一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法
【專利摘要】一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法，包括以下步驟：部署水下傳感器節(jié)點(diǎn)，獲取節(jié)點(diǎn)位置信息；設(shè)定節(jié)點(diǎn)的激活閾值，并使節(jié)點(diǎn)在初始時(shí)處于休眠狀態(tài)；休眠節(jié)點(diǎn)周期性判斷是否轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)；處于激活狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有標(biāo)記的聲波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)；尋找激活節(jié)點(diǎn)中剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)作為水下數(shù)據(jù)處理中心，接收另外三組目標(biāo)信息構(gòu)成定位方程組求解目標(biāo)位置；定義區(qū)域最優(yōu)解算法解決實(shí)際中大量出現(xiàn)的定位方程組出現(xiàn)相交區(qū)域的情況，將獲得的最優(yōu)解作為該時(shí)刻由定位方程組所得到的目標(biāo)位置；激活節(jié)點(diǎn)在連續(xù)的五個(gè)周期內(nèi)不滿足節(jié)點(diǎn)的激活條件，將重新回到休眠狀態(tài)。本發(fā)明具有提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)利用率、定位精度高、能量消耗小等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水聲傳感器智能控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定 位的區(qū)域最優(yōu)解算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，水下移動(dòng)目標(biāo)的精確定位旨在通過(guò)水聲傳感器協(xié)同感知以獲取水下目標(biāo)準(zhǔn) 確的位置信息，可為水下入侵目標(biāo)探測(cè)防御、海難打撈搜救、物種跟蹤探測(cè)等應(yīng)用提供理論 依據(jù)與技術(shù)支撐。然而，水下復(fù)雜環(huán)境特性，如洋流、漩渦、海溝、礁石、甚至海洋突發(fā)情況 (掉深)等，以及單個(gè)水聲傳感器節(jié)點(diǎn)定位范圍的局限性，使得水下移動(dòng)目標(biāo)的定位精度普 遍不高。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01410506360.9,名稱為"移動(dòng)潛器目標(biāo)定位識(shí) 別系統(tǒng)"給出了一種方案，該方案通過(guò)浮標(biāo)和移動(dòng)潛器的相互配合以完成水下移動(dòng)目標(biāo)定 位。其中，移動(dòng)潛器通過(guò)浮標(biāo)獲取自身位置信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)的定位。但上述 方法中，浮標(biāo)的使用降低了整個(gè)定位系統(tǒng)的靈活性，并且浮標(biāo)很容易受到水下及水面生物 的干擾。一旦浮標(biāo)和移動(dòng)潛器的通信中斷，移動(dòng)潛器的位置信息將很難實(shí)時(shí)獲取，導(dǎo)致水下 目標(biāo)定位精度降低甚至失效。此外，移動(dòng)潛器的造價(jià)極其昂貴，難以規(guī)模化部署。
[0004] 另外，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01210098315.5，名稱為"一種水下目標(biāo)三維定位方法" 的專利文件給出了另一種方案，該方案通過(guò)分布式陣列接收水下目標(biāo)發(fā)射的脈沖信號(hào)，進(jìn) 而利用球面交匯算法得到水下移動(dòng)目標(biāo)的位置信息?？墒?，上述方法假設(shè)球面交匯存在交 匯點(diǎn)，而忽視了水下環(huán)境中傳播延時(shí)、生物干擾等因素帶來(lái)的定位信息不準(zhǔn)確影響，從而使 得定位方程可能出現(xiàn)多個(gè)解或無(wú)解情況，導(dǎo)致定位信息不能獲取。因此，如何利用水聲傳感 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法，以避免區(qū)域出現(xiàn)多個(gè)解或無(wú)解 現(xiàn)象，成為亟待解決的難點(diǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明目的在于提供一種定位準(zhǔn)確、方法簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛的面向水下移動(dòng)目標(biāo)精 確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案:本發(fā)明所述算法包括以下步驟：
