一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法技术

本发明专利技术提供一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法，包括：部署水下传感器节点，获取节点位置信息；对水下目标进行测距；节点利用邻节点的测量值通过定位方程求解水下目标位置；每一个节点将求解的位置与邻节点求解的位置做差，判断是否大于阈值，统计大于阈值的邻节点个数m，小于阈值的邻节点个数n；小于阈值的邻节点数加1比大于阈值的邻节点数多，判定节点定位误差小，传感器网络通过一致性迭代对目标准确定位；反之，则判定节点定位误差大；统计连续次数，若次数小于3，通过降低节点的迭代权重减小对定位的不利影响，反之，则节点受到迭代状态伪造攻击，从网络中去除，其余节点进行一致性迭代，根据定位结果实时更新阈值。

An underwater target location method for iterative state forgery attack

【技术实现步骤摘要】
一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法
本专利技术涉及水下传感器网络精确定位
，具体而言，尤其涉及一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法。
技术介绍
目前，在迭代状态伪造攻击条件下，通过水下传感器网络定位水下目标的方法旨在检测传感器网络是否遭受迭代状态伪造攻击，并减小或消除迭代状态伪造攻击对最终定位结果的影响。可为水下传感器网络完成各项复杂定位任务如水下目标探测、辅助水下导航定位工作提供理论依据与技术支撑。然而，受传感器精度限制，以及水下高动态、强噪声的恶劣测量环境影响，难以准确区分迭代状态伪造攻击与测量误差。这对水下目标的精确定位有很大影响。现有技术中，中国专利申请号为201910338271.0，名称为“迭代状态伪造攻击注入攻击下的传感器网络事件触发信息融合方法”提出了一种方案，该方案通过网络攻击检测器判断其是否受到攻击，根据测量值和攻击识别结果更新后验信息矩阵和信息向量，并通过信息触发条件判断是否向网络传送信息矩阵和信息向量。传感器节点根据当前接收到邻节点的信息和其他通信邻节点的预测值进行信息融合。最后利用融合的信息更新自己的信息矩阵和信息向量以及邻节点的信息矩阵和信息向量预测值，直到监测时间到。但该方法不适合于网络遭受长时间迭代状态伪造攻击的情况；且攻击检测器适用于模型固定，环境干扰小的工作条件下，在水下传感器网络所处的高动态、强噪声条件下，定位精度低。另外，中国专利申请号为201910352336.7，名称为“一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统”的专利文件给出了另一种方案，该方案设计了并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统，利用并行无迹卡尔曼滤波器对仪表所测真值进行估计。当系统运行故障、仪器故障以及遭受攻击时，两个滤波器间产生偏差，利用非参数累积和入侵检测法，得出系统以及各个仪表故障检测的决策统计量。当决策统计量大于预定义的阈值时，表示故障发生并发出报警信号。但该方法适用于网络拓扑结构稳定，模型工作环境干扰较小，低噪声，信号衰减不大的情况。当发出报警信号后，未能确定一定是由于系统遭受信息攻击，且不能有效排除攻击信息对系统的干扰。因此，如何利用水下传感器网络，设计一种迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法，检测迭代状态伪造攻击并最小化迭代状态伪造攻击对定位精度的影响，同时考虑传感器的测量精度，兼具一定的容差性，实现对水下目标的精确定位成为亟待解决的难点。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法。本专利技术具有提高传感器网络的定位精度、灵活性高、适用性强等优点。本专利技术采用的技术手段如下：一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法，包括以下步骤：S1、在水下探测区域，随机部署n个传感器节点，构建水下传感器网络，n个传感器节点分别标记为1,2...,n，传感器节点配置深度探测器，节点间通过水声通信方式进行信息交互；S2、当水下目标进入水下传感器网络的探测区域后，水下传感器节点发送带有标记的声波信号，记发射时刻为tl1,(l∈1,2,…,n)，声波信号遇到水下目标发生反射，经反射后的声波信号再次被该节点接收，记接收时刻为tl2,(l∈1,2,…,n)，由回声定位原理得到该水下传感器节点与水下目标的距离dl,(l∈1,2,…,n)；S3、用无向图g＝(ε，v)表示传感器的网络结构及其通信关系，ν＝{vi|i∈1,2,…,n}表示传感器网络的节点集，ε＝{eij＝(vi,vj)|i,j∈1,2,…,n}表示网络的边集；每一个传感器节点的邻节点用Ni＝{j|eij∈ε}表示，其邻节点的数量用|Ni|表示，且满足条件|Ni|≥4；由于三维空间的目标定位需要四组不同的数据，传感器节点i随机选择四个邻节点组成定位方程，通过方程组求解水下目标的位置(x,y,z)；S4、网络中的每一个传感器节点都通过方程组求解出一个水下目标的位置，并与其邻节点求解出来的目标位置做差，判断是否大于阈值，统计大于阈值的邻节点个数记为m，小于阈值的邻节点个数记为n，若n+1≥m，则认为传感器网络工作状态良好，网络进行一致性迭代算法，对目标准确定位；S5、若n+1＜m，则认为节点i的定位值有误，记录定位值有误的次数t，若t≥3，则节点受到迭代状态伪造攻击，在下一次状态迭代时，节点不参与网络对水下目标的定位迭代过程，网络无向图结构发生变化，节点的状态转移矩阵更新；若t＜3，则节点受到较强测量干扰，在下一次迭代过程中通过衰减因子β(β＞1)降低其在迭代过程中的权重；S6、判断整个网络是否达到一致的定位结果，若网络中的每个节点有统一的定位结果，则结束迭代过程；若网络未达到一致性的结果，则根据网络当前时刻的状态值与上一时刻的状态值更新其阈值，重复步骤S4，直到网络达到一致的定位结果。进一步地，所述步骤S1中，为获得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(xs,ys,zs)。进一步地，所述步骤S2中，水下传感器节点与探测目标之间的距离表示为：dl＝(tl2-tl1)*νw/2式中，l∈1,2,…,n，νw为水下声速，一般取νw≈1500m/sec。进一步地，所述步骤S3中，求解水下目标位置的方程组表示为：(x-xγα)2+(y-yγα)2+(z-zγα)2＝dα2式中，(x,y,z)为水下目标的位置坐标；(xγα,yγα,zγα)表示水下传感器节点i的邻节点中随机选取的4个节点的坐标，其中，α∈Ni,γ＝1,2,3,4，该邻节点到目标的距离为dα。进一步地，所述步骤S4中，定位迭代算法的公式为：Xi(k+1)＝QXi(k)其中，Xi(k)＝(xi(k),yi(k),zi(k))表示传感器i在第k步迭代过程中计算出的目标位置，k(k＝1,2,3,…)表示迭代次数；Q＝{qijk|i,j＝1,2,…,n}表示状态转移矩阵，具体迭代公式为：其中，为相关参数，满足D表示网络节点所拥有邻节点个数的最大值。进一步地，所述步骤S5中，还包括确定初始阈值以及更新阈值的步骤，利用下述两个公式确定初始阈值以及更新阈值：进一步地，所述步骤S5中，假设节点1受到较强测量干扰，但未受到攻击，则通过衰减因子β(β＞1)降低其迭代过程中权重的状态转移矩阵为：其中，qijk表示状态转移矩阵Q在第k次迭代过程中，第i行第j列的元素。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提供的面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法，使用自适应阈值判断传感器节点测量的准确性，和确定性阈值相比，更适用于水下干扰多，噪声强的工作环境，提高了水下目本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、在水下探测区域，随机部署n个传感器节点，构建水下传感器网络，n个传感器节点分别标记为1,2...,n，传感器节点配置深度探测器，节点间通过水声通信方式进行信息交互；/nS2、当水下目标进入水下传感器网络的探测区域后，水下传感器节点发送带有标记的声波信号，记发射时刻为t

