CN104426733B - 一种水下多浮标网络的组网与异常处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下多浮标网络的组网方法，包括：投放声纳浮标后，采集各个声纳浮标的相关信息，所述相关信息包括地理位置信息、存储空间大小、通信速率、探测范围；由各个声纳浮标的地理位置信息得到各个声纳浮标间的位置关系，根据所述各个声纳浮标间的位置关系，采用聚类方法对所投放的各个声纳浮标进行分组，形成多个小型网络；在得到多个小型网络后，各个网络中的中心浮标建立与上级中心平台之间的通信连接，从而建立整个水下声纳浮标网络。本发明采用多组结构设计，实现更灵活的策略，各组之间既可互不干涉，各自完成相应任务；也可组成分层式的更大网络，进行协同合作，实现例如海洋环境监测的目标。

Description

一种水下多浮标网络的组网与异常处理方法

技术领域

本发明涉及水下通信领域，特别涉及一种水下多浮标网络的组网与异常处理方法。

背景技术

声纳浮标是一种重要的反潜探测设备，通常分为水下部分与水面部分。水下部分的声传感器获取目标主动回波或被动噪声信号，通过水面部分的无线发射机发射出去。声纳浮标能够实现目标检测、定位、跟踪等功能。

声纳浮标按照技术特点可分为被动全向（LOFAR）、被动定向（DIFAR）、主动全向、温深、海洋噪声等5大类。现有技术中，声纳浮标正向单枚多用途化、功能复杂化、多枚网络化的发展方向迈进。所述的单枚多用途化是指一枚浮标可完成多种浮标的功能，例如SSQ-53F浮标可实现浅水定深被动全向探测、变深带校准被动全向探测、变深被动定向探测三种用途。所述的功能复杂化是指声纳浮标所能实现的功能越来越多，例如具有多水听器的浮阵列型浮标能够进行海洋环境噪声归一化、波束形成等处理，能够发射多种类型的波形。所述的多枚网络化是指位置邻近的多枚声纳浮标能够组成一个水下浮标网络，与单枚声纳浮标相比，水下浮标网络能够扩大探测范围与监测时间，提高目标检测性能、定位精度以及目标跟踪能力，并增强了对声纳浮标失效和干扰的稳健性。

鉴于单枚声纳浮标能力有限，在现有技术中通常将多枚声纳浮标组建成水下浮标网络。水下浮标网络在组建时一般采用固定布放模式，即在布防各个声纳浮标前，首先设定一个拓扑结构方案，然后将各个浮标按照该方案布放。水下浮标网络组建完成后，各个声纳浮标接收水声数据，然后将所接收的数据做简单放大等处理后通过无线通信传输至处理平台，然后再进行波束形成、匹配滤波等操作。在这一过程中，系统默认各浮标的无线通信时延相同，因此将整个浮标网络视为一个大型阵。基于这一假设，根据各个浮标的位置、频率，可得到用于表示浮标网络的阵列中的阵列流型的初步模型。

现有技术中的浮标布放方法在实际操作过程中容易产生布放误差，主要有两方面原因：声纳浮标一般由飞机投放或者人工布放，这个过程会影响布放精度，往往达不到设定要求；在投放之后，声纳浮标还会因为风速和水流的影响而漂移，浮标位置会进一步发生变化。因此，实际的浮标网络结构与预设的浮标网络结构之间存在误差，阵元位置结果存在误差会导致阵列流型误差，从而严重影响网络结构的精确性，导致目标检测识别等精度大大下降。此外，现有技术中的固定布放浮标网络的方案方法未考虑节点失效问题，当水下生物碰撞，元器件老化等情况发生时，网络中某浮标节点可能会出现较大误差甚至失效，如果仍然将此浮标节点当作完好的浮标，会严重影响整个网络的性能。

