声基阵网络节点被动式时间同步与定位方法

    0 引言

    国外对传感器无线组网的研究起步较早,其巨大的军事应用价值得到世界上许多国家的极大关注[1]。其中被动声传感器网络的优点使其在战术防空中可用于复杂地形地区的低空预警和雷达补盲。单个的被动声基阵探测范围小,对动目标的探测和预警能力有限,信息很难共享,而被动声传感器基阵网络的信息化能力和感知探测能力则有质的提高,具有可快速部署、可自组织、覆盖区域大、隐蔽性强和高容错性等优点,因此极具应用前景。而其研究难点之一就在于声传感器区域无线组网技术。

    在无线组网技术中,目前已有的基于距离的节点定位方法主要为基于时间到达的TOA定位、基于到达时间差的TDOA定位、基于到达角度的AOA定位和基于接收信号强度指示的RSSI定位[2]。TOA定位和TDOA定位要求精确的时间同步,利用距离信息和相应算法完成节点定位,对硬件的要求较高,成本高;AOA定位以TOA定位为基础,利用天线阵列感知方位角,通过三角测量法完成节点定位[3],该技术复杂、通信量大、能耗高;RSSI定位则不适用于复杂开阔的外部环境。针对以上节点定位方法的缺点和不足,本文提出被动式时间同步机制与网络节点的被动声基阵定位方法。

    1 网络节点模型

    声学定位模型设计是被动声定位的关键技术之一。五元空间被动声探测基阵的优点是定距精度高、定向精度与方位角无关、俯仰角对定距精度的影响较小,应用于动目标的被动声探测和节点定位较为理想[4]。

    被动声基阵无线网络的节点定位机制中,节点的定位部分由扬声器、五元声传感器基阵、处理器模块和无线通信模块组成,如图1所示。

    五元空间被动声探测基阵网络包含任务节点、信标节点以及管理终端,大量的声基阵节点随机部署在监测区域内,通过自组方式构成网络。任务节点检测的数据经处理模块处理后沿路由路径节点逐跳地进行传输,经多跳后路由到信标节点,最后通过管理终端传输给用户。每个任务节点兼有传统网络节点和路由器双重功能,除进行监测区域的信息收集和处理外,还要对其他节点转发来的数据进行处理和转发。信标节点是一个具有增强功能的传感器节点,有足够的能量供应、较大的内存和较强的计算能力,能独立完成自身的定位和授时,它的通信能力、存储能力、处理能力都要较任务节点强,它担负其他任务节点的位置定位、授时,它连接着一定数量的任务节点和管理终端,实现两种协议栈之间的通信协议转换,同时将收集的数据转发到管理终端。

    2 网络节点被动声基阵定位

    节点定位过程中不仅包括地理位置信息,还包括至关重要的时间信息[5]。在被动式时间同步机制下,利用本地时钟的时延值或时间差,节点的五元被动声基阵即可完成节点自身定位。