基于水声传感器网络的水下目标安全定位算法研究

作     者：高琛璐 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫敬;杨会龙

授予年度：2022年

学科分类：082403[工学-水声工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：水声传感器网络 安全定位 数据攻击 恶意节点 一致性 

摘      要：地表约70.8%的面积被海洋覆盖。海洋中蕴含丰富的生物、矿产及能量资源。在日益严峻的环境问题和能源消耗问题的影响下,人类需要进行更加复杂的海洋勘察和探测任务。与水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)相关的各项研究受到了科学界以及工程界的广泛关注。其中,利用水下传感器网络定位水下目标成为各项应用顺利完成的基础和关键。然而,受到水下弱通信以及开放性的环境特性影响,水声传感器网络定位目标的过程更加困难。本文考虑水声通信过程的分层效应、时钟异步特性,考虑水下环境开放性导致的虚假数据攻击威胁,从水下传感器节点发出信号的传播路径开展研究,通过解决时钟异步、数据攻击问题,实现对水下目标的安全、精确定位。本文主要的研究工作如下:1、针对时钟异步以及迭代状态伪造攻击下目标的安全定位问题,提出基于一致性的时钟同步算法,利用逻辑时钟参数补偿时钟偏移与漂移,最终达到一致性时钟偏移与漂移。在攻击者存在的水下对抗性环境中,为了实现对水下目标的安全定位,利用自适应阈值检验法判断接收信息的准确性,根据阈值检验结果,为诚实节点和恶意节点动态分配权重。对于所提算法,仿真验证其有效性。2、针对定位过程中传输协议暴露在开放的水下环境导致测量信息被恶意篡改的情况,同时考虑水下分层效应,设计异步安全定位算法。在传感器节点的辅助下,设计时钟漂移、时钟偏移和虚假数据注入攻击约束下的异步定位协议,基于到达时间差以及水声接收信号强度为水下目标建立异步定位优化问题,通过迭代最小二乘算法求解位置。考虑水下数据攻击带来的安全问题,基于估计值方差求解不同测量信息在定位过程中的融合权重。分析克拉美罗下界验证算法精度,并进行仿真和实验验证。3、针对网络存在恶意传感器节点的定位问题,并考虑水下声线弯曲以及时钟异步效应,设计一致性融合定位算法。在多种测量信息融合失效的情况下,对多个组的位置估计值进行融合,通过多组一致性融合算法,实现恶意节点存在下对目标的安全定位。通过仿真验证算法有效性,通过收敛性分析从理论层面验证算法可行性。