بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از آرایشات ردیاب آوایی 1 سنتی در برخی ماموریت های بسیار مهم، ممکن است مشکل و غیر عملی باشد به دلیل این که آن ها باید یا روی یک کشتی و یا زیر دریایی نصب و یا توسط آن ها به یدک کشیده شوند. لذا، شبکه های حسگر صوتی زیر آب2 یک روش حل امیدوار کننده را پیشنهاد می کنند. در این مقاله، یک الگوریتم ردیابی هدف برای شبکه های حسگر صوتی زیر آب به نام الگوریتم ردیابی هدف زیر آب سه بعدی3 ارائه شده است.
هدف این الگوریتم این است که ردیابی با دقت اهداف زیر آب را با حداقل مصرف انرژی، به انجام برساند. بر اساس فاصله زمانی انعکاس4 صداها5 از هدف پس از ارسال صداهایی از جانب گره پروژکتور، فاصله های گره ها تا هدف تعیین شده و از روش چند گوشه6 برای به دست آوردن محل هدف استفاده شده است. سپس محل و سرعت محاسبه شده از هدف برای به دست آوردن ردیابی به کار گرفته می شود. ارزیابی کارایی نشان می دهد که الگوریتم ردیابی هدف زیر آب سه بعدی یک راه حل امیدوار کننده برای روش های ردیابی هدف بر اساس ردیاب آوایی سنتی و به ویژه برای برنامه های کاربردی نظارت بر حسب تقاضا است.
مقدمه
کشف کردن، طبقه بندی کردن و ردیابی اهداف زیر آب، بخش های ضروری از سیستم های جدید دفاعی زیرآب هستند. تاکنون، انواع مختلفی از ناوبری - تعیین مسیر - صدا و آرایشات ردیابی آوایی برای این اهداف استفاده شده است، مانند ردیابی آوای نصب شده در سطح بدنه کشتی، ردیابی آوای نصب شده در سطح بدنه زیر دریایی و آرایشات به یدک کشیده شده .[1] -[6] این آرایشات ردیابی آوایی معمولا روی یک کشتی یا یک زیر دریایی نصب شده اند یا توسط یک کشتی و یا یک زیر دریایی به یدک کشیده می شوند [2] ، [3] یا قبل از برنامه کاربردی مستقر شده اند [4] که آن ها را برای ماموریت های ردیابی بر حسب تقاضا نامناسب می سازد.
به علاوه سکویی که آرایش را به یدک می کشد یا سکویی که آرایش روی آن نصب شده است، یک نقطه ی منفرد شکست برای کل سیستم است. در مفاهیم نظارت، شناسایی و هدف گیری کردن، شبکه های حسگربه عنوان یک تکنولوژی امیدوار کننده هستند. یک مورد خاص از شبکه های حسگر مانند شبکه های حسگر زیر آب، به منظور توانا ساختن برنامه های کاربردی برای جمع آوری داده مربوط به اقیانوس شناسی، اکتشاف دریایی، ناوبری و برنامه های کاربردی رزم آرایانه پیش بینی شده اند .[7] چنین مطالعاتی برای شناسایی هدف زیر آب و ردیابی توسط شبکه های حسگر بی سیم زیر آب وجود دارند .[8] -[14]
در [15]، یک چارچوب ردیابی جدید پیشنهاد شده است که ردیابی رو به جلو نامیده می شود که گره های یک منطقه خاص در اطراف یک هدف را به کار می گیرد. به جای پیش بینی مکان هدف به صورت جداگانه در یک صورت، حرکت هدف به سوی صورت دیگر تخمین زده خواهد شد. الگوریتم تشخیص لبه7 برای تولید کردن هر صورت و الگوریتم انتخاب بهینه برای انتخاب حسگر ها بررسی شده است. ردیابی رو به جلو دقت ردیابی بالاتر و کارایی انرژی را به دست می آورد. در [16]، یک روش زمانبندی برای حسگر ها به صورت غیر متمرکز پیشنهاد شده است که خوشه بندی پویا را برای یک ردیابی هدف با انرژی موثر در شبکه های حسگر ممکن می سازد.
