水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位算法

吳　斌，于　樂

（1.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司煙臺分公司，山東煙臺264001）

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位算法

吳斌1，于樂2

（1.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司煙臺分公司，山東煙臺264001）

提出了一種基于目標(biāo)位置的定位轉(zhuǎn)換算法，通過對水下聲波傳播衰減的研究，推導(dǎo)出距離與聲強度的公式，進一步由節(jié)點接收到目標(biāo)強度信息計算出節(jié)點與目標(biāo)的距離進行定位。當(dāng)目標(biāo)處在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時，根據(jù)節(jié)點接收到信號強度的大小，進行加權(quán)質(zhì)心定位算法。為解決三維坐標(biāo)系下目標(biāo)深度的計算，通過在海面設(shè)置大功率骨干節(jié)點，通過主動探測聲吶測得目標(biāo)的距離與角度，從而計算出目標(biāo)深度。仿真驗證表明，本文算法的有效性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；水下聲波傳播；目標(biāo)定位

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其方便快捷的自身特點越來越多地被運用到海洋里，因而水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注，其在海洋環(huán)境探測、海洋生物研究、海洋災(zāi)害預(yù)警及污染物監(jiān)測等方面有著很多優(yōu)勢和潛在應(yīng)用前景。但由于海洋水下環(huán)境特殊，如電磁波在水下傳播距離極短，聲波傳播存在多徑傳播、散射、折射，節(jié)點傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點易受洋流變化移動、節(jié)點布設(shè)困難等，因而水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨諸多挑戰(zhàn)。

文獻［1］結(jié)合艦艇拖曳線列陣聲納實際搜潛裝備，利用艦載聲納測得的潛艇目標(biāo)方位和距離信息，建立了基于目標(biāo)方位-距離量測的艦艇對潛艇目標(biāo)定位的數(shù)學(xué)模型，并對定位誤差進行了分析，在該模型基礎(chǔ)上，仿真研究了潛艇與艦艇之間的初始距離、艦艇測得潛艇目標(biāo)初始方位角、潛艇航向等因素對定位性能的影響。但對于深度的探測由于單聲吶探測誤差較大，該方法在水下目標(biāo)深度探測上有一定局限性。文獻［2］提出了一種基于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)協(xié)同定位改進方法?；诙嘀匦盘柗诸惙椒ǖ玫侥繕?biāo)的DOA估計，通過對水下信號傳輸特性分析，建立水下陣列傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位模型，并利用最大似然估計得到目標(biāo)位置。利用基于閾值檢測的分布式高斯牛頓迭代法完成最大似然估計的解算。但是該算法僅局限于目標(biāo)處在水下線列陣中，當(dāng)目標(biāo)遠離線列陣時，基于似然算法的定位誤差將會變大。文獻［3］提出一種分層結(jié)構(gòu)的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于水下聲音源的定位研究，在聲音衰減模型基礎(chǔ)上提出一種改進的非線性最小二秉算法以及極大似然算法，其局限性與文獻［2］類似。文獻［4］提出了一種新的無序觀測量處理算法，利用節(jié)點動態(tài)分簇建立分布式跟蹤結(jié)構(gòu)，簇頭節(jié)點收集子節(jié)點的觀測量形成本地估計?；谶@種分布式結(jié)構(gòu)，利用Unscented粒子濾波（UPF）結(jié)合新觀測量，產(chǎn)生粒子濾波的建議密度分布。由于水下噪聲成分復(fù)雜，基于信號的的濾波方式將面臨巨大的噪聲誤差考驗。文獻［5］通過將“傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”和“聲波傳播衰減原理”相融合，進一步建立新的“基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的水下未知聲源定位方法”的數(shù)學(xué)模型，分析了該模型受反射波、環(huán)境噪聲和噪聲源距離變化影響程度，提出系統(tǒng)誤差修正方法。文獻［6］提出一種基于錨節(jié)點失效的、利用已定位節(jié)點幫助未知節(jié)點定位的算法。文獻［7-11］主要研究了對于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的理念。本文在綜合考量上述目標(biāo)定位算法及布設(shè)方法的基礎(chǔ)上提出了一種新的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)及目標(biāo)定位算法，解決了上述存在的目標(biāo)深度及算法局限性問題。