现有技术中将整个浮标网络视为一个大型阵，会使得在浮标网络的目标参数估计等应用中，空时算法或者是自适应波束形成等常见算法都需要矩阵求逆。当浮标数量较大时该阵列的维数较大，现有硬件系统可能无法承受运算量为三次方数量级的矩阵求逆运算。此外，实际应用中，我们经常同时会有多项需求，例如同时跟踪多个目标，如果利用整个浮标网络来实现的话算法会比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的浮标网络无法承受大运算量计算的缺陷，从而提供一种新的浮标网络组网方法以及相应的异常处理方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种水下多浮标网络的组网方法，包括：

步骤101）、投放声纳浮标后，采集各个声纳浮标的相关信息，所述相关信息包括地理位置信息、存储空间大小、通信速率、探测范围；

步骤102）、由各个声纳浮标的地理位置信息得到各个声纳浮标间的位置关系，根据所述各个声纳浮标间的位置关系，采用聚类方法对所投放的各个声纳浮标进行分组，形成多个小型网络；

步骤103）、在得到多个小型网络后，各个网络中的中心浮标建立与上级中心平台之间的通信连接，从而建立整个水下声纳浮标网络。

上述技术方案中，所述步骤102）包括：

步骤102-1）、根据各个声纳浮标的地理位置以及探测范围，对所有的声纳浮标做分组，任一声纳浮标应当至少包含在一个组中；

步骤102-2）、从步骤102-1）所得到的各个组中选取一个具有较高性能的声纳浮标作为该组的中心浮标；

步骤102-3）、在分组所得到的各个组中，建立组中除中心浮标以外的其他声纳浮标与所述中心浮标之间的通信连接，从而建立各自独立的多个小型网络。

本发明还提供了一种水下多浮标网络的异常处理方法，用于对基于所述的水下多浮标网络的组网方法所组建的水下多浮标网络进行异常处理，该方法包括对浮标漂移的异常处理，包括以下步骤：

步骤201）、根据应用的需求，上级中心平台实时更新水下多浮标网络中各声纳浮标的位置信息及分组方式，并广播至各组的中心浮标；

步骤202）、各组的中心浮标对该组成员的位置信息进行管理，当某个声纳浮标漂移远离之前所在组的中心浮标而靠近其他组，解除该声纳浮标与原来的组的关系，并根据该声纳浮标的当前位置将其加入与其地理位置最为接近的新的组。

上述技术方案中，该方法还包括对浮标失效的异常处理，包括以下步骤：

步骤301）、各组的中心浮标接收该组各浮标的数据，根据所接收的数据判断组中各个声纳浮标的性能是否出现异常；

步骤302）、根据性能下降情况为出现性能异常的声纳浮标赋予一个权值，权值范围在0-1之间，性能下降越多，该权值就越小，浮标完全失效时权值为0；

步骤303）、当某声纳浮标完全失效时，分析该声纳浮标失效所带来的增益损失，并根据分析结果加以补偿。

上述技术方案中，在步骤301）中，判断组中各个声纳浮标的性能是否出现异常包括：当某声纳浮标所采集的数据与相邻浮标采集的数据存在极大不同时，判定该声纳浮标的性能出现异常。

上述技术方案中，在步骤303）中，所述补偿包括：

为失效声纳浮标的相邻声纳浮标所采集的数据做数据加权，代替失效声纳浮标原本应当采集的数据；其中，所述数据加权时的加权系数由失效声纳浮标与需要做数据加权的相邻声纳浮标之间的位置决定。

本发明的优点在于：

多组结构设计，实现更灵活的策略，各组之间既可互不干涉，各自完成相应任务；也可组成分层式的更大网络，进行协同合作，实现例如海洋环境监测的目标。

浮标失效时的自动重组，可去除失效节点的影响。

附图说明

图1是水下多浮标网络的组网方法的流程图；

图2是发生异常时对浮标漂移的处理方法的流程图；

图3是发生异常时对浮标失效的处理方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本领域技术人员公知，声纳浮标有多种类型，并非现有技术中所有的声纳浮标都适用于本发明。适用于本发明的声纳浮标应当具有地理位置定位模块，如GPS模块，北斗导航模块等，通过这一模块声纳浮标可实现自身的精确定位。