[0007] 步驟1，在監(jiān)測(cè)水域，隨機(jī)部署多個(gè)具有感知功能的水下傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器 節(jié)點(diǎn)上配置深度探測(cè)器;所有水下傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)水聲通信方式自主通信，組成水聲傳感 器網(wǎng)絡(luò);設(shè)定水下傳感器節(jié)點(diǎn)在初始時(shí)處于休眠狀態(tài)，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的激活閾值為TD;
[0008] 步驟2，當(dāng)水下移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入水下傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)區(qū)域后，由于水下移動(dòng)目標(biāo)自 身具有的聲源級(jí)強(qiáng)度TS在傳播過(guò)程中存在傳播損失TL，且受到水下環(huán)境噪聲N的影響，當(dāng)被 周期性監(jiān)測(cè)的休眠狀態(tài)的水下傳感器節(jié)點(diǎn)感知后，若滿足TS-TL-N多TD，表明水下移動(dòng)目標(biāo) 能夠被該水下傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)到，此時(shí)水下傳感器節(jié)點(diǎn)由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為激活狀態(tài);反之，水 下傳感器節(jié)點(diǎn)仍然保持休眠狀態(tài)；
[0009] 步驟3,對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位;被激活的水下傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有標(biāo)記的聲波 信號(hào)，記發(fā)射時(shí)刻為tsl，當(dāng)聲波信號(hào)遇到水下移動(dòng)目標(biāo)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，經(jīng)過(guò)反射后的信號(hào)再 次被該水下傳感器節(jié)點(diǎn)接收的時(shí)刻記為ts2，由回聲定位原理即可得到該水下傳感器節(jié)點(diǎn)到 水下移動(dòng)目標(biāo)的距離di;
[0010] 步驟4,其他被激活的傳感器節(jié)點(diǎn)同樣執(zhí)行步驟3,且選定一個(gè)剩余能量最高的水 下傳感器節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)處理中心，其他水下傳感器節(jié)點(diǎn)將獲取的水下移動(dòng)目標(biāo)信息發(fā)送給 作為數(shù)據(jù)處理中心的水下傳感器節(jié)點(diǎn)；根據(jù)三角測(cè)量法，三維空間的的目標(biāo)定位需要四組 不同的數(shù)據(jù)，通過(guò)解方程組可獲得目標(biāo)位置( Xl，y:，z:，cU);
[0011] 步驟5,由于水下環(huán)境中傳播延時(shí)、生物干擾等因素帶來(lái)的定位信息不準(zhǔn)確影響， 使得目標(biāo)位置信息^^，^，(^不可避免的存在定位誤差龍而使得利用三角測(cè)量法求解 方程組時(shí)，可能出現(xiàn)相交區(qū)域、唯一解、多解三種情況;其中，唯一解和多解的情況忽略不 計(jì);對(duì)于出現(xiàn)相交區(qū)域的情況，通過(guò)把相交區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)帶入一個(gè)衡量定位方程組定位精度 高低的代價(jià)函數(shù)中進(jìn)行計(jì)算，函數(shù)值越小說(shuō)明對(duì)應(yīng)點(diǎn)與實(shí)際水下移動(dòng)目標(biāo)位置的近似程度 越高，將函數(shù)最小值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)看做最優(yōu)解，作為此時(shí)刻定位方程組得到的水下移動(dòng)目標(biāo) 的位置信息;在每一時(shí)刻水下傳感器節(jié)點(diǎn)都能夠獲得水下移動(dòng)目標(biāo)的位置信息；為了滿足 數(shù)據(jù)采集的需要，水下傳感器節(jié)點(diǎn)將獲得的水下移動(dòng)目標(biāo)位置信息發(fā)送給水面控制中心；
