基于水下无线传感器阵列网络多模态信息融合的目标定位

２０１７年１２月

第３５卷第６期

西北工业大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｄｅｃ．Ｖｏｌ．３５２０１７

Ｎｏ．６

收稿日期：２０１６?１０?１８

基金项目：国家自然科学基金（６１３７９００７）与水声对抗技术国防科技重点实验室基金资助

作者简介：金磊磊（１９９１ ），西北工业大学博士研究生，主要从事水下目标定位与识别研究三

基于水下无线传感器阵列网络多模态

信息融合的目标定位

金磊磊，梁红，马艳

（西北工业大学航海学院，陕西西安一７１００７２）

摘一要：为了进一步提高海洋环境下无线传感器阵列网络（ＵＷＳＡＮ）对被动目标三维定位的可靠性和定位精度，在推导多节点网络基于到达时间差（ＴＤＯＡ）定位和基于波达方向（ＤＯＡ）定位的基础上，应用最小二乘原理，提出适用于ＵＷＳＡＮ的ＴＤＯＡ?ＤＯＡ多模态信息融合定位算法三通过计算机仿真将该信息融合算法与ＴＤＯＡ方法和ＤＯＡ方法进行比较，结果表明，相对于单模态信息的定位算法，多模态信息融合算法的定位误差更小，性能更加稳定和可靠，具有实际的应用价值三

关一键一词：传感器阵列网络；到达时间差；波达方向；多节点；三维定位；最小二乘；多模态信息融

合；鲁棒控制；目标跟踪

中图分类号：ＴＮ９１１．７一一一文献标志码：Ａ一一一文章编号：１０００?２７５８（２０１７）０６?１０２０?０６一一无线传感器网络通过一定区域内部署的大量具

有通信二感测和计算能力的传感器节点，来实现对特定区域的监测［１］三传感器网络的研究始于２０世纪

９０年代末期，经过近二十年的蓬勃发展，已经广泛应用于国防军事二智能楼宇二环境监测等领域三作为一个正在发展的新兴技术，水下无线传感器阵列网络（ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｓｅｎｓｏｒ

ａｒｒａｙ

ｎｅｔｗｏｒｋ，

ＵＷＳＡＮ）是陆地传感器网络概念向水下应用的

延伸［２］三

根据估计参量的不同，最常用于无线传感器网

络的定位算法可以分为基于到达时间（ｔｉｍｅｏｆａｒｒｉｖａｌ，ＴＯＡ）二基于到达时间差（ｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆａｒ?ｒｉｖａｌ，ＴＤＯＡ）和基于波达方向（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆａｒｒｉｖａｌ，ＤＯＡ）的定位方法等三ＴＯＡ方法对信号发射和接收端的时间同步要求苛刻，实际应用存在困难，而ＴＤＯＡ方法和ＤＯＡ方法对收发端的时间同步要求不高三利用ＴＤＯＡ方法对三维目标定位需要４个节点，系统可以获得较高的定位精度，但在有些情况下会存在定位模糊［３］三而利用ＤＯＡ方法对目标定位需２个节点，技术难度小，但其缺点是定位误差较大［４］三这２种定位系统有各自的特点，但也有共同

的不足三一方面，网络的节点数目少，获得的信息有限；另一方面，没有综合利用时域二空域信息，而只考虑了某方面的测量信息三随着微处理器性能及网络技术的不断提高，节点间通信已不再成为制约无源定位技术发展的瓶颈，因此多节点网络定位将成为一个重要的研究方向三不仅如此，为了获得更高的定位精度，还需要利用可能获得的信号到达时间差和波达方向等各种信息三文献［４］给出一种测向测时差无源定位算法，但它只能用于两节点定位网络，并且存在定位模糊问题三根据以上分析，本文以多节点ＵＷＳＡＮ为平台，提出融合时域ＴＤＯＡ信息和空域ＤＯＡ信息的三维目标定位算法，有效提高了ＵＷＳＡＮ的系统可靠性和目标定位精度三

１　单模态信息目标定位算法

本节将介绍ＵＷＳＡＮ节点随机布放情况下，基于ＴＤＯＡ和基于ＤＯＡ的单模态信息目标定位算法三在前人工作基础上，分别将四节点ＴＤＯＡ方法和两节点ＤＯＡ方法推广到网络存在冗余节点的情形，为提出多节点ＴＤＯＡ?ＤＯＡ融合定位算法奠定基础三

万方数据