下。

基于到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）的TDOA 定位方法利用目標聲源信號到達不同水聽器的時間差進行位置解算[11]，無需應答，因而對網絡而言，其定位過程中并不支持節點間水聲數據交互。

考慮到水聲網絡中多個節點互聯互通實際上具備了利用接收信號解算節點位置的條件，直接利用網絡組網過程中不同網絡節點間應答即可獲得網絡節點間距，從而可在網絡通信的同時，在不付出額外開銷、無需精確時間同步的前提下進行基于網絡通信的節點定位[12]。

本文設計并實現了一種水聲組網定位一體化（Underwater Acoustic Integrated Networking-Positioning，UAINP）系統，并對測距定位過程中的誤差進行了分析和修正。最后，通過湖上試驗對所設計的水聲組網定位一體化方案進行了初步驗證，實驗結果表明了所提方案的有效性。

1 技術方案及系統設計

1.1 水聲組網通信應答測距

根據上述分析，在水聲網絡組網–定位過程中，本文采用無需精準時間同步的應式測距方式，利用網絡傳輸中的節點間交互進行網絡節點應答測距，隨后在測距基礎完成節點定位。

在一對水聲收發裝置上實現水聲通信與測距一體化功能有3 種實現方式：第1 種是以時分工作方式，在不同的時隙上分別發射水聲通信調制信號和水聲導航測距調制信號，在接收端分別對水聲通信信號和水聲導航測距信號進行接收處理，這樣以時分方式分別進行水聲通信和水聲測距；第2 種是頻分工作方式，即發射端的水聲通信和水聲測距定位信號采用不同的工作頻率，這樣在接收端通過頻率濾波，可以同時處理和解調水聲通信和水聲測距信息；第3 種是將水聲通信和水聲應答測距信號通過共用同步頭的方式一體化實現，在發射端發射經過特殊設計的水聲信號，在接收端通過同步解調等信息處理，通過接收一組在同一頻率上的水聲信號，既完成水聲測距，也可以解調得到水聲網絡通信數據。

但是由于方法 1 無法實現同時進行通信和測距導航，時效性受影響；方法2 需要占用較多的水聲信號帶寬；而方法3 在通信的同時，實現了測距定位，只需要選擇恰當的同步頭格式，不需要增加額外頻率，因此本文系統采用第3 種方式實現水聲測距與通信的一體化。系統使用的水聲信號格式如圖1 所示。

圖1 信號幀格式Fig. 1 Structure of packet

基于水聲網絡通信的需求[2]和線性調頻信號自相關性強的特點，采用線性調頻信號作為同步信號，測距過程以同步信號為基準確定往返時間。

水聲組網多址接入控制（Media Access Control，MAC）層采用基于握手協議，其握手的過程就是2個握手節點的應答過程，可以在這個過程中進行應答測距而不會增加額外開銷。往返時間如下式所示

式中：t表示AB 節點間水聲傳輸時間；T表示節點A 記錄的測距時長，由于節點A 需要將CTS 解調完之后才能獲得往返時間，因此T中包含著RTS和CTS 的發送時間，分別用tRTS和tCTS表示；te表示系統延遲，可以事先測算出； Δt為隨機時間誤差，一般大于0。最終獲得的測量結果是的值。

1.2 基于測距的水聲定位

水聲組網定位一體化系統根據網絡通信應答測距結果來進行定位，定位方法采用了三邊測量法，即未知節點通過測量與已知坐標的錨節點之間的距離來確定節點位置[13]。

如圖2 所示，A、B、C 3 個作為錨節點的網絡節點坐標為（xa，ya），（xb，yb），（xc，yc），它們到待測節點D 的距離分別為da，db，dc

圖2 三邊定位原理Fig. 2 Illustration of trilateration positioning

根據上式，可以得到未知節點坐標：

1.3 聲速誤差補償

基于水聲組網通信的應答測距結果是根據水下聲速和傳播時間計算獲得，因此水下聲速的測量值與實際值差別將在測距結果中引入誤差。

海水中的聲速測量主要有2 種方法：利用聲速剖面儀等外部儀器設備直接測量海水中的聲速值，即直接測量法；另一種為根據經驗聲速模型來進行計算，即間接測量法。間接測量法利用海水的溫度、鹽度、壓強計算海水某一區域的聲速，將一定深度范圍的聲速視為一個固定值，實際海水的溫、鹽、壓處處不相同，海水介質的分布不均勻，導致不同深度的聲速值大小亦不同，一般對聲速誤差的修正采用平均聲速法[13]。

當2 個通信節點距離較近且深度相近時，聲線傳播路徑彎曲較小，即使用固定的聲速值計算節點之間的距離也有較好的定位精度。節點間距離較大且深度相差較遠時，聲速變化較大，聲線彎曲程度也會變得越大。對聲線彎曲程度對定位精度造成的影響，當曲線曲率半徑越小時，造成的誤差值越大。為了提高定位精度，可采用聲線修正的方法[14]。

由于聲速、聲線的校正方法作為水聲定位技術的關鍵環節已得到廣泛研究，而本文側重從水聲組網–定位一體化角度開展基于水聲組網通信的定位研究，因此直接采用實測聲速剖面中對應深度的聲速進行簡單聲速校正，未進行聲線校正。

1.4 應答測距誤差補償

對本文組網–定位一體化系統而言，考慮到基于組網通信的應答測距過程中，物理層水聲通信為了保證實時性采用雙緩存切換處理，即一個緩存采集數據，另一緩存處理數據，并進行循環切換。這就導致了在應答過程中，接收節點接收到的請求信號的實際結束時間與數據處理完成并觸發應答的實際時間不一致，由此產生的時間誤差將直接影響測距誤差，如圖3 所示。