[0012] 步驟6，若被激活的水下傳感器節(jié)點(diǎn)在連續(xù)的五個(gè)周期內(nèi)不滿足TS-TL-N多TD，水 下傳感器節(jié)點(diǎn)重新回到休眠狀態(tài);反之，水下傳感器節(jié)點(diǎn)繼續(xù)工作；當(dāng)水下移動(dòng)目標(biāo)再次進(jìn) 入監(jiān)測(cè)水域時(shí)，重復(fù)步驟2。
[0013] 進(jìn)一步的，在步驟1中，為獲取水下傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，使用3個(gè)移動(dòng)潛器作為 聯(lián)系全球定位系統(tǒng)GPS和水下傳感器節(jié)點(diǎn)的中間量;首先全球定位系統(tǒng)GPS對(duì)水面移動(dòng)潛器 進(jìn)行定位，之后移動(dòng)潛器垂直下沉到水下，利用到達(dá)時(shí)間差理論來(lái)獲取水下傳感器節(jié)點(diǎn)X軸 和 y軸坐標(biāo)信息，從而使水下傳感器節(jié)點(diǎn)擁有自身的位置信息(Xl，yi，Zl)。
[0014] 進(jìn)一步的，在步驟1中，激活閾值TD可定義為：
[0015] TD = TS-TLm-N
[0016] 上式中，TS為水下移動(dòng)目標(biāo)的聲源級(jí)強(qiáng)度，可根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的需要設(shè)定在一個(gè)區(qū) 域;N是水下環(huán)境噪聲，滿足101(^~(〇 = 50+7.5〇1/2+201(^卜401(^(€+0.4)，其中€為噪聲 頻率，ω為水表風(fēng)速；以水下傳感器半徑作為傳輸距離而產(chǎn)生的傳播損失TL m可以表示成如 下形式TLm=201ogr+ar · 10-3,其中r為水下傳感器的感應(yīng)半徑，α為水下環(huán)境中聲波的衰減 系數(shù)。
[0017] 進(jìn)一步的，在步驟3中，水下傳感器節(jié)點(diǎn)i與探測(cè)目標(biāo)之間的距離di表示為：
[0018] di= (ts2-tsi)vw/2
[0019] 式中，Vw為水下聲速，一般取vw~1500m/sec〇
[0020] 進(jìn)一步的，在步驟4中，若激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)i的剩余能量最高，水下傳感器節(jié)點(diǎn) j、k、1將自身的信息發(fā)送給水下傳感器節(jié)點(diǎn)i，利用如下所示的方程組來(lái)求解目標(biāo)位置
[0021]
[0022] 式中（x，y，z)為水下移動(dòng)目標(biāo)的位置坐標(biāo);激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)i、j、k、l的坐標(biāo)信 息分別為(xi，yi，zi)、（xj，yj，zj)、（xk，yk，zk)、Ui，yi，zi)，并且對(duì)應(yīng)的水下傳感器節(jié)點(diǎn)到目 標(biāo)的距離分別為di，dj，dk，di。
[0023] 進(jìn)一步的，在步驟5中，衡量定位方程組定位精度高低的代價(jià)函數(shù)定義為：
[0024]
[0025] 式中，△作為衡量指標(biāo)，它的大小代表了定位方程組定位精度的高低；（x，y，z)為4 個(gè)球面方程的相交區(qū)域內(nèi)的點(diǎn);H={i，j，k，l}是定位方程中使用的激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)的 集合；（ Xm，ym，Zm)代表了所使用的激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo);dm為激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)所 探測(cè)到的自身到水下移動(dòng)目標(biāo)之間的距離;通過(guò)對(duì)相交區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行逐一檢驗(yàn)，分別獲 得對(duì)應(yīng)△，△越小說(shuō)明此時(shí)定位方程組的精度越高，該點(diǎn)越接近于激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)獲 得的移動(dòng)目標(biāo)信息所描述的實(shí)際目標(biāo)位置。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0027] 1、使用移動(dòng)潛器和傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同監(jiān)測(cè)，以獲取水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置信息，通過(guò)選 定一個(gè)剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)處理中心，從而減小了由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿娑a(chǎn)生的 通信能耗，延長(zhǎng)了傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。
