基於水下無線感測網路的目標跟蹤研究

《基於水下無線感測網路的目標跟蹤研究》是依託浙江大學，由張森林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於水下無線感測網路的目標跟蹤研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：張森林
• 項目類別：面上項目

項目摘要

基於水下無線感測器網路（UWSN）的目標跟蹤方法，相對於傳統的基於聲納的目標跟蹤，具有跟蹤精度高、可靠性好、適用範圍廣等優點。本項目針對水下環境和水聲通信方式造成的水下信息傳輸高延時、低頻寬、高能耗等問題，改進現有目標跟蹤算法（如卡爾曼濾波、粒子濾波等），使改進後的算法能適用於水下環境，並考慮測量數據丟失對目標跟蹤的影響；接著針對水下感測器節點移動問題，感測器節點利用時間到達技術測量節點到水下目標的距離，通過三邊測量法將距離轉換成目標的測量位置，基於該量測值及相應的融合估計方法進行預測修正，從而得到節點移動情況下的目標位置，實現高精度目標跟蹤；最後利用水下感測器網路得到的數據量大、可對目標多個觀測點提供多個量測值的特點，對水下環境中的不規則擴展目標機動過程中的運動狀態及擴展形態進行估計研究。針對上述研究問題取得的進展和突破，必將完善水下目標跟蹤理論，也為水下無線感測器網路的研究提供新的思路。

結題摘要

基於水下無線感測網路（UWSNs）的目標跟蹤方法，相對於傳統的基於聲納的目標跟蹤，具有跟蹤精度高、可靠性好、適用範圍廣等優點。本項目針對水下環境和水聲通信方式造成的水下信息傳輸高延時、低頻寬、高能耗等問題，改進現有目標跟蹤算法（如卡爾曼濾波、粒子濾波等），使改進後的算法能適用於水下環境。在項目執行期間內，我們取得了超過預期的成果。一方面，對於UWSNs目標跟蹤的支撐技術，首先，我們為了降低網路成本和減少UWSNs覆蓋盲區，提出基於泰森圖的UWSNs節點部署最佳化方法；接著，針對目前多數節點定位算法忽略了水下節點移動性的缺陷，提出利用水下感測器節點的運動在空間上的相關性，計算最佳的相關距離，實現對節點運動狀態的實時預測，完成網路中節點的實時定位；然後，提出了新的水下媒體接入控制（MAC）協定，在密集網路中也能確保數據信息的有效傳輸，從而極大的提高了網路吞吐量並降低了網路能耗最後，並且我們還提出了基於功率控制的MAC協定，解決傳統MAC協定由於大幹擾範圍衝突問題對網路吞吐量造成不利影響。另一面對於UWSNs目標跟蹤技術，針對水下信息傳輸高延時、低頻寬、高能耗等問題，我們提出了基於時延估計的異步量測方法改善了高延時問題，而後提出了基於最優量化界的量化方法實現低頻寬下的高精度目標跟蹤，我們設計了虛擬量測濾波器減少網路的通信能耗；接著，我們還研究了節點拓撲結構對目標跟蹤的影響，提出了基於克拉美羅下界的最優拓撲結構選擇算法。最後，針對水下多擴展目標，提出了基於隨機集的擴展目標跟蹤算法的高斯混合實現和序貫蒙特卡洛實現。本項目對水下目標跟蹤問題取得的進展和突破，不僅完善了水下目標跟蹤理論，而且為國家智慧海洋戰略提供了關鍵技術支撐。