本发明的方法包括组网与异常处理两个阶段，下面对这两个阶段分别加以说明。

一、组网

组网阶段包括以下步骤：

步骤101）、投放声纳浮标后，采集各个声纳浮标的相关信息，所述相关信息包括地理位置信息、存储空间大小、通信速率、探测范围等。

步骤102）、根据各个声纳浮标间的位置关系，采用聚类方法对所投放的各个声纳浮标进行分组，形成多个小型网络。该步骤可包括以下子步骤：

步骤102-1）、根据各个声纳浮标的地理位置以及探测范围，对所有的声纳浮标做分组，任一声纳浮标应当至少包含在一个组中。

步骤102-2）、从步骤102-1）所得到的各个组中选取一个具有较高性能的声纳浮标作为该组的中心浮标；

步骤102-3）、在分组所得到的各个组中，建立组中除中心浮标以外的其他声纳浮标与所述中心浮标之间的通信连接，从而建立各自独立的多个小型网络。

步骤103）、在得到多个小型网络后，各个网络中的中心浮标建立与上级中心平台之间的通信连接，从而建立整个水下声纳浮标网络。

在建成整个水下声纳浮标网络后，该水下声纳浮标网络在工作时，由各个组中的声纳浮标采集水声环境中的信息后，将所采集的信息传输到其所在组中的中心浮标，由所述中心浮标对包含有所采集信息的信号做诸如放大、波束形成的处理；然后各个组中的中心浮标将所采集到的本组数据发送到上级中心平台，以进行后续的信号处理。

作为一种优选实现方式，水下声纳浮标网络在工作时采用多组任务规划的工作方式。以多目标跟踪为例，上级中心平台将所要跟踪的目标进行划分，然后根据距离安排各组就近分别跟踪不同的目标。

水下声纳浮标网络的多组任务规划的优势有两方面：

1、可令各组可完成不同任务，解决浮标的探测范围受限的问题。

2、分组安排不同任务的可降低计算量和算法复杂度。例如空时联合处理的多目标跟踪的情况，如果整个网络（M个浮标）共同跟踪多个目标（P个目标），计算量是P×M³的量级；分组跟踪单个目标，每组有N个浮标，计算量则降低为P×N³。显然，M值远大于N值，因此，计算量有明显的下降。

二、异常处理

在异常处理阶段中存在两种异常情况，一是浮标漂移，二是浮标失效。

对于浮标漂移的情况，可采用如下步骤：

步骤201）、根据应用的需求，上级中心平台实时更新各声纳浮标的位置信息及分组方式并广播至各组的中心浮标。

步骤202）、各组的中心浮标对该组成员的位置信息进行管理，当某个声纳浮标漂移远离之前所在组的中心浮标而靠近其他组，解除该声纳浮标与原来的组的关系，并根据该声纳浮标的当前位置将其加入与其地理位置最为接近的新的组。

对于浮标失效的情况，可采用如下步骤：

步骤301）、各组的中心浮标接收该组各浮标的数据，根据所接收的数据判断组中各个声纳浮标的性能是否出现异常：由于同组中的声纳浮标地理位置相近，因此各个声纳浮标与同组相邻浮标的信息应该有很大程度的相似，例如数据之间存在时间差，当某声纳浮标所采集的数据与相邻浮标采集的数据存在极大不同时，判定该声纳浮标的性能出现异常。