[0028] 2、針對(duì)目標(biāo)定位方程解的問(wèn)題設(shè)計(jì)了區(qū)域最優(yōu)解算法，提高了整個(gè)移動(dòng)目標(biāo)定位 過(guò)程的數(shù)據(jù)利用率，提高了定位精度。
[0029] 3、水下傳感器節(jié)點(diǎn)的引入，提高了整個(gè)移動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)的靈活性，并且在復(fù)雜 環(huán)境中的適應(yīng)性更強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是本發(fā)明方法的流程圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明方法中表示方程組存在唯一解時(shí)可能出現(xiàn)的效果圖。
[0032] 圖3是本發(fā)明方法中表示方程組有多個(gè)解的效果圖。
[0033] 圖4是本發(fā)明方法中表示方程組無(wú)解的兩種表述的效果圖。
[0034] 其中，圖2-a中A點(diǎn)和2-b中的B點(diǎn)代表定位方程組的唯一解。
[0035] 圖3-a中整個(gè)球面都為定位方程組的解，而3-b中C點(diǎn)和D點(diǎn)代表了定位方程組的 解。
[0036] 圖4-a中能獲得4個(gè)球的相交區(qū)域E，4-b中的區(qū)域F和G為3個(gè)球的公共區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步說(shuō)明：
[0038] 如圖1所示，本發(fā)明所述算法包括以下步驟：
[0039] 步驟1，在監(jiān)測(cè)水域，隨機(jī)部署多個(gè)具有感知功能的水下傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器 節(jié)點(diǎn)上配置深度探測(cè)器，以保證能夠獲得水下傳感器節(jié)點(diǎn)的垂直坐標(biāo)。所有水下傳感器節(jié) 點(diǎn)通過(guò)水聲通信方式自主通信，組成水聲傳感器網(wǎng)絡(luò);為獲取水下傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息， 使用3個(gè)移動(dòng)潛器作為聯(lián)系全球定位系統(tǒng)GPS和水下傳感器節(jié)點(diǎn)的中間量;首先全球定位系 統(tǒng)GPS對(duì)水面移動(dòng)潛器進(jìn)行定位，之后移動(dòng)潛器垂直下沉到水下，利用到達(dá)時(shí)間差TD0A理論 來(lái)獲取水下傳感器節(jié)點(diǎn)X軸和y軸坐標(biāo)信息，從而使水下傳感器節(jié)點(diǎn)擁有自身的位置信息 ( Xl，yi，Zl)。設(shè)定水下傳感器節(jié)點(diǎn)在初始時(shí)處于休眠狀態(tài)，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的激活閾值為 TD；
[0040] 處于休眠狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)的激活閾值TD按如下方法進(jìn)行設(shè)定：
[0041] TD = TS-TLm-N
[0042] 上式中，TS為水下移動(dòng)目標(biāo)的聲源級(jí)強(qiáng)度，可根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的需要設(shè)定在一個(gè)區(qū) 域;N是水下環(huán)境噪聲，滿足101(^~(〇 = 50+7.5〇1/2+201(^卜401(^(€+0.4)，其中€為噪聲 頻率，ω為水表風(fēng)速；以水下傳感器半徑作為傳輸距離而產(chǎn)生的傳播損失TL m可以表示成如 下形式TLm=201ogr+ar · 10-3,其中r為水下傳感器的感應(yīng)半徑，α為水下環(huán)境中聲波的衰減 系數(shù)。
