基于一致性估计与休眠调度的水下目标协同追踪方法技术

一种基于一致性估计与休眠调度的水下目标协同追踪方法，包括以下步骤：部署两类水下传感器节点，设定节点初始时刻处于具有低频反射探测功能的休眠状态；休眠传感器节点周期性判断是否转为激活状态；进入唤醒状态的传感器，发送水声脉冲信号对目标进行探测，进而确定目标位置；为得到精确度较高的目标位置信息，对两类节点的观测信息进行一致性估计；根据预测到的目标运动轨迹，动态激活处于目标预测路径区域的传感器，并设定这些节点的工作循环周期与占空比，同时水下动态传感器动态调整位置以实现对目标持续、动态跟踪。本发明专利技术具有提高目标追踪的精度、减少能量消耗、延长网络的寿命等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于一致性估计与休眠调度的水下目标协同追踪方法
本专利技术涉及水声传感器智能控制
，尤其是一种基于一致性估计与休眠调度的水下目标协同追踪方法。
技术介绍
水下移动目标追踪系统旨在及时发现目标、获取数据信息以实现对可疑移动目标的追踪，对于维护我国海洋权益和保障资源探索具有重要现实意义。如何利用水声传感器，通过水声通信构建高效联合的动态网络，成为构建水下移动目标追踪系统的关键。从现有技术中检索发现，中国专利申请号为201410577717.2，名称为：一种鲁棒的水下传感器网络目标跟踪方法，该方法利用正态逆伽马分布模型对测量偏置和费高斯随机测量噪声进行建模，以满足水声噪声环境下目标追踪要求。但上述方法在设计估计策略时候，并没有进行协同化处理。由于水下监测区域较大，且复杂的水下环境使得传感器感知的数据存在较大的偏差。如果将监测信息直接传给指挥中心，而不对数据信息进行协同化处理，那么一方面会影响指挥中心的正确判断，可能造成严重的后果；另一方面也会增加节点的通信消耗，加重水声信道的负载。再有，中国专利申请号为201310040486.7，名称为：一种基于水下无线传感器网络的弱目标跟踪方法，该方法使用粒子滤波算法对水下目标的位置和方差信息进行协同化处理，有效提高了水下目标跟踪的稳定性和精度。然而，上述方法中，传感器节点需要一直处于工作扫描状态。水声通信能耗大以及水下设备更换电池困难等不可避免的特点，决定了有必要结合水下目标运动特性对传感器节点设计一种休眠调度策略以节约能耗，进而延长追踪系统寿命。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种追踪精度高、减少能量消耗、提高目标检测自主性的基于一致性估计与休眠调度的水下目标协同追踪方法。为实现上述目的，本专利技术所述方法包括以下步骤：(1)在给定监测水域范围内，部署多个具有感知功能且不自主移动的水下静态传感器节点，另外再部署具有中继功能且可自主移动的水下动态传感器节点；两类传感器节点通过水声通信方式进行组网，形成水声传感器网络，两类水下传感器节点利用定位技术获取自身节点位置；设置所有传感器节点在初始时刻处于休眠状态，设定休眠状态的传感器节点激活阈值为DT，休眠状态的传感器节点具有低频反射探测功能；(2)当待测目标进入监测水域内，水下静态和动态传感器节点低频发射的探测水声信号在遇到待测目标时将发生反射，传感器节点接收待测目标反射回来的信号并计算信号等级强度IL，通过信号等级强度IL与该传感器节点的激活阈值DT进行比较，若IL-N≥DT，则表明待测目标存在，传感器节点由休眠状态转为唤醒状态；反之，传感器节点仍处在休眠状态；式中，N表示环境噪声；(3)进入唤醒状态的水下静态传感器节点，发送水声脉冲信号，该水声脉冲信号含有区别水声脉冲的脉冲标志l以及脉冲发射时间标记t1；当水声脉冲信号遇到待测目标时将发生反射，反射回的信号又被该水下静态传感器节点接收，记录此时的时间标记t2，根据回声原理，确定该水下静态传感器节点与水下待测目标之间的距离；(4)探测到目标的其它水下静态传感器节点均执行步骤(3)，并进行信息交互，根据三角测量法，由四组不同的数据建立四个等式，即可确定待测目标的位置；(5)对水下静态传感器节点和动态传感器节点的观测信息进行一致性估计，解决由于水声噪声等不确定因素引起的待测目标位置信息观测偏差大的问题，得到精确性更高的目标位置信息；(6)根据目标位置信息，对待测目标的运动状态进行预测，根据预测到的目标运动轨迹，动态激活处于目标预测路径区域的传感器节点，并设定这些传感器节点的工作循环周期与占空比；如果被激活的传感器节点在设定时间内均探测不到待测目标，则该被激活的传感器节点重新恢复为休眠状态，并重新执行步骤(1)；如果被激活的传感器节点在设定时间内能够探测到待测目标，则继续保持激活状态并获取待测目标信息。所述步骤(1)中，所述休眠传感器节点的激活阈值DT的设定方法如下：考虑水声信号在水下的传播损失以及水下噪声的影响，可根据静态传感器节点的探测半径设置探测阈值DT＝SL-PLmax-Nmax，式中，SL为待测目标处的源强度等级，可根据目标监测需要设定为监测波段内的一个辐射强度；PLmax为水声脉冲传播损失PL的最大值；Nmax为水下噪音N的最大值；水声脉冲传播损失PL定义为PL＝20logr+ar·10-3，式中，α为水下声波的衰减系数，r是待测目标与传感器节点之间的相对距离；根据传感器传感半径可以求得水声脉冲传播损失最大值；水下噪声N定义为10logN(f)＝50+7.5ω1/2+20logf-40log(f+0.4)，式中，ω为水表风速，f为噪声频率。