CN110972077B - 一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法

技术领域

本发明涉及水下传感器网络精确定位技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

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。本发明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。

本发明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t_l1,(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t_l2,(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d_l,(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＝{v_i|i∈1,2,…,n}表示传感器网络的节点集，ε＝{e_ij＝(v_i,v_j)|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N_i＝{j|e_ij∈ε}表示，其邻节点的数量用|N_i|表示，且满足条件|N_i|≥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(x_s,y_s,z_s)。

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：

d_l＝(t_l2-t_l1)*ν_w/2

式中，l∈1,2,…,n，ν_w为水下声速，一般取ν_w≈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-x^γ _α)²+(y-yγ_α)²+(z-z^γ _α)²＝d_α ²

式中，(x,y,z)为水下目标的位置坐标；(x^γ _α,y^γ _α,z^γ _α)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∈N_i,γ＝1,2,3,4，该邻节点到目标的距离为d_α。

进一步地，所述步骤S4中，定位迭代算法的公式为：

X_i(k+1)＝QX_i(k)

其中，X_i(k)＝(x_i(k),y_i(k),z_i(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＝{q_ij ^k|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，q_ij ^k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，本发明具有以下优点：

1、本发明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，提高了水下目标定位过程的准确性；

2、本发明提供的面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法，针对传感器网络的精确定位问题，在水下传感器网络受到迭代状态伪造攻击时，兼顾传感器网络的测量精度，使得传感器网络具有一定的容差性。

3、本发明提供的面向迭代状态伪造攻击下的水下目标定位方法，引入水下传感器网络，提高了水下目标的定位精度，网络同时具有识别并排除干扰的能力，在复杂环境中的适应性强、精度高。

基于上述理由本发明可在水下传感器网络精确定位等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明方法中水下传感器网络在正常情况下对水下目标定位的效果图。

图3为本发明方法中水下传感器网络某一节点受到迭代状态伪造攻击的定位效果图。

图4为本发明方法中水下传感器网络中某一节点出现大测量偏差但并未受到迭代状态伪造攻击的定位效果图。

图中：(a)为水下传感器网络受到迭代状态伪造攻击，排除受攻击节点后其余节点对水下目标定位的效果图；(b)为水下传感器网络受到迭代状态伪造攻击，未有效识别并排除攻击的定位效果图；灰色阴影区域表示传感器网络对目标的定位结果。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了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；

具体实施时，在水下探测区域，随机部署n个具有感知功能的水下传感器节点，所有水下传感器节点通过水声通信方式自主通信，构建水下传感器网络，每个传感器节点上配置深度探测器，以保证能够获得水下传感器节点的垂直坐标。组成水声传感器网络；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；首先使用全球定位系统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，从而使每一个水下传感器节点拥有自身的位置信息(x_s,y_s,z_s)；

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t_l1,(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t_l2,(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d_l,(l∈1,2,…,n)；

水下传感器节点与探测目标之间的距离d_l表示为：

d_l＝(t_l2-t_l1)*ν_w/2

式中，l∈1,2,…,n，ν_w为水下声速，一般取ν_w≈1500m/sec。

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＝{v_i|i∈1,2,…,n}表示传感器网络的节点集，ε＝{e_ij＝(v_i,v_j)|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N_i＝{j|e_ij∈ε}表示，其邻节点的数量用|N_i|表示，且满足条件|N_i|≥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)；

求解水下目标位置的方程组表示为：

(x-x^γ _α)²+(y-y^γ _α)²+(z-z^γ _α)²＝d_α ²

式中，(x,y,z)为水下目标的位置坐标；(x^γ _α,y^γ _α,z^γ _α)表示水下传感器节点i随机选择的四个邻节点的坐标，其中，α∈N_i,γ＝1,2,3,4，该邻节点到目标的距离为d_α。

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，做差公式为：

其中，(x_i(k),y_i(k),z_i(k)),(x_j(k),y_j(k),z_j(k))分别表示节点i，j在第k步迭代过程中计算出的水下目标的位置；

判断其是否大于阈值，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，可通过一致性迭代算法对水下目标进行精确定位；如图2所示，定位迭代算法的公式为：

X_i(k+1)＝QX_i(k)

其中，X_i(k)＝(x_i(k),y_i(k),z_i(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＝{q_ij ^k|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。

S5、若n+1＜m,则认为节点i的定位值有误，具体实施时，首先确定初始阈值以及更新阈值，利用下述两个公式确定初始阈值以及更新阈值：

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；转换为g'＝(ε'，v')，其中g'表示去除受攻击节点i之后的网络无向图；ε'表示去除受攻击节点i之后网络的节点集；v'表示去除受攻击节点i之后网络的边集，其余节点按照步骤4所述迭代方法对水下目标进行定位，直到达成一致，如图3-a所示，若未将受攻击节点从网络中去除，则由于攻击的存在，会导致网络的定位结果错误，如图3-b所示；

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；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，q_ij ^k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。网络通过上述更新后的状态转移矩阵进行定位迭代过程，直到所有节点对目标定位达成一致，如图4所示；

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。

通过上述过程所得到的位置即为该时刻传感器网络感测、计算得到的水下目标的位置，适用于传感器网络中有节点受到迭代状态伪造攻击的情况，同时考虑了出现较大测量误差的情况，通过状态转移矩阵使其参与定位迭代过程且降低其对定位准确性的不利影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (5)

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t_l1,(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t_l2,(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d_l,(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＝{v_i|i∈1,2,…,n}表示传感器网络的节点集，ε＝{e_ij＝(v_i,v_j)|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N_i＝{j|e_ij∈ε}表示，其邻节点的数量用|N_i|表示，且满足条件|N_i|≥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)；求解水下目标位置的方程组表示为：

(x-x^γ _α)²+(y-y^γ _α)²+(z-z^γ _α)²＝d_α ²

式中，(x,y,z)为水下目标的位置坐标；(x^γ _α,y^γ _α,z^γ _α)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∈N_i,γ＝1,2,3,4，该邻节点到目标的距离为d_α；

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；定位迭代算法的公式为：

X_i(k+1)＝QX_i(k)

其中，X_i(k)＝(x_i(k),y_i(k),z_i(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＝{q_ij ^k|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；

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(x_s,y_s,z_s)。

3.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S2中，水下传感器节点与探测目标之间的距离表示为：

d_l＝(t_l2-t_l1)*ν_w/2

式中，l∈1,2,…,n，ν_w为水下声速，取ν_w＝1500m/sec。

4.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：

5.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，q_ij ^k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。

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