【技术特征摘要】
1.一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在水下探测区域，随机部署n个传感器节点，构建水下传感器网络，n个传感器节点分别标记为1,2...,n，传感器节点配置深度探测器，节点间通过水声通信方式进行信息交互；
S2、当水下目标进入水下传感器网络的探测区域后，水下传感器节点发送带有标记的声波信号，记发射时刻为tl1,(l∈1,2,…,n)，声波信号遇到水下目标发生反射，经反射后的声波信号再次被该节点接收，记接收时刻为tl2,(l∈1,2,…,n)，由回声定位原理得到该水下传感器节点与水下目标的距离dl,(l∈1,2,…,n)；
S3、用无向图g＝(ε，v)表示传感器的网络结构及其通信关系，ν＝{vi|i∈1,2,…,n}表示传感器网络的节点集，ε＝{eij＝(vi,vj)|i,j∈1,2,…,n}表示网络的边集；每一个传感器节点的邻节点用Ni＝{j|eij∈ε}表示，其邻节点的数量用|Ni|表示，且满足条件|Ni|≥4；由于三维空间的目标定位需要四组不同的数据，传感器节点随机选择四个邻节点组成定位方程，通过方程组求解水下目标的位置(x,y,z)；
S4、网络中的每一个传感器节点都通过方程组求解出一个水下目标的位置，并与其邻节点求解出来的目标位置做差，判断是否大于阈值，统计大于阈值的邻节点个数记为m，小于阈值的邻节点个数记为n，若n+1≥m，则认为网络工作状态良好，网络进行一致性迭代算法，对目标准确定位；
S5、若n+1＜m,则认为节点i的定位值有误，记录定位值有误的次数t，若t≥3，则节点受到迭代状态伪造攻击，在下一次状态迭代时，节点不参与网络对水下目标的定位迭代过程，网络无向图结构发生变化，节点的状态转移矩阵更新；若t＜3，则节点受到较强测量干扰，在下一次迭代过程中通过衰减因子β(β＞1)降低其在迭代过程中的权重；
S6、判断整个网络是否达到一致的定位结果，若网络中的每个节点有统一的定位结果，则结束迭代过程；若网络未达到一致性的结果，则根据网络当前时刻的状态值与上一时刻的状态值更新其阈值，重复步骤S4，直到网络达到一致的定位结果。


2.根据权利要求1所述的面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法，其特征在于，所述步骤S1中，为获得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...

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