所述步骤(3)中，水下静态传感器节点i与水下待测目标之间的距离di表示为：(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2＝di2式中，(xi,yi,zi)和(x0,y0,z0)分别表示水下静态传感器节点i与水下待测目标的位置坐标。所述步骤(5)中，所述一致性估计算法的表示如下：对于水下静态传感器节点i，待测目标的位置信息估计过程为式中，ζi(k+1)与ζi(k)分别表示水下静态传感器节点i在时刻tk+1与tk对待测目标位置信息的估计值；ρ(k)>0表示观测增益；β>0表示估计增益；为水下静态传感器节点i在tk时刻对目标位置信息的探测值；表示水下静态传感器节点i感知区域内静态节点的集合；表示水下静态传感器节点i感知区域内动态节点的集合；aij是水下静态传感器节点i与感知区域内水下静态传感器节点j间的信息传递系数，如果水下静态传感器节点i可以接收水下静态传感器节点j的信息，则aij＝1，反之，aij＝0；是水下静态传感器节点i与感知区域内水下动态传感器节点jn间的信息传递系数，如果水下静态传感器节点i可以接收水下动态传感器节点jn的信息，则反之，ζj(k)代表水下静态传感器节点j在tk时刻对目标位置信息的探测值；代表水下动态传感器节点jn在tk时刻对目标位置信息的中继值；对于水下动态传感器节点jn，目标位置信息的中继值可定义为式中，动态传感器节点jn感知区域内的水下静态与动态传感器节点分别表示为m1与m2；代表水下静态传感器节点m1在tk时刻对目标位置信息的探测值；代表水下动态传感器节点m2在tk时刻对目标位置信息的中继值；表示水下动态传感器节点jn感知区域内静态节点的集合；表示水下动态传感器节点jn感知区域内动态节点的集合；与是非负权重，且满足所述步骤(6)中，被激活传感器节点的工作循环周期取值方法如下：根据待测目标的运动，得目标在水下静态传感器节点i感知区域的运动时间t＝([(xenter-xexist)2+(yenter-yexist)2+(zenter-zexist)2]1/2)/Vt式中，(xenter,yenter,zenter)和(xexist,yexist,zexist)分别表示待测目标进入和离开水下静态传感器节点i感知区域的坐标；Vt表示水下目标移动速度；设定工作循环周期为待测目标在传感器区域运动时间的1/4，即τ＝t/4。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、两类传感器节点协同参与监测，采用一致性估计方法，解决水声噪声等不确定因素引起的目标位置信息观测偏差大等问题，提高目标追踪精度。2、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于一致性估计与休眠调度的水下目标协同追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在给定监测水域范围内，部署多个具有感知功能且不自主移动的水下静态传感器节点，另外再部署具有中继功能且可自主移动的水下动态传感器节点；两类传感器节点通过水声通信方式进行组网，形成水声传感器网络，两类水下传感器节点利用定位技术获取自身节点位置；设置所有传感器节点在初始时刻处于休眠状态，设定休眠状态的传感器节点激活阈值为DT，休眠状态的传感器节点具有低频反射探测功能；(2)当待测目标进入监测水域内，水下静态和动态传感器节点低频发射的探测水声信号在遇到待测目标时将发生反射，传感器节点接收待测目标反射回来的信号并计算信号等级强度IL，通过信号等级强度IL与该传感器节点的激活阈值DT进行比较，若IL‑N≥DT，则表明待测目标存在，传感器节点由休眠状态转为唤醒状态；反之，传感器节点仍处在休眠状态；式中，N表示环境噪声；(3)进入唤醒状态的水下静态传感器节点，发送水声脉冲信号，该水声脉冲信号含有区别水声脉冲的脉冲标志l以及脉冲发射时间标记t1；当水声脉冲信号遇到待测目标时将发生反射，反射回的信号又被该水下静态传感器节点接收，记录此时的时间标记t2，根据回声原理，确定该水下静态传感器节点与水下待测目标之间的距离；(4)探测到目标的其它水下静态传感器节点均执行步骤(3)，并进行信息交互，根据三角测量法，由四组不同的数据建立四个等式，即可确定待测目标的位置；(5)对水下静态传感器节点和动态传感器节点的观测信息进行一致性估计，解决由于水声噪声等不确定因素引起的待测目标位置信息观测偏差大的问题，得到精确性更高的目标位置信息；(6)根据目标位置信息，对待测目标的运动状态进行预测，根据预测到的目标运动轨迹，动态激活处于目标预测路径区域的传感器节点，并设定这些传感器节点的工作循环周期与占空比；如果被激活的传感器节点在设定时间内均探测不到待测目标，则该被激活的传感器节点重新恢复为休眠状态，并重新执行步骤(1)；如果被激活的传感器节点在设定时间内能够探测到待测目标，则继续保持激活状态并获取待测目标信息。...