1　水下環(huán)境簡介

電磁波，無論是波長很長的無線電波，還是波長很短的紫外線，它們在海水中的傳導(dǎo)性都很差。光在海水中的穿透能力與在大氣中相比較也是很差的，在到達水下100m深度時，其能量已不到原來的百分之一。聲音因其自身屬性，常被用于在海水中進行探測和信息傳輸。海水中，聲速經(jīng)驗公式為：

式（1）中：T為溫度，且3℃＜T＜30℃；S為鹽度，且33‰＜S＜37‰ ；P為靜壓力，且1.013×105N/m2＜P＜980×105N/m2。

在介質(zhì)中，由于海水的吸收和不均勻性散射引起的聲傳播損失經(jīng)常存在，實地進行傳播損失測量時，很難把它們區(qū)分開，因而將二者綜合起來考慮。假設(shè)平面波（擴展損失為0，聲強度衰減僅由海水吸收引起）傳播距離微分dx后，由于吸收引起的聲強降低為dI，它的值應(yīng)與聲強I和dx成正比，則有

式（2）中：β為比例系數(shù)，正值；負號表示聲強隨距離增加而下降，積分式（2）得

I（1）是離聲源等效聲中心1m處的聲強，取對數(shù)得

據(jù)聲傳播損失定義，并取10為底的常用對數(shù)得

定義吸收系數(shù)α為

則有TL=xα，結(jié)合聲傳播損失，聲波在海水中船舶總損失為

式（7）中：n是常數(shù)；r為傳播距離。

根據(jù)經(jīng)驗公式得

式（8）中：A=2.03×10-2；B=2.94×10-2；f是聲波頻率；fr為弛豫頻率［12］。

2　目標(biāo)運動模型

3　目標(biāo)定位算法

在水下，利用聲波進行目標(biāo)定位，本文提出一種基于目標(biāo)位置水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟蹤定位轉(zhuǎn)換算法，其主要思想是通過特殊的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)布置，當(dāng)目標(biāo)距離傳感器網(wǎng)絡(luò)布置區(qū)域較遠時，由探測到目標(biāo)的節(jié)點子自組織成簇，進行定位跟蹤。當(dāng)目標(biāo)處在傳感器網(wǎng)絡(luò)中時，由探測到目標(biāo)信號最強的幾個節(jié)點進行定位跟蹤。值得注意的是，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的探測距離往往比通信距離大，就當(dāng)前水下技術(shù)而言，藍綠激光在清澈無雜質(zhì)的海水中最大穿透距離大約為300m，而聲波在水下，通過海面、海底及深海聲道等特殊信道傳播，最遠可達到幾公里以上的距離。因此，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的探測能力往往遠大于節(jié)點間的通信能力。

3.1目標(biāo)遠離監(jiān)測區(qū)域

本文中水下布設(shè)的傳感器節(jié)點均是普通節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)布設(shè)區(qū)域上方海面上設(shè)置一個大功率浮標(biāo)節(jié)點，負責(zé)將海底傳感器節(jié)點搜集探測到的信息以無線電波信號的形式傳輸給岸上基站，如圖1所示。

圖1　水下傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Diagram of underwater wireless sensor networks

假設(shè)布置傳感器節(jié)點完成后，節(jié)點已完成相互間定位，各自記錄其一跳距離的鄰居節(jié)點位置信息，除了海面上的骨干節(jié)點帶有主動探測聲吶外，其余節(jié)點均是被動聲吶，目標(biāo)信號強度為I（t），節(jié)點探測距離為r，通信半徑為R，節(jié)點i被動聲吶探測到目標(biāo)的信號強度為是s（i）。則據(jù)式（7）有

對式（9）進行轉(zhuǎn)化得

簡化得

式（11）中：Q=αx；b=n·10；a=I（t）-s（i）+n·10lgα。

對式（11）求微分得

得Q=blge+C，C為常數(shù)。

則實際距離x（i）=10nlge+C。

探測到目標(biāo)節(jié)點集合為

聯(lián)立方程組：

從而求得潛艇目標(biāo)位置（xt，yt，zt）。需要注意的是，由于目標(biāo)是處在三維坐標(biāo)下，有可能出現(xiàn)只有1～2個節(jié)點接收到目標(biāo)信號，所得方程組并不能準(zhǔn)確求得其深度z，故本文采用第2種定位方法，如圖2所示。

圖2　水下傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Diagram of underwater wireless sensor networks

由于骨干節(jié)點自身攜帶的是主動探測聲吶，其可以通過接收自身發(fā)射的指向性聲波從而確定潛艇目標(biāo)位置，骨干節(jié)點自身位置是（xg，yg，zg），探測到目標(biāo)聲波返回間隔為t。

