一种面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法制造技术

一种面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法，包括以下步骤：部署水下传感器节点，获取节点位置信息；设定节点的激活阈值，并使节点在初始时处于休眠状态；休眠节点周期性判断是否转变为激活状态；处于激活状态的节点发送带有标记的声波对目标进行探测；寻找激活节点中剩余能量最高的节点作为水下数据处理中心，接收另外三组目标信息构成定位方程组求解目标位置；定义区域最优解算法解决实际中大量出现的定位方程组出现相交区域的情况，将获得的最优解作为该时刻由定位方程组所得到的目标位置；激活节点在连续的五个周期内不满足节点的激活条件，将重新回到休眠状态。本发明专利技术具有提高传感器网络的数据利用率、定位精度高、能量消耗小等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声传感器智能控制
，尤其是一种面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法。
技术介绍
目前，水下移动目标的精确定位旨在通过水声传感器协同感知以获取水下目标准确的位置信息，可为水下入侵目标探测防御、海难打捞搜救、物种跟踪探测等应用提供理论依据与技术支撑。然而，水下复杂环境特性，如洋流、漩涡、海沟、礁石、甚至海洋突发情况(掉深)等，以及单个水声传感器节点定位范围的局限性，使得水下移动目标的定位精度普遍不高。现有技术中现，中国专利申请号为201410506360.9，名称为“移动潜器目标定位识别系统”给出了一种方案，该方案通过浮标和移动潜器的相互配合以完成水下移动目标定位。其中，移动潜器通过浮标获取自身位置信息，进而实现对水下移动目标的定位。但上述方法中，浮标的使用降低了整个定位系统的灵活性，并且浮标很容易受到水下及水面生物的干扰。一旦浮标和移动潜器的通信中断，移动潜器的位置信息将很难实时获取，导致水下目标定位精度降低甚至失效。此外，移动潜器的造价极其昂贵，难以规模化部署。另外，中国专利申请号为201210098315.5，名称为“一种水下目标三维定位方法”的专利文件给出了另一种方案，该方案通过分布式阵列接收水下目标发射的脉冲信号，进而利用球面交汇算法得到水下移动目标的位置信息。可是，
上述方法假设球面交汇存在交汇点，而忽视了水下环境中传播延时、生物干扰等因素带来的定位信息不准确影响，从而使得定位方程可能出现多个解或无解情况，导致定位信息不能获取。因此，如何利用水声传感网络，设计面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法，以避免区域出现多个解或无解现象，成为亟待解决的难点。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种定位准确、方法简单、应用广泛的面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本专利技术所述算法包括以下步骤：步骤1，在监测水域，随机部署多个具有感知功能的水下传感器节点，每个传感器节点上配置深度探测器；所有水下传感器节点通过水声通信方式自主通信，组成水声传感器网络；设定水下传感器节点在初始时处于休眠状态，水下传感器节点的激活阈值为TD；步骤2，当水下移动目标进入水下传感器节点的探测区域后，由于水下移动目标自身具有的声源级强度TS在传播过程中存在传播损失TL，且受到水下环境噪声N的影响，当被周期性监测的休眠状态的水下传感器节点感知后，若满足TS-TL-N≥TD,表明水下移动目标能够被该水下传感器节点探测到，此时水下传感器节点由休眠状态转为激活状态；反之，水下传感器节点仍然保持休眠状态；步骤3，对水下移动目标进行定位；被激活的水下传感器节点发送带有标记的声波信号，记发射时刻为ts1，当声波信号遇到水下移动目标时会发生反射，