[0043] 步驟2，當(dāng)水下移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入水下傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)區(qū)域后，由于水下移動(dòng)目標(biāo)自 身具有的聲源級(jí)強(qiáng)度TS在傳播過(guò)程中存在傳播損失TL，且受到水下環(huán)境噪聲Ν的影響，當(dāng)被 周期性監(jiān)測(cè)的休眠狀態(tài)的水下傳感器節(jié)點(diǎn)感知后，若滿足TS-TL-N多TD，表明水下移動(dòng)目標(biāo) 能夠被該水下傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)到，此時(shí)水下傳感器節(jié)點(diǎn)由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為激活狀態(tài);反之，水 下傳感器節(jié)點(diǎn)仍然保持休眠狀態(tài)；
[0044] 步驟3,對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位;被激活的水下傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有標(biāo)記的聲波 信號(hào)，記發(fā)射時(shí)刻為tsl，當(dāng)聲波信號(hào)遇到水下移動(dòng)目標(biāo)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，經(jīng)過(guò)反射后的信號(hào)再 次被該水下傳感器節(jié)點(diǎn)接收的時(shí)刻記為ts2，由回聲定位原理即可得到該水下傳感器節(jié)點(diǎn)到 水下移動(dòng)目標(biāo)的距離di;
[0045] 水下傳感器節(jié)點(diǎn)i與探測(cè)目標(biāo)之間的距離di表示為：
[0046] di= (ts2-tsi)vw/2
[0047] 式中，Vw為水下聲速，一般取Vw^^lSOOm/seCo
[0048] 步驟4,其他被激活的傳感器節(jié)點(diǎn)同樣執(zhí)行步驟3,為了避免由數(shù)據(jù)上傳至水面控 制中心而帶來(lái)的通信損耗，選定一個(gè)剩余能量最高的水下傳感器節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)處理中心， 其他水下傳感器節(jié)點(diǎn)將獲取的水下移動(dòng)目標(biāo)信息發(fā)送給作為數(shù)據(jù)處理中心的水下傳感器 節(jié)點(diǎn);假設(shè)激活節(jié)點(diǎn)i的剩余能量最高，其他激活節(jié)點(diǎn)j，k，1將自身的信息發(fā)送給節(jié)點(diǎn)i，進(jìn) 而根據(jù)三角測(cè)量法，三維空間的目標(biāo)定位需要四組不同的數(shù)據(jù)信息，利用如下所示的方程 組來(lái)求解目標(biāo)位置：
[0049]
[0050] 式中（x，y，z)為水下移動(dòng)目標(biāo)的位置坐標(biāo);激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)i、j、k、l的坐標(biāo)信 息分別為(Xi，yi，Zi)、（Xj，yj，zj)、（Xk，yk，Zk)、Ui，yi，zi)，并且對(duì)應(yīng)的水下傳感器節(jié)點(diǎn)到目 標(biāo)的距離分別為di，dj，dk，di。
[0051 ]步驟5，考慮到上述過(guò)程中的（Xi，yi，Zi，di)，由于水下環(huán)境中傳播延時(shí)、生物干擾 等因素帶來(lái)的定位信息不準(zhǔn)確影響，使得其不可避免的存在定位誤差，進(jìn)而使得利用三角 測(cè)量法求解方程組時(shí)，可能出現(xiàn)唯一解，多個(gè)解，以及相交區(qū)域無(wú)解三種情況如圖2，圖3，圖 4所示。唯一解即可認(rèn)為是可接受的目標(biāo)位置，但由于噪聲影響使得實(shí)際中類似圖2的情況 出現(xiàn)的幾率很低;多個(gè)解的出現(xiàn)直接能夠說(shuō)明四個(gè)球面方程(x-xW+b-yW+U-zJzcU 2 存在類似圖3所示的重合，而在實(shí)際中這種情況也很少出現(xiàn);在實(shí)際中大量出現(xiàn)的是類似圖 4-a中的區(qū)域E和圖4-b中的區(qū)域F和G的相交區(qū)域。若僅僅認(rèn)為唯一解和多個(gè)解是定位方程 的解而忽視實(shí)際中大量出現(xiàn)的相交區(qū)域的情況，那么在整個(gè)移動(dòng)目標(biāo)的定位過(guò)程中，很多 時(shí)刻目標(biāo)的位置信息將得不到。基于此，本發(fā)明定義了區(qū)域最優(yōu)解來(lái)解決出現(xiàn)的相交區(qū)域 的情況，通過(guò)把相交區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)帶入一個(gè)衡量定位方程組定位精度高低的代價(jià)函數(shù)中進(jìn)行 計(jì)算，函數(shù)值越小說(shuō)明對(duì)應(yīng)點(diǎn)與實(shí)際水下移動(dòng)目標(biāo)位置的近似程度越高，將函數(shù)最小值所 對(duì)應(yīng)的點(diǎn)看做最優(yōu)解，作為此時(shí)刻定位方程組得到的水下移動(dòng)目標(biāo)的位置信息;在每一時(shí) 刻水下傳感器節(jié)點(diǎn)都能夠獲得水下移動(dòng)目標(biāo)的位置信息；為了滿足數(shù)據(jù)采集的需要，水下 傳感器節(jié)點(diǎn)將獲得的水下移動(dòng)目標(biāo)位置信息發(fā)送給水面控制中心；