目標(biāo)深度可確定為

目標(biāo)位置滿足方程：

3.2目標(biāo)處在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)

當(dāng)目標(biāo)由遠及近，運動到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分的節(jié)點都能探測到目標(biāo)。此時，對于目標(biāo)的定位將采用加權(quán)質(zhì)心定位算法，如圖3所示。

圖3　水下傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.3 Diagram of underwater wireless sensor networks

t1時刻，水下傳感器節(jié)點接收到目標(biāo)信號強度從大到小的排序依次是（s（1），s（2），s（3），…，s（i）），則其對應(yīng)的節(jié)點坐標(biāo)為

則目標(biāo)估計坐標(biāo)為：

4　節(jié)點協(xié)同

由于水下傳感器節(jié)點自身攜帶海水電池的能量限制，節(jié)點間需要協(xié)作式對目標(biāo)進行跟蹤，基于跟蹤定位轉(zhuǎn)換算法思想是：當(dāng)目標(biāo)距離傳感器網(wǎng)絡(luò)較遠時，由探測到的節(jié)點進行輪換定位跟蹤；當(dāng)目標(biāo)處于傳感器網(wǎng)絡(luò)中時，由全網(wǎng)中的傳感器節(jié)點進行定位跟蹤。具體過程如下：

1）當(dāng)水下節(jié)點接收到目標(biāo)信號時，向其一跳距離內(nèi)鄰居節(jié)點發(fā)送探測到目標(biāo)的信息，其內(nèi)容包括喚醒信息、探測強度、時間、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點的位置；

2）鄰居節(jié)點接收到消息后，開始工作；

3）接收到信號強度的節(jié)點開始通過競選函數(shù)進行簇頭選舉；

4）簇成員將信息發(fā)送給簇頭，由簇頭進行計算，并將信息傳輸給骨干節(jié)點；

5）當(dāng)目標(biāo)運動到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時，為提高目標(biāo)定位跟蹤精度，采用基于信號強度的加權(quán)質(zhì)心跟蹤算法。

由于聲音在海水里的多徑效應(yīng)及海面海底的折射反射，其能傳播很遠的距離，但是，在水下聲速較無線電波慢很多，考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)實時性檢測的本質(zhì)，故提出基于骨干節(jié)點位置及節(jié)點能量的簇頭競選函數(shù)：

5　仿真與分析

假設(shè)海底均是平坦泥沙質(zhì)底面，深度300m，在60km×60km的正方形海底面布設(shè)水下無線傳感器節(jié)點，其探測半徑為20km，節(jié)點間距離為1.5km，布置1 600個節(jié)點，n取1，α=0.1，目標(biāo)聲強為100 dB，目標(biāo)速度為10 km/h，直線運動，背景噪聲40 dB，仿真結(jié)果如圖4、5所示。

圖4　軌跡對比圖Fig.4 Diagram of trajectory constracting

圖5　算法誤差對比圖Fig.5 Diagram of algorithm error

從圖4、5中可以看出，加權(quán)質(zhì)心算法的精度較好，但是，當(dāng)目標(biāo)遠離傳感器區(qū)域時，基于加權(quán)質(zhì)心算法目標(biāo)定位誤差很大，該算法有效性僅僅在目標(biāo)處于傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，基于信號衰減的目標(biāo)定位算法能夠捕捉并定位目標(biāo)，但是定位誤差較大。本文提出的算法，能夠很好的結(jié)合上述2種算法的優(yōu)點，對于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位研究有一定的幫助。

6　結(jié)束語

隨著海洋貿(mào)易的逐漸繁榮，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究必將迎來更大的突破。本文對水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位進行了研究，結(jié)合信號衰減及加權(quán)質(zhì)心算法，提出了一種基于目標(biāo)位置的定位轉(zhuǎn)換算法，該算法能夠準(zhǔn)確的捕捉到目標(biāo)并進行定位，但還是存在一些待改進的方面：信號衰減中可以加入混響，聲波改為球面波傳播，可以加入能量算法。這些都是以后研究工作需要突破的方面

［1］崔旭濤，楊日杰，何友.基于方位—距離量測的艦艇搜潛定位算法研究［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2009，23（6）：491-495. CUI XUTAO，YANG RIJIE，HE YOU.Research on localization algorithm of ships search antisubmarine based on bearing-range measurement［J］.Journal of Test and Measurement Technology，2009，23（6）：491-495.（in Chinese）