经过反射后的信号再次被该水下传感器节点接收的时刻记为ts2，由回声定位原理即可得到该水下传感器节点到水下移动目标的距离di；步骤4，其他被激活的传感器节点同样执行步骤3，且选定一个剩余能量最高的水下传感器节点作为数据处理中心，其他水下传感器节点将获取的水下移动目标信息发送给作为数据处理中心的水下传感器节点；根据三角测量法，三维空间的的目标定位需要四组不同的数据，通过解方程组可获得目标位置(xi,yi,zi,di)；步骤5，由于水下环境中传播延时、生物干扰等因素带来的定位信息不准确影响，使得目标位置信息(xi,yi,zi,di)不可避免的存在定位误差，进而使得利用三角测量法求解方程组时，可能出现相交区域、唯一解、多解三种情况；其中，唯一解和多解的情况忽略不计；对于出现相交区域的情况，通过把相交区域内各点带入一个衡量定位方程组定位精度高低的代价函数中进行计算，函数值越小说明对应点与实际水下移动目标位置的近似程度越高，将函数最小值所对应的点看做最优解，作为此时刻定位方程组得到的水下移动目标的位置信息；在每一时刻水下传感器节点都能够获得水下移动目标的位置信息；为了满足数据采集的需要，水下传感器节点将获得的水下移动目标位置信息发送给水面控制中心；步骤6，若被激活的水下传感器节点在连续的五个周期内不满足TS-TL-N≥TD，水下传感器节点重新回到休眠状态；反之，水下传感器节点继续工作；当水下移动目标再次进入监测水域时，重复步骤2。进一步的，在步骤1中，为获取水下传感器节点的位置信息，使用3个移动潜器作为联系全球定位系统GPS和水下传感器节点的中间量；首先全球定位系统GPS对水面移动潜器进行定位，之后移动潜器垂直下沉到水下，利用到达时间差理论来获取水下传感器节点x轴和y轴坐标信息，从而使水下传感器节点拥有自身的位置信息(xi,yi,zi)。进一步的，在步骤1中，激活阈值TD可定义为：TD＝TS-TLm-N上式中，TS为水下移动目标的声源级强度，可根据待测目标的需要设定在一个区域；N是水下环境噪声，满足10logN(f)＝50+7.5ω1/2+20logf-40log(f+0.4)，其中f为噪声频率，ω为水表风速；以水下传感器半径作为传输距离而产生的传播损失TLm可以表示成如下形式TLm＝20logr+αr·10-3，其中r为水下传感器的感应半径，α为水下环境中声波的衰减系数。进一步的，在步骤3中，水下传感器节点i与探测目标之间的距离di表示为：di＝(ts2-ts1)vw/2式中，vw为水下声速，一般取vw≈1500m/sec。进一步的，在步骤4中，若激活水下传感器节点i的剩余能量最高，水下传感器节点j、k、l将自身的信息发送给水下传感器节点i，利用如下所示的方程组来求解目标位置 ( x - x i ) 2 + ( y - y i ) 2 + ( z - z i ) 2 = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法，其特征在于，所述算法包括以下步骤：步骤1，在监测水域，随机部署多个具有感知功能的水下传感器节点，每个传感器节点上配置深度探测器；所有水下传感器节点通过水声通信方式自主通信，组成水声传感器网络；设定水下传感器节点在初始时处于休眠状态，水下传感器节点的激活阈值为TD；步骤2，当水下移动目标进入水下传感器节点的探测区域后，由于水下移动目标自身具有的声源级强度TS在传播过程中存在传播损失TL，且受到水下环境噪声N的影响，当被周期性监测的休眠状态的水下传感器节点感知后，若满足TS‑TL‑N≥TD,表明水下移动目标能够被该水下传感器节点探测到，此时水下传感器节点由休眠状态转为激活状态；反之，水下传感器节点仍然保持休眠状态；步骤3，对水下移动目标进行定位；被激活的水下传感器节点发送带有标记的声波信号，记发射时刻为ts1，当声波信号遇到水下移动目标时会发生反射，经过反射后的信号再次被该水下传感器节点接收的时刻记为ts2，由回声定位原理即可得到该水下传感器节点到水下移动目标的距离di；步骤4，其他被激活的传感器节点同样执行步骤3，且选定一个剩余能量最高的水下传感器节点作为数据处理中心，其他水下传感器节点将获取的水下移动目标信息发送给作为数据处理中心的水下传感器节点；根据三角测量法，三维空间的的目标定位需要四组不同的数据，通过解方程组可获得目标位置(xi,yi,zi,di)；步骤5，由于水下环境中传播延时、生物干扰等因素带来的定位信息不准确影响，使得目标位置信息(xi,yi,zi,di)不可避免的存在定位误差，进而使得利用三角测量法求解方程组时，可能出现相交区域、唯一解、多解三种情况；其中，唯一解和多解的情况忽略不计；对于出现相交区域的情况，通过把相交区域内各点带入一个衡量定位方程组定位精度高低的代价函数中进行计算，函数值越小说明对应点与实际水下移动目标位置的近似程度越高，将函数最小值所对应的点看做最优解，作为此时刻定位方程组得到的水下移动目标的位置信息；在每一时刻水下传感器节点都能够获得水下移动目标的位置信息；为了满足数据采集的需要，水下传感器节点将获得的水下移动目标位置信息发送给水面控制中心；步骤6，若被激活的水下传感器节点在连续的五个周期内不满足TS‑TL‑N≥TD，水下传感器节点重新回到休眠状态；反之，水下传感器节点继续工作；当水下移动目标再次进入监测水域时，重复步骤2。...