[0052]代價(jià)函數(shù)定義為：
[0053] mtn
[0054] 其中，△作為衡量指標(biāo)，它的大小反映了定位方程組定位精度的高低，（x，y，z)為 四個(gè)球面方程的相交區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)，H={i，j，k，l}是定位方程中使用的激活節(jié)點(diǎn)的集合， ( Xm，ym，Zm)代表了所使用的激活節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，dm是激活傳感器節(jié)點(diǎn)所探測(cè)到的自身與水下 移動(dòng)目標(biāo)目標(biāo)的距離。通過(guò)對(duì)相交區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行逐一檢驗(yàn)，分別獲得對(duì)應(yīng)的△，△越小說(shuō) 明此時(shí)定位方程組的精度越高，該點(diǎn)越接近于由激活傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的移動(dòng)目標(biāo)信息所描 述的目標(biāo)真實(shí)位置。對(duì)于相交區(qū)域，主要考慮的是如圖4-a和圖4-b所示的至少3個(gè)球相交的 情況，此時(shí)使用區(qū)域最優(yōu)解算法得到的結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確;而對(duì)于2個(gè)球相交的情況，由于使用 的激活傳感器的數(shù)據(jù)少，采用區(qū)域最優(yōu)解得到的結(jié)果的準(zhǔn)確性有所下降。區(qū)域最優(yōu)解的實(shí) 質(zhì)是利用所得到的數(shù)據(jù)信息，在既定區(qū)域內(nèi)找到能夠最大程度上滿足所得數(shù)據(jù)要求的最優(yōu) 解。
[0055] 通過(guò)在定位方程求解過(guò)程中使用區(qū)域最優(yōu)解算法，提高了數(shù)據(jù)利用率，同時(shí)也保 證了每一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)都能夠得到目標(biāo)的定位信息。經(jīng)過(guò)區(qū)域最優(yōu)解算法處理之后，為了滿足 數(shù)據(jù)采集的需要，激活傳感器節(jié)點(diǎn)將其得到的信息發(fā)送給水面控制中心。
[0056]步驟6,若被激活的水下傳感器節(jié)點(diǎn)在連續(xù)五個(gè)周期內(nèi)不滿足TS-TL-N多TD，水下 傳感器節(jié)點(diǎn)重新回到休眠狀態(tài);反之，水下傳感器節(jié)點(diǎn)繼續(xù)工作；當(dāng)水下移動(dòng)目標(biāo)再次進(jìn)入 監(jiān)測(cè)水域時(shí)，重復(fù)步驟2。
[0057] 實(shí)施例一：在激活傳感器節(jié)點(diǎn)獲得目標(biāo)信息后可建立定位方程組，若方程組可獲 得唯一解或多個(gè)解時(shí)，通過(guò)相關(guān)條件限制可以求得目標(biāo)位置。當(dāng)出現(xiàn)相交區(qū)域時(shí)，采用區(qū)域 最優(yōu)解算法，首先求出相交區(qū)域的范圍，記為V，將V內(nèi)的點(diǎn)依次帶入下式：
[0058]
[0059] 通過(guò)比較V區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)求得的Λ值，Δ min對(duì)應(yīng)的可認(rèn)為是滿足定 位方程組要求的最優(yōu)目標(biāo)位置。
[0060] 通過(guò)上述設(shè)定可以看出，區(qū)域最優(yōu)解的實(shí)質(zhì)是利用激活傳感器節(jié)點(diǎn)所得到的目標(biāo) 信息，在既定的限制條件下找到能夠最大程度的滿足數(shù)據(jù)描述的結(jié)果。區(qū)域最優(yōu)解的使用， 使定位系統(tǒng)在每一時(shí)刻都能夠得到目標(biāo)的定位信息，提高了整個(gè)定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)利用率， 定位精度隨之提高。
