本发明涉及数据处理，特别是指一种海底无线传感器网络的三维定位方法及系统。
背景技术：
1、传统的多边定位方法在进行位置计算时，往往基于一个简化的假设，即声波在传播过程中是沿直线进行的。
2、然而，在实际的水下环境中，由于水流的影响、介质的不均匀性、温度梯度和盐度变化等多种复杂因素，声波的传播路径往往会发生偏离直线的弯曲现象。这种声波传播的弯曲效应，如果不在定位算法中进行适当的考虑和补偿，就会导致定位结果出现偏差，从而影响定位的精度和可靠性。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是提供一种海底无线传感器网络的三维定位方法及系统，有效提高了节点间距离数据的准确性，进而提升了未知节点的定位精度。
2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
3、第一方面，一种海底无线传感器网络的三维定位方法，所述方法包括：
4、在海底区域根据预定的布局策略部署带有测距功能的无线传感器节点，无线传感器节点用于发送和接收声波信号，以测量节点间的距离；
5、获取水下环境参数，并根据水下环境参数以及预设的弯曲声线模型，对水下节点间的声波传播路径进行建模，以得到节点间距离数据，水下环境参数包括介质密度、温度和盐度；
6、根据节点间距离数据，计算未知节点的位置坐标；
7、根据未知节点的位置坐标，对海底无线传感器网络中的节点进行三维定位，以得到定位结果，定位结果包括确定每个节点在三维空间中的具体坐标位置；
8、监测海底无线传感器网络状态，包括节点的通信质量、测距数据的稳定性；当检测到网络状态发生变化或达到预定的重新定位周期时，则触发重新定位过程；
9、更新节点的位置信息，并将其广播到整个网络中，以使网络中的余下的节点获取到最新的位置信息。
10、进一步的，在海底区域根据预定的布局策略部署带有测距功能的无线传感器节点，包括：
11、确定海底监测区域的范围、节点数量、通信和测距要求；
12、随机生成符合基本布局要求的节点位置作为初始布局，定义用于评估当前布局方案优劣的能量函数；
13、对于当前温度，进行次迭代，在每次迭代中，随机选择一个节点并改变其位置，生成一个新的布局方案；
14、计算新布局方案的能量和原布局方案的能量，如果＜，则接受新布局；如果≥，则以概率接受新布局，其中，表示自然对数的底；更新当前温度为，其中，是温度下降率，如果低于终止温度，则停止退火过程，以得到最终的布局方案；
15、根据最终的布局方案，在海底区域实际部署带有测距功能的无线传感器节点。
16、进一步的，能量函数的计算公式为：
17、；
18、其中，表示监测区域的面积；表示已覆盖区域的面积；表示节点的总数；是第 i个节点的通信成功率；表示节点之间的最小距离；表示节点之间的距离； i表示当前评估的节点的索引，取值范围为从1到，每一个 i代表一个具体的传感器节点；表示与节点 i进行比较的另一个节点的索引，取值范围从到；、和是权重系数。
19、进一步的，获取水下环境参数，并根据水下环境参数以及预设的弯曲声线模型，对水下节点间的声波传播路径进行建模，以得到节点间距离数据，包括：
20、根据海底无线传感器网络的部署区域，确定需测量的水下环境参数；
21、对部署区域内的各个关键位置进行实地测量，以获得代表整个部署区域的水下环境参数数据；
22、根据水下环境的特性，构建弯曲声线模型；
23、根据弯曲声线模型以及水下环境参数数据，计算出声波从发送节点到接收节点的预期传播路径；
24、根据预期传播路径，以及声波在水下的传播速度，计算声波从发送节点传播到接收节点所需的时间；
25、将声波从发送节点传播到接收节点所需的时间通过乘以声波的传播速度，以得到节点间距离数据。
26、进一步的，根据水下环境的特性，构建弯曲声线模型，包括：
27、获取海底地形数据，包括海底的起伏、坡度、海底沉积物类型信息；
28、根据水下不同深度的水温数据，计算不同深度之间的温度差，以确定温度梯度；分析水体的盐度，包括盐度的空间分布和变化规律；利用回声测深仪测量水深，以得到水深分布图；
29、根据温度梯度、水体的盐度和水深分布图，计算水体中的声速分布；
30、根据声速分布和海底地形数据，模拟声波在水下的传播路径，以形成弯曲声线模型。
31、进一步的，根据节点间距离数据，计算未知节点的位置坐标，包括：
32、获取所有已知位置节点与未知节点之间的距离数据；
33、从已知位置的节点中，选择至少四个不共面的节点作为参考节点；
34、对于每个参考节点，根据已知位置节点与未知节点之间的距离数据，列出一个距离方程；
35、为未知节点的坐标设置一个初始估计值，在初始估计值附近，将非线性方程组通过泰勒级数展开，利用高斯消元法求解线性化的方程组，得到未知节点坐标的近似解；
36、将近似解作为新的初始估计值，重复线性化和求解步骤，进行迭代优化，通过多次迭代，逐渐逼近真实的未知节点坐标，在迭代结束后，以得到最终求得的未知节点的位置坐标。