【技术特征摘要】
1.一种面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法，其特征在于，所述算法包括以下步骤：步骤1，在监测水域，随机部署多个具有感知功能的水下传感器节点，每个传感器节点上配置深度探测器；所有水下传感器节点通过水声通信方式自主通信，组成水声传感器网络；设定水下传感器节点在初始时处于休眠状态，水下传感器节点的激活阈值为TD；步骤2，当水下移动目标进入水下传感器节点的探测区域后，由于水下移动目标自身具有的声源级强度TS在传播过程中存在传播损失TL，且受到水下环境噪声N的影响，当被周期性监测的休眠状态的水下传感器节点感知后，若满足TS-TL-N≥TD,表明水下移动目标能够被该水下传感器节点探测到，此时水下传感器节点由休眠状态转为激活状态；反之，水下传感器节点仍然保持休眠状态；步骤3，对水下移动目标进行定位；被激活的水下传感器节点发送带有标记的声波信号，记发射时刻为ts1，当声波信号遇到水下移动目标时会发生反射，经过反射后的信号再次被该水下传感器节点接收的时刻记为ts2，由回声定位原理即可得到该水下传感器节点到水下移动目标的距离di；步骤4，其他被激活的传感器节点同样执行步骤3，且选定一个剩余能量最高的水下传感器节点作为数据处理中心，其他水下传感器节点将获取的水下移动目标信息发送给作为数据处理中心的水下传感器节点；根据三角测量法，三维空间的的目标定位需要四组不同的数据，通过解方程组可获得目标位置(xi,yi,zi,di)；步骤5，由于水下环境中传播延时、生物干扰等因素带来的定位信息不准确影响，使得目标位置信息(xi,yi,zi,di)不可避免的存在定位误差，进而使得利用三
\t角测量法求解方程组时，可能出现相交区域、唯一解、多解三种情况；其中，唯一解和多解的情况忽略不计；对于出现相交区域的情况，通过把相交区域内各点带入一个衡量定位方程组定位精度高低的代价函数中进行计算，函数值越小说明对应点与实际水下移动目标位置的近似程度越高，将函数最小值所对应的点看做最优解，作为此时刻定位方程组得到的水下移动目标的位置信息；在每一时刻水下传感器节点都能够获得水下移动目标的位置信息；为了满足数据采集的需要，水下传感器节点将获得的水下移动目标位置信息发送给水面控制中心；步骤6，若被激活的水下传感器节点在连续的五个周期内不满足TS-TL-N≥TD，水下传感器节点重新回到休眠状态；反之，水下传感器节点继续工作；当水下移动目标再次进入监测水域时，重复步骤2。2.根据权利要求1所述的一种面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法，其特征在于：在步骤1中，为获取水下传感器节点的位置信息，使用3个移动潜器作为联系全球定位系统GPS和水下传感器节点的中间量；首先全球定位系统GPS对水面移动潜器进行定位，之后移动潜器垂直下沉到水下，利用到达时间差理论来获取水下传感器节点x轴和y轴坐标信息，从而使水下传感器节点拥有自身的位置信息(xi,yi,zi)。3.根据权利要求1所述的一种面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法，其特征在于，在步骤1中，激活阈值TD可定义为：TD＝TS-TLm-N上式中，TS为水下移动目标的声源级强度，可根据待测目标的需要设定在一个区域；N是水下环境噪声，满足10logN(f)＝50+7.5ω1/2+20logf-40log(f+0.4)，其中f为噪声频率，ω为水表风速；以水下传感器半径作为传输距离而产生的传
\t播损失TLm可以表示成如下形式TLm＝20logr+αr·10-3，其中r为水下传感器的感应半径，α为水下环境中声波的衰减系数。4.根据权利要求1所述的一种面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法，其特征在于：在步骤3中，水下传感器节点i与探测目标之间的距离di表示为：di＝(ts2-ts1)vw/2式中，vw为水下声速，一般取vw≈1500m/sec。5.根据权利要求1所述的一种面向水下移动目标精确定位的区域最优解算法，其特征在于：在步骤4中，若激活水下传感器节点i的剩余能量最高，水下传感器节点j、k、l将自身的信息发送给水下传感器节点i，利用如下所示的方程组来求解目标位置 ( x - x i ) 2 + ( y - y i ) 2 + ( z - z i ) 2 = d i 2 ( x - x j ) 2 + ( y - y j ) ...

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