هر گره حسگر به عنوان یک ماشین حالت متناهی احتمال گرایانه8 مدل شده است که مصرف انرژی، حس کردن و فعالیت های ارتباطی اش را تضمین می کند. این ماشین حالت متناهی احتمال گرایانه به گره های حسگر اجازه می دهد که به صورت پویا حالت شان را به ذخیره کردن انرژی تغییر دهند زمانی که هدفی وجود ندارد و دستگاه های حس کردن با توان بالا را روشن کنند زمانی که هدف حاضر است. این الگوریتم انرژی را ذخیره می کند در حالی که دقت ردیابی را نیز حفظ می کند اما ردیابی هدف در فضای دو بعدی بررسی شده است که برای برنامه های کاربردی عملی محدودیت جدی خواهد داشت.در [17]، تأثیر توپولوژی گره روی ردیابی هدف بر اساس شبکه های حسگر بی سیم زیر آب مطالعه شده است.
در این مقاله، اولا با استفاده از دانش هندسی، تأثیرات 4 توپولوژی خاص روی ردیابی هدف آنالیز شده و ثانیا، ارتباط بین مرز پایین کرامر رائو9 و موقعیت گره برای ارزیابی توپولوژی انتخابی بررسی شده است. ثالثا، طرح ردیابی هدف شامل طرح انتخاب توپولوژی بهینه و طرح انتخاب مرکز ادغام بهینه با حداقل سازی مصرف انرژی و فیلتر ذره چند سنسوری طراحی شده است. این الگوریتم در کاهش خطای ردیابی بهینه است اما در متریک هایی مانند مصرف انرژی و ترافیک ارتباطی طرح های دیگر می توانند انتخاب مناسب تری باشند لذا این طرح برای محلی مناسب تر است که دقت ردیابی بالا نیاز شده باشد.
در [18]، روش خواب- بیدار برای انتخاب چندین گره حسگر استفاده شده و روش انتخاب اندازه گیری معتبر برای کاهش تعداد گره های حسگر بیدار استفاده شده است اما تعداد زیادی از حسگر های ایستای توزیع شده به صورت یک نواخت مستقر شده اند که به استقرار پیشین حسگر ها نیاز دارد. به علاوه، ردیابی تنها در دو بعد در نظر گرفته شده است که یک محدودیت مهم برای برنامه های کاربردی عملی می باشد.
برای دست یابی به تشخیص هدف زیر آب و ردیابی، چالش های ارتباطات صوتی زیر آب باید به حساب بیایند. برای مثال، تاخیر انتشار10 در زیر آب، 5 مرتبه بزرگ تر از تاخیر در کانال های فرکانس رادیویی زمینی است. به علاوه، تاخیر11، متغییر است که باعث می شود برخی روش های ارتباطی از کار بیفتند. برای مورد ملاحظه قرار دادن مباحث فوق الذکر، الگوریتم ردیابی هدف زیر آب سه بعدی ارائه شده است زیرا این الگوریتم به تعداد گره ها بستگی ندارد و حتی اگر تعداد گره ها تغییر کند اجرا می شود لذا الگوریتم مقیاس پذیر است.[19] به علاوه، چون آرایشات ردیاب آوایی بزرگ و ناو های سطحی برای کشیدن گره ها نیاز نیست، از نظر هزینه مؤثر است. استقرار یک شبکه حسگر صوتی زیر آب توسط یک هلی کوپتر یا یک سکوی سطحی می توانست انجام شود.