［2］張子涵，曾慶軍，王彪.基于分布式水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)協(xié)同定位方法［J］.研究科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（15）：3615-3618. ZHANG ZIHAN，ZENG QINGJUN，WANG BIAO.Research of target location in distributed underwater wireless sensor networks［J］.Science Technology and Engineering，2012，12（15）：3615-3618.（in Chinese）

［3］徐建華，任超.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的水下聲音源定位方法研究［J］.計算機測量與控制，2011，19（7）：1681-1683. XU JIANHUA，REN CHAO.Research of underwater audio source based on sensor networks［J］.Computer Measurement and Control，2011，19（7）：1681-1683.（in Chinese）

［4］薛鋒，劉忠，曲毅.基于Unscented粒子濾波的無序觀測下水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)被動跟蹤［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（12）：2653-2658. XUE FENG，LIU ZHONG，QU YI.Target passive tracking based on unscented particle fi lter with out-of-sequence measurements in underwater wireless sensor networks［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2007，20（12）：2653-2658.（in Chinese）

［5］張涵，付斌，劉純虎，等.一種水下未知聲源定位方法的研究［J］.計算機測量與控制，2011，19（9）：2220-2226. ZHANG HAN，F(xiàn)U BIN，LIU CHUNHU，et al.Research on underwater positioning for unknown sound source［J］.Computer Measurement and Control，2011，19（9）：2220-2226.（in Chinese）

［6］管文冰，朱志文，劉林峰，等.一種基于錨節(jié)點失效的UWSN定位算法［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2015，25（3）：218-222. GUAN WENBING，ZHU ZHIWEN，LIU LINFENG，et al.A localization algorithm based on anchored node failure for underwater sensor network［J］.Computer Technology and Development，2015，25（3）：218-222.（in Chinese）

［7］羅強，潘仲明.一種小規(guī)模水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署算法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24（7）：1043-1047. LUO QIANG，PAN ZHONGMING.An algorithm of deployment in small-scale underwater wireless sensor networks［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2011，24（7）：1043-1047.（in Chinese）

［8］睿智，王玲.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作式節(jié)點定位方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（10）：141-144. RUI ZHI，WANG LING.An algorithm of deployment small-scale underwater wireless sensor networks［J］. Transducer and Microsystem Technologies，2010，29（10）：141-144.（in Chinese）

［9］姚西.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（7）：11-18. YAO XI.Summary of localization technologies for underwater wireless sensor networks［J］.Modern Electronics Technique，2013，36（7）：11-18.（in Chinese）

［10］李世偉，王文敬，張聚偉.基于潛艇深度的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)部署術(shù)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25（1l）：1613-1617. LI SHIWEI，WANG WENJING，ZHANG JUWEI.An underwater sensor networks deployment algorithm based on submarine depth［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2012，25（1l）：1613-1617.（in Chinese）

［11］劉禹.基于運動模型的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法的研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2015. LIU YU.The research of localization algorithm for underwater wireless sensor networks based on mobility model［D］.Changchun：Jilin University，2015.（in Chinese）

［12］劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2013：25-35. LIU BOSHEN，LEI JIAYU.Underwater acoustics principle［M］.Haerbin：Harbin Engineering University Press，2013：25-35.（in Chinese）

Algorithm of target location in Underwater Wireless Sensor Networks

WU Bin1，YU Le2
（1.Graduate Students’Brigade，NAAU；2.Yantai Branch of China United Network Communication Co.Ltd.，Yantai Shandong 264001，China）

A algorithm of transition location based on position of target was proposed.Through the research of underwater acoustic propagation attenuation，the formula between distance and acoustic intensity was deduced，ulteriorly，through the target’s acoustic intensity nodes detecting to calculate the position due to the distance between target and nodes.When tar?get was in underwater wireless sensor networks，the position of target was calculated by weighted centroid due to the signal intensity nodes get.Through the high power backbone nodes sea surface set，the distance and angle received by active so?nar，to calculate the depth of target.The effectiveness of the algorithm was verified by the simulation experiment.

wireless sensor network；underwater acoustic propagation；target location

TP393

A

1673-1522（2015）06-0577-05DOI：10.7682/j.issn.1673-1522.2015.06.015

2015-09-22；

2015-10-08

教育部新世紀(jì)人才支持計劃基金資助項目（NCET-11-0872）

吳斌（1992-），男，碩士生。