步骤302）、根据性能下降情况为出现性能异常的声纳浮标赋予一个权值，权值范围在0-1之间，性能下降越多，该权值就越小，浮标完全失效时权值为0。

步骤303）、当某声纳浮标完全失效时，分析该声纳浮标失效所带来的增益损失，并根据分析结果加以补偿。

在本实施例中，对失效声纳浮标的数据补偿采用了为失效声纳浮标的相邻声纳浮标做数据加权的方式，这些相邻声纳浮标所采集的数据经数据加权后，能够代替失效声纳浮标原本应当采集的数据。其中，所述数据加权时的加权系数可由失效声纳浮标与需要做数据加权的相邻声纳浮标之间的位置决定。在其他实施例中，对失效声纳浮标的数据补偿也可采用其他方式。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种水下多浮标网络的组网方法，包括：

步骤101)、投放声纳浮标后，采集各个声纳浮标的相关信息，所述相关信息包括地理位置信息、存储空间大小、通信速率、探测范围；

步骤102)、由各个声纳浮标的地理位置信息得到各个声纳浮标间的位置关系，根据所述各个声纳浮标间的位置关系，采用聚类方法对所投放的各个声纳浮标进行分组，形成多个小型网络；

步骤103)、在得到多个小型网络后，各个网络中的中心浮标建立与上级中心平台之间的通信连接，从而建立整个水下声纳浮标网络；

所述步骤102)包括：

步骤102-1)、根据各个声纳浮标的地理位置以及探测范围，对所有的声纳浮标做分组，任一声纳浮标应当至少包含在一个组中；

步骤102-2)、从步骤102-1)所得到的各个组中选取一个具有较高性能的声纳浮标作为该组的中心浮标；

步骤102-3)、在分组所得到的各个组中，建立组中除中心浮标以外的其他声纳浮标与所述中心浮标之间的通信连接，从而建立各自独立的多个小型网络；

在建成整个水下声纳浮标网络后，该水下声纳浮标网络在工作时，由各个组中的声纳浮标采集水声环境中的信息后，将所采集的信息传输到其所在组中的中心浮标，由所述中心浮标对包含有所采集信息的信号做放大、波束形成的处理；然后各个组中的中心浮标将所采集到的本组数据发送到上级中心平台，以进行后续的信号处理。

2.一种水下多浮标网络的异常处理方法，用于对基于权利要求1所述的水下多浮标网络的组网方法所组建的水下多浮标网络进行异常处理，该方法包括对浮标漂移的异常处理，包括以下步骤：

步骤201)、根据应用的需求，上级中心平台实时更新水下多浮标网络中各声纳浮标的位置信息及分组方式，并广播至各组的中心浮标；

步骤202)、各组的中心浮标对该组成员的位置信息进行管理，当某个声纳浮标漂移远离之前所在组的中心浮标而靠近其他组，解除该声纳浮标与原来的组的关系，并根据该声纳浮标的当前位置将其加入与其地理位置最为接近的新的组。

3.根据权利要求2所述的水下多浮标网络的异常处理方法，其特征在于，该方法还包括对浮标失效的异常处理，包括以下步骤：

步骤301)、各组的中心浮标接收该组各浮标的数据，根据所接收的数据判断组中各个声纳浮标的性能是否出现异常；

步骤302)、根据性能下降情况为出现性能异常的声纳浮标赋予一个权值，权值范围在0-1之间，性能下降越多，该权值就越小，浮标完全失效时权值为0；

步骤303)、当某声纳浮标完全失效时，分析该声纳浮标失效所带来的增益损失，并根据分析结果加以补偿。

4.根据权利要求3所述的水下多浮标网络的异常处理方法，其特征在于，在步骤301)中，判断组中各个声纳浮标的性能是否出现异常包括：当某声纳浮标所采集的数据与相邻浮标采集的数据存在极大不同时，判定该声纳浮标的性能出现异常。

5.根据权利要求3所述的水下多浮标网络的异常处理方法，其特征在于，在步骤303)中，所述补偿包括：

为失效声纳浮标的相邻声纳浮标所采集的数据做数据加权，代替失效声纳浮标原本应当采集的数据；其中，所述数据加权时的加权系数由失效声纳浮标与需要做数据加权的相邻声纳浮标之间的位置决定。