گره های حسگر یک بار مصرف در نظر گرفته شده اند و به صورت تصادفی توزیع شده اند. اگر چه موج ها و جریان های زیر سطح آب وجود دارند، اما این فرضیه هنوز از طریق روش های مختلف مانند، چسباندن هر گره حسگر زیر آب به یک بویه ی سطحی [7] و استفاده از وسایل نقلیه زیر آب [20] برای نگه داری حسگر ها در عمق های مورد نظر، در نظر گرفته می شود. باقی مانده مقاله به صورت زیر سازمان دهی شده است: ابتدا مروری بر الگوریتم ردیابی هدف زیر آب سه بعدی شده و سپس قدم های الگوریتم و هم چنین ساز و کار مصرف انرژی توصیف شده است. سپس، دلایل ممکن خطاها فرآهم شده و نتایج شبیه سازی الگوریتم ردیابی زیر آب سه بعدی ارائه شده است و در نهایت نتیجه گیری خواهیم داشت.
الگوریتم ردیابی زیر آب سه بعدی
هدف الگوریتم ردیابی زیر آب، شناسایی، محل یابی و ردیابی زیر دریایی ها مانند مین ها و وسایل نقلیه زیر آب خود مختار به صورت دقیق و با انرژی مؤثر است. یک استقرار ممکن از یک شبکه حسگر صوتی سه بعدی در شکل 1 نشان داده شده است. حداقل 3 گره در سطح آب شناور هستند تا محل یابی گره های زیر آب را انجام دهند. یکی از این گره ها چاهک12 است که اطلاعات را از گره های حسگر زیر آب جمع آوری می کند و محاسبات را انجام می دهد. گره هایی که با دایره تیره نشان داده شده، گره هایی هستند که اطلاعات را جمع آوری می کنند و از هدف به سمت سینک ارسال می کنند. گره شش گوشه شکل، گره پرژکتور تعیین شده است و ممکن است در طول فرآیند ردیابی تغییر کند.[19
مرور الگوریتم ردیابی زیر آب سه بعدی
الگوریتم ردیابی زیر آب سه بعدی یک الگوریتم دو فازی است. در طول اولین فاز که گوش دادن غیر فعال است گره های حسگر به محیط زیر آب برای اهداف بالقوه گوش می دهند. زمانی که نویز ساطع شده از یک هدف تشخیص داده شد، فاز دوم الگوریتم که برد فعال می باشد، شروع می شود. برای محل یابی کردن هدف، این الگوریتم یک گره پروژکتور را انتخاب می کند، که هر از چند وقت یک بار صداهایی می فرستد و گره ها از زمان رسیدن صداها و بازگشت صداها برای محل یابی کردن هدف استفاده می کنند.
با استفاده از صداهای تولید شده توسط گره پروژکتور، همگام سازی بین حسگر ها ضروری نیست. فرض شده است که هدف یک هدف نقطه ای است بنابراین بازگشت صداها به صورت همگرا ساطع شده اند در طول ردیابی تنها یک گره پروژکتور طرراحی شده، وجود دارد که می تواند با توجه به جابه جایی هدف تغییر کند. صدا یک برچسب - - l را شامل می شود که برای شناسایی صدا استفاده شده است.
بار اول که پروژکتور بازگشت صدا را دریافت کرده است فاصله اش را تا هدف - - محاسبه می کند.سپس، ، l و انرژی باقی مانده اش - - و مختصات - - را به چاهک می فرستد. همه گره ها اطلاعات محل شان را از طریق الگوریتم محل یابی دارند که متناوبا اجرا می شود. ارتباط خاصی بین این الگوریتم و الگوریتم محل یابی استفاده شده، وجود ندارد برای مثال یکی از الگوریتم های محل یابی زیر آب در [17] و [18] می تواند برای انجام محل یابی استفاده شود. بار اول گره های هیدروفون13 بازگشت صدا را دریافت کرده اند، تفاوت زمانی T - - ، بین رسیدن صدا و بازگشتش را محاسبه می کنند و سپس T ، l، و را برای چاهک می فرستند.[19]
گره هایی که ارسال ندارند اما می توانند صدا را دریافت کنند گره های هیدروفون نامیده می شوند. در سرتاