本發明涉及水聲導航領域，具體涉及一種基于水聲動態組網的高效分布式導航方法與系統，適用于大規模分布式水聲通信網絡下的水下移動平臺導航定位。
背景技術：
1、水下區域感知、通信、導航一體化技術是當前海洋信息技術的重要發展方向，基于水聲通信網絡的水下移動平臺協同導航是其重要組成部分。由于水下環境下無法部署高精度的gps導航定位系統，水下移動平臺通過水聲通信網絡中的通信網絡節點的位置和水下移動平臺與通信網絡節點之間的聲信號傳輸時延獲取位置信息。時分復用等基于時隙劃分的mac協議因其穩健性常用于水聲通信網絡協同導航。然而，受限于較低的水聲通信速率、較慢的水下聲波傳播速度、以及較大的通信網絡節點間距離，網絡導航信令通常需要較長時隙才能實現無碰撞可靠傳輸，從而降低水下移動平臺的導航結果更新頻率，難以滿足實時性要求。
2、目前，大規模水聲通信網絡通常采用基于分簇拓撲的時分多址（tdma）協議，通過將全網通信節點預劃分為多個固定的邏輯簇，以實現tdma接入管理。然而，在水下移動平臺導航場景下，現有技術存在以下缺陷：其一，現有的分簇協議在設定時隙長度時通常仍須以全域最大傳播時延或跨簇通信的最差信道工況為設計基準，無法從根本上縮短導航周期，限制了導航更新頻率的提升；其二，傳統分簇具有固定的地理或邏輯邊界，缺乏空間靈活性，當水下移動平臺處于多個簇的交界處時，由于無法靈活調用異簇節點，導航系統無法構建最優的探測幾何圖形，從而降低了邊緣區域的定位精度。
技術實現思路
1、發明目的：針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于水聲動態組網的高效分布式導航方法與系統，該方法通過以水下移動平臺為中心動態重構局部導航子網絡，通過降低網絡規模，同步壓縮?tdma?時隙數量及時隙長度，實現在大規模水聲通信網絡下水下移動平臺的高效導航。
2、技術方案：為實現上述發明目的，本發明第一方面提供一種基于水聲動態組網的高效分布式導航方法，包括以下步驟：
3、步驟s1、水下移動平臺根據自身估計位置及水聲通信網絡節點位置，動態選定需要回復的四個水聲通信網絡節點，其中四個節點為水聲通信網絡中劃分的四邊形單元的四個頂點；
4、步驟s2、水下移動平臺計算自身與需要回復的水聲通信網絡節點間距離，分配回復時隙順序；
5、步驟s3、水下移動平臺填寫并發送包含選定回復節點的編號和回復時隙順序的導航請求指令；所述導航請求指令的報文數據段中通過編號數據字段標識待回復節點的編號，并通過一個字節的時隙分配字段標識回復時隙順序；所述編號數據字段的每一位對應水聲通信網絡中的一個節點，通過二進制標識是否為待回復節點；
6、步驟s4、水聲通信網絡節點接收導航請求指令，根據編號數據字段及時隙分配字段判決是否需要回復并獲取回復時隙順序。
7、作為優選，所述步驟s1中動態選定需要回復的四個水聲通信網絡節點，具體包括：
8、步驟s101、將水聲通信網絡中的節點按照其地理分布預先劃分為多個四邊形單元，每個四邊形單元由四個節點構成，預設節點位置，以及節點在網絡中的行索引、列索引與節點編號的映射關系；
9、步驟s102、水下移動平臺計算自身估計位置與每個四邊形單元中四個水聲通信網絡節點的曼哈頓距離之和，選取距離和最小的四邊形網絡，處于選取四邊形單元的四個水聲通信網絡節點即為需要回復導航請求指令的水聲通信網絡節點；
10、步驟s103、記錄選取的四個需要回復導航請求指令的水聲通信網絡節點的編號，及對應的位置坐標。
11、作為優選，所述步驟s2具體包括：
12、步驟s201、水下移動平臺計算自身估計位置與步驟s1中選取的四邊形單元中四個水聲通信網絡節點的曼哈頓距離：
13、
14、其中為四個節點的位置坐標；
15、步驟s202、將距離從小到大排序，得到距離排序結果和位次索引序列，位次索引序列即為選取的四個水聲通信網絡節點的回復時隙順序。
16、作為優選，所述步驟s3具體包括：
17、步驟s301、在導航請求指令報文數據段中，選取字節長度為的內存用于填寫選定回復節點的編號數據，其中為向上取整符號，、為矩形排布水聲通信網絡的行列數；所述編號數據初始值為0，每一位唯一映射水聲通信網絡中的每一個水聲通信網絡節點的編號，水下移動平臺根據如下規則設置編號數據的數值：
18、
19、其中為算術左移符號，且需要滿足；
20、步驟s302、在導航請求指令報文數據段中，預留一字節的內存作為時隙分配字段，所述時隙分配字段被劃分為四個連續的二進制位對，按自低位至高位的順序依次對應選取的四個水聲通信網絡節點；四個水聲通信網絡節點按其全局編號從小到大進行升序排列，與之對應的距離位次索引序列依節點編號升序重新排序得，并在對應的位對中分別填充二進制編碼00、01、10或11，以代表第一至第四的回復時隙順序；設數據填寫于所述時隙分配字段，其初始值為0，則
21、
22、步驟s303、水下移動平臺根據tdma協議，在每個周期的起始時隙向全網絡廣播發送包含數據和內容的導航請求指令報文。
23、作為優選，所述步驟s4具體包括：
24、步驟s401、水聲通信網絡節點根據接收導航請求報文中的數據與自身編號，判斷數據的第位是否為1，若為1則需要回復，否則不回復；
25、步驟s402、若水聲通信網絡節點需要作出回復，則解析報文數據，統計低于其自身編號的對應位元1的數量，來唯一確定其在?tdma?周期內的回復時隙索引獲取回復時隙順序，設水聲通信網絡節點的回復時隙順序為，則
26、
27、其中為算術右移符號；
28、步驟s403、需要作出回復的水聲通信網絡節點按照對應的時隙順序發送導航請求回復指令；
29、步驟s404、水下移動平臺接收導航請求回復指令，根據收到的回復解算自身位置。
30、本發明第二方面提供一種基于水聲動態組網的高效分布式導航系統，用于實現第一方面所述的基于水聲動態組網的高效分布式導航方法，系統包括：
31、回復節點動態選擇模塊，用于水下移動平臺根據自身估計位置及水聲通信網絡節點位置，動態選定需要回復的四個水聲通信網絡節點；其中四個節點為水聲通信網絡中劃分的四邊形單元的四個頂點；
32、時隙分配模塊，用于水下移動平臺計算自身與需要回復的水聲通信網絡節點間距離，分配回復時隙順序；
33、導航請求發送模塊，用于水下移動平臺填寫并發送包含選定回復節點的編號和回復時隙順序的導航請求指令；所述導航請求指令的報文數據段中通過編號數據字段標識待回復節點的編號，并通過一個字節的時隙分配字段標識回復時隙順序；所述編號數據字段的每一位對應水聲通信網絡中的一個節點，通過二進制標識是否為待回復節點；
34、導航請求處理模塊，用于水聲通信網絡節點接收導航請求指令，根據編號數據字段及時隙分配字段判決是否需要回復并獲取回復時隙順序。
35、作為優選，水聲通信網絡中的節點按照其地理分布預先劃分為多個四邊形單元，每個四邊形單元由四個節點構成；所述回復節點動態選擇模塊中，水下移動平臺計算自身估計位置與每個四邊形單元中四個節點的曼哈頓距離之和，選擇距離和最小的四邊形單元所對應的四個節點作為待回復節點。
36、作為優選，所述水下移動平臺根據自身估計位置進行動態選取時，所述自身估計位置是基于先前導航結果估計得到的預測位置。
37、本發明第三方面提供一種計算機系統，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現第一方面所述的一種基于水聲動態組網的高效分布式導航方法的步驟。
38、本發明第四方面提供一種計算機程序產品，包括計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現第一方面所述的一種基于水聲動態組網的高效分布式導航方法的步驟。
39、有益效果：與現有技術相比，本發明具有如下優點：1、本發明方法中設計了新的導航協議，水下移動平臺根據自身估計位置及水聲通信網絡節點位置，動態選定需要回復的四個水聲通信網絡節點，通過動態組網降低導航定位網絡的規模，同步降低tdma時隙個數和長度，提高導航定位結果的更新頻率和實時性。2、本發明方法中，將水聲通信網絡中的節點按照其地理分布預先劃分為多個四邊形單元，水下移動平臺計算自身估計位置與每個四邊形單元中四個節點的曼哈頓距離之和，選擇距離和最小的四邊形單元所對應的四個節點作為待回復節點。這種方式通過以水下移動平臺為中心實時動態重構局部導航子網絡，確保參與定位的四個通信網絡節點始終為當前海域內距離最近、幾何分布最優的組合。3、本發明方法中，通過采用集約化的數據字段設計，將選定通信網絡節點和時隙分配數據字段長度壓縮至數個字節，最大限度地降低了導航請求報文的長度，有效降低了通信時延，從而提升了導航系統的實時響應效率與定位頻次。