37、进一步的，根据未知节点的位置坐标，对海底无线传感器网络中的节点进行三维定位，以得到定位结果，包括：
38、根据未知节点的位置坐标数据，建立一个三维坐标系统，用于表示海底无线传感器网络的空间结构；将已知位置的节点作为参考点，在三维坐标系统中进行标记；
39、将未知节点的位置坐标数据映射到三维坐标系统中，每个未知节点的坐标均在三维空间中有一个对应的位置；
40、根据已知节点和未知节点的位置，在三维空间中构建整个无线传感器网络的拓扑结构，包括已知节点和未知节点之间的相对位置关系；
41、将无线传感器网络的拓扑结构、已知节点和未知节点的位置可视化的形式展现出来，以得到定位结果。
42、第二方面，一种海底无线传感器网络的三维定位系统，包括：
43、布局模块，用于在海底区域根据预定的布局策略部署带有测距功能的无线传感器节点，无线传感器节点用于发送和接收声波信号，以测量节点间的距离；
44、获取模块，用于获取水下环境参数，并根据水下环境参数以及预设的弯曲声线模型，对水下节点间的声波传播路径进行建模，以得到节点间距离数据，水下环境参数包括介质密度、温度和盐度；
45、计算模块，用于根据节点间距离数据，计算未知节点的位置坐标；
46、定位模块，用于根据未知节点的位置坐标，对海底无线传感器网络中的节点进行三维定位，以得到定位结果，定位结果包括确定每个节点在三维空间中的具体坐标位置；
47、监测模块，用于监测海底无线传感器网络状态，包括节点的通信质量、测距数据的稳定性；当检测到网络状态发生变化或达到预定的重新定位周期时，则触发重新定位过程；更新节点的位置信息，并将其广播到整个网络中，以使网络中的余下的节点获取到最新的位置信息。
48、第三方面，一种计算设备，包括：
49、一个或多个处理器；
50、存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述的方法。
51、第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述的方法。
52、本发明的上述方案至少包括以下有益效果。
53、该方法通过获取水下环境参数（如介质密度、温度和盐度）并结合预设的弯曲声线模型，对水下节点间的声波传播路径进行精确建模。这种建模方式能够更真实地反映声波在水下环境中的传播情况，从而有效提高了节点间距离数据的准确性，进而提升了未知节点的定位精度。由于考虑了水下环境的多种因素，该方法具有更强的环境适应性。无论是在介质密度变化、温度梯度还是盐度差异等复杂条件下，该方法都能保持较高的定位稳定性和可靠性。
54、该方法能够确定每个节点在三维空间中的具体坐标位置，为海底无线传感器网络提供了更为丰富的空间信息。通过监测海底无线传感器网络的状态，包括节点的通信质量和测距数据的稳定性，该方法能够及时发现网络状态的变化。当检测到变化或达到预定的重新定位周期时，会触发重新定位过程，从而确保节点位置信息的实时性和准确性，这种动态更新的机制使得定位系统能够更好地应对海底环境的动态变化，通过该方法获得的精确位置信息有助于优化网络资源的配置，提高数据传输效率，降低能耗，从而全面提升网络的整体性能。
1.一种海底无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的海底无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，在海底区域根据预定的布局策略部署带有测距功能的无线传感器节点，包括：
3.根据权利要求2所述的海底无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，能量函数的计算公式为：
4.根据权利要求3所述的海底无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，获取水下环境参数，并根据水下环境参数以及预设的弯曲声线模型，对水下节点间的声波传播路径进行建模，以得到节点间距离数据，包括：
5.根据权利要求4所述的海底无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，根据水下环境的特性，构建弯曲声线模型，包括：
6.根据权利要求5所述的海底无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，根据节点间距离数据，计算未知节点的位置坐标，包括：
7.根据权利要求5所述的海底无线传感器网络的三维定位方法，其特征在于，根据未知节点的位置坐标，对海底无线传感器网络中的节点进行三维定位，以得到定位结果，包括：
8.一种海底无线传感器网络的三维定位系统，其特征在于，应用于如权利要求1至7任一项所述的方法中，包括：
9.一种计算设备，其特征在于，包括：
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。