【技术特征摘要】
1.一种基于一致性估计与休眠调度的水下目标协同追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在给定监测水域范围内，部署多个具有感知功能且不自主移动的水下静态传感器节点，另外再部署具有中继功能且能够自主移动的水下动态传感器节点；两类传感器节点通过水声通信方式进行组网，形成水声传感器网络，两类水下传感器节点利用定位技术获取自身节点位置；设置所有传感器节点在初始时刻处于休眠状态，设定休眠状态的传感器节点激活阈值为DT，休眠状态的传感器节点具有低频反射探测功能；(2)当待测目标进入监测水域内，水下静态和动态传感器节点低频发射的探测水声信号在遇到待测目标时将发生反射，传感器节点接收待测目标反射回来的信号并计算信号等级强度IL，通过信号等级强度IL与该传感器节点的激活阈值DT进行比较，若IL-N≥DT，则表明待测目标存在，传感器节点由休眠状态转为唤醒状态；反之，传感器节点仍处在休眠状态；式中，N表示环境噪声；(3)进入唤醒状态的水下静态传感器节点，发送水声脉冲信号，该水声脉冲信号含有区别水声脉冲的脉冲标志l以及脉冲发射时间标记t1；当水声脉冲信号遇到待测目标时将发生反射，反射回的信号又被该水下静态传感器节点接收，记录此时的时间标记t2，根据回声原理，确定该水下静态传感器节点与水下待测目标之间的距离；(4)探测到目标的其它水下静态传感器节点均执行步骤(3)，并进行信息交互，根据三角测量法，由四组不同的数据建立四个等式，即能够确定待测目标的位置；(5)对水下静态传感器节点和动态传感器节点的观测信息进行一致性估计，解决由于水声噪声不确定因素引起的待测目标位置信息观测偏差大的问题，得到精确性更高的目标位置信息；(6)根据目标位置信息，对待测目标的运动状态进行预测，根据预测到的目标运动轨迹，动态激活处于目标预测路径区域的传感器节点，并设定这些传感器节点的工作循环周期与占空比；如果被激活的传感器节点在设定时间内均探测不到待测目标，则该被激活的传感器节点重新恢复为休眠状态，并重新执行步骤(1)；如果被激活的传感器节点在设定时间内能够探测到待测目标，则继续保持激活状态并获取待测目标信息。2.根据权利要求1所述的基于一致性估计与休眠调度的水下目标协同追踪方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述休眠传感器节点的激活阈值DT的设定方法如下：考虑水声信号在水下的传播损失以及水下噪声的影响，能够根据静态传感器节点的探测半径设置探测阈值DT＝SL-PLmax-Nmax，式中，SL为待测目标处的源强度等级，能够根据目标监测需要设定为监测波段内的一个辐射强度；PLmax为水声脉冲传播损失PL的最大值；Nmax为水下噪音N的最大值；水声脉冲传播损失PL定义为PL＝20logr+ar·10-3，式中，α为水下声波的衰减系数，r是待测目标与传感器节点之间的相对距离；根据传感器传感半径能够求得水声脉冲传播损失最大值；水下噪声N定义为10logN(f)＝50+7.5ω1/2+20logf-40log(f+0.4)，式中，ω为水...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫敬，杨晛，张玮，关新平，罗小元，李鑫滨，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13