[0061] 以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范 圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法，其特征在于，所述算法包括W 下步驟： 步驟1，在監(jiān)測(cè)水域，隨機(jī)部署多個(gè)具有感知功能的水下傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) 上配置深度探測(cè)器;所有水下傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)水聲通信方式自主通信，組成水聲傳感器網(wǎng) 絡(luò);設(shè)定水下傳感器節(jié)點(diǎn)在初始時(shí)處于休眠狀態(tài)，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的激活闊值為TD; 步驟2，當(dāng)水下移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入水下傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)區(qū)域后，由于水下移動(dòng)目標(biāo)自身具 有的聲源級(jí)強(qiáng)度TS在傳播過(guò)程中存在傳播損失化，且受到水下環(huán)境噪聲N的影響，當(dāng)被周期 性監(jiān)測(cè)的休眠狀態(tài)的水下傳感器節(jié)點(diǎn)感知后，若滿足TS-TL-N>TD，表明水下移動(dòng)目標(biāo)能夠 被該水下傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)到，此時(shí)水下傳感器節(jié)點(diǎn)由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為激活狀態(tài);反之，水下傳 感器節(jié)點(diǎn)仍然保持休眠狀態(tài)； 步驟3,對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位;被激活的水下傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有標(biāo)記的聲波信 號(hào)，記發(fā)射時(shí)刻為tsl，當(dāng)聲波信號(hào)遇到水下移動(dòng)目標(biāo)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，經(jīng)過(guò)反射后的信號(hào)再次 被該水下傳感器節(jié)點(diǎn)接收的時(shí)刻記為ts2,由回聲定位原理即可得到該水下傳感器節(jié)點(diǎn)到水 下移動(dòng)目標(biāo)的距離di; 步驟4,其他被激活的傳感器節(jié)點(diǎn)同樣執(zhí)行步驟3,且選定一個(gè)剩余能量最高的水下傳 感器節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)處理中屯、，其他水下傳感器節(jié)點(diǎn)將獲取的水下移動(dòng)目標(biāo)信息發(fā)送給作為 數(shù)據(jù)處理中屯、的水下傳感器節(jié)點(diǎn)；根據(jù)Ξ角測(cè)量法，Ξ維空間的的目標(biāo)定位需要四組不同 的數(shù)據(jù)，通過(guò)解方程組可獲得目標(biāo)位置(XI，yi，zi，di); 步驟5,由于水下環(huán)境中傳播延時(shí)、生物干擾等因素帶來(lái)的定位信息不準(zhǔn)確影響，使得 目標(biāo)位置信息(Xl，yl，Zl，dl)不可避免的存在定位誤差，進(jìn)而使得利用ミ角測(cè)量法求解方程 組時(shí)，可能出現(xiàn)相交區(qū)域、唯一解、多解Ξ種情況;其中，唯一解和多解的情況忽略不計(jì);對(duì) 于出現(xiàn)相交區(qū)域的情況，通過(guò)把相交區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)帶入一個(gè)衡量定位方程組定位精度高低的 代價(jià)函數(shù)中進(jìn)行計(jì)算，函數(shù)值越小說(shuō)明對(duì)應(yīng)點(diǎn)與實(shí)際水下移動(dòng)目標(biāo)位置的近似程度越高， 將函數(shù)最小值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)看做最優(yōu)解，作為此時(shí)刻定位方程組得到的水下移動(dòng)目標(biāo)的位置 信息;在每一時(shí)刻水下傳感器節(jié)點(diǎn)都能夠獲得水下移動(dòng)目標(biāo)的位置信息；為了滿足數(shù)據(jù)采 集的需要，水下傳感器節(jié)點(diǎn)將獲得的水下移動(dòng)目標(biāo)位置信息發(fā)送給水面控制中屯、； 步驟6,若被激活的水下傳感器節(jié)點(diǎn)在連續(xù)的五個(gè)周期內(nèi)不滿足TS-TkN>TD，水下傳 感器節(jié)點(diǎn)重新回到休眠狀態(tài);反之，水下傳感器節(jié)點(diǎn)繼續(xù)工作；當(dāng)水下移動(dòng)目標(biāo)再次進(jìn)入監(jiān) 測(cè)水域時(shí)，重復(fù)步驟2。