圖3 應答測距誤差校正示意圖Fig. 3 Illustration of response-ranging error correction

為了消除這種由于通信應答過程導致的測距誤差，本文方案在應答信號中進行校正處理，具體校正過程為：1）發射節點發送請求信號；2）接收節點接收到請求信號，并計算出接收到的請求信號實際結束時刻與雙緩沖工作模式下數據處理完成、判定該信號結束時刻之間的時間差；3）在應答信號中將此時間差作為校正信息，回送至發送節點進行反饋；4）發送節點收到應答信號后，獲得校正信息，即可在應答測距處理中消除由此導致的誤差。

同時，本文水聲組網–定位一體化系統基于組網通信應答測距需要精確的應答時間計算，而從水聲組網角度水聲網絡節點進行網絡數據處理可能會占用時間導致延遲估計錯誤，因此系統在進行測距時對網絡程序進行了時序控制，避免在測距進程中插入大量的網絡數據處理程序。

2 湖試實驗

本文基于AMLink 水聲通信節點[15]構建了一個小規模水聲組網定位一體化試驗系統，該通信節點通信物理層主要參數如表1 所示。物理層水聲通信采樣率為75 kHz，信號中心頻率為15.5 kHz，帶寬2.3 kHz，采用直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）調制。信號幀結構由同步信號、保護間隔、信息段信息序列部分3 個部分組成。

表1 水聲網絡物理層相關參數Table 1 Parameters of acoustic communication system

為了驗證本文水聲組網定位一體化試驗系統的性能，在某水庫進行了小規模組網定位一體化實驗。試驗水域網絡節點設置及實測水域聲速梯度分別如圖4（a）、4（b）所示。試驗水聲組網定位一體化系統的網絡多址采用MACA 多址方案[2]，通過RTS-CTS-DATA 握手交互實現網絡節點之間的互聯互通，網絡路由采用固定路由方式。

圖4 試驗水域地圖及聲速剖面Fig. 4 Map of trial area and sound velocity profile

試驗水聲網絡拓撲結構如圖5 所示，其中節點D 搭載于小艇上為待定位節點，節點A、B、C 為定位基準點，其位置信息已知。在組網–定位一體化試驗中，全過程進行各節點組網通信，并以一體化方式同時進行組網通訊應答測距。節點D 輪流與基準點進行通信，基準點在回復節點D 的時候，攜帶基準點之間的距離信息。這樣，在完成與所有基準點通信之后，節點D 可以獲得DA、DB、DC 之間距離以及基準點的位置信息，即可基于通信組網過程利用三邊定位法解算自身節點位置。

圖5 網絡拓撲Fig. 5 Topology of experimental network

基準點A、B、C 放置于躉船上，所有節點入水深度約為3 m。利用卷尺直接測出網絡節點入水位置之間距離，作為標準值，與網絡測距結果進行對比。網絡節點距離標準值如表2 所示。

表2 網絡節點間距Table 2 Distances between network nodes

3 實驗結果與分析

組網–定位一體化實驗中，網絡運行結果如表3 所示，從水聲網絡整體發送接收情況來看，由于小規模試驗網絡的范圍小，網絡運行正常，在網絡運行過程中累計傳輸230 個數據包，無丟包情況發生，物理層水聲通信誤碼率為0。

表3 水聲網絡運行情況Table 3 Behavior of underwater acoustic network

水聲組網通信應答測距誤差如圖6 所示，從圖6 中可以看出，測距結果較為穩定，測距誤差均小于5%。

實驗中網絡定位情況如圖8 所示，網絡運行過程中的定位誤差如圖7 所示。從圖7 可以看出，隨著網絡的運行，基于組網–定位一體化的網絡節點定位誤差逐漸穩定在0.6 m。初步湖試試驗結果表明，本文小規模水聲組網定位一體化試驗系統具備無需精確時間同步下的組網、定位功能。

圖7 實驗過程定位情況Fig. 7 Positioning behavior during experiment

圖8 實驗過程定位誤差Fig. 8 Positioning error during experiment

4 結束語

本文介紹了一種水聲網絡中組網定位一體化方案。首先給出了水聲組網定位一體化技術方案中通信組網應答測距、定位、設計及誤差補償方法設計，并基于技術方案構建了小規模水聲組網定位一體化實驗系統，最后通過湖試實驗初步驗證了所提水聲網絡中組網定位一體化方案的有效性。湖試實驗實驗表明，相對于TDOA 等常規分布式定位系統，本文所提方案具備了在進行網絡通信的條件下實現一定精度網絡節點定位的功能。

也需指出，本文湖試實驗側重驗證組網定位一體化基本功能的實現，系統規模、網絡范圍小，獲取的結果比較初步。特別是，由于網絡多節點測試距離較近，聲線彎曲現象不明顯，在此種情況下獲得的測量誤差無法直接應用于中等距離或遠距離下的定位誤差評估。

考慮到本文采用的AMLink 擴頻水聲通信節點在6 km 范圍內應答測距相對誤差為3%[16]，在相對測距誤差量級上與本文試驗大致相當，為中等距離或遠距離條件下定位性能評估提供了參考。下一步計劃進一步以更大范圍、更多節點、不同水域海域開展所提技術方案實驗驗證[17-18]，同時評估水文環境因素對系統工作的影響，并完善聲速、聲線校正措施對定位性能的影響，減小典型不確定因素對系統性能評估本身引入的影響。