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法，其特征 在于:在步驟1中，為獲取水下傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，使用3個(gè)移動(dòng)潛器作為聯(lián)系全球定位 系統(tǒng)GPS和水下傳感器節(jié)點(diǎn)的中間量;首先全球定位系統(tǒng)GPS對(duì)水面移動(dòng)潛器進(jìn)行定位，之 后移動(dòng)潛器垂直下沉到水下，利用到達(dá)時(shí)間差理論來(lái)獲取水下傳感器節(jié)點(diǎn)X軸和y軸坐標(biāo)信 息，從而使水下傳感器節(jié)點(diǎn)擁有自身的位置信息(XI，yi，zi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法，其特征 在于，在步驟1中，激活闊值TD可定義為： TD = TS-TLm-N 上式中，TS為水下移動(dòng)目標(biāo)的聲源級(jí)強(qiáng)度，可根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的需要設(shè)定在一個(gè)區(qū)域;N 是水下環(huán)境噪聲，滿足101〇gN(f) =50巧.5 ω 1/2+2010奸-401og(f+0.4)，其中f為噪聲頻率， ω為水表風(fēng)速；W水下傳感器半徑作為傳輸距離而產(chǎn)生的傳播損失TLm可W表示成如下形 式化m = 201ogr+ar · 1〇-3,其中r為水下傳感器的感應(yīng)半徑，α為水下環(huán)境中聲波的衰減系 數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法，其特征 在于:在步驟3中，水下傳感器節(jié)點(diǎn)i與探測(cè)目標(biāo)之間的距離di表示為： di= (ts2-tsl)Vw/2 式中，Vw為水下聲速，一般取Vw>1500m/sec。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法，其特征 在于:在步驟4中，若激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)i的剩余能量最高，水下傳感器節(jié)點(diǎn)j、k、1將自身 的信息發(fā)送給水下傳感器節(jié)點(diǎn)i，利用如下所示的方程組來(lái)求解目標(biāo)位置式中（x，y，z)為水下移動(dòng)目標(biāo)的位置坐標(biāo);激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)i、j、k、l的坐標(biāo)信息分 別為（xi，yi，zi)、（xj，yj，zj)、（xk，yk，zk)、（xl，yl，zl)，并且對(duì)應(yīng)的水下傳感器節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)的 距離分別為di，dj，dk，di。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向水下移動(dòng)目標(biāo)精確定位的區(qū)域最優(yōu)解算法，其特征 在于，在步驟5中，衡量定位方程組定位精度高低的代價(jià)函數(shù)定義為：式中，Δ作為衡量指標(biāo)，它的大小代表了定位方程組定位精度的高低；（x，y，z)為4個(gè)球 面方程的相交區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)；H={i，j，k，1}是定位方程中使用的激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)的集 合；（Xm，ym，Zm)代表了所使用的激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo);dm為激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)所探 測(cè)到的自身到水下移動(dòng)目標(biāo)之間的距離;通過(guò)對(duì)相交區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行逐一檢驗(yàn)，分別獲得 對(duì)應(yīng)Δ，Δ越小說(shuō)明此時(shí)定位方程組的精度越高，該點(diǎn)越接近于激活水下傳感器節(jié)點(diǎn)獲得 的移動(dòng)目標(biāo)信息所描述的實(shí)際目標(biāo)位置。
【文檔編號(hào)】G01S15/06GK105974419SQ201610223643
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】閆敬, 頊自強(qiáng), 羅小元, 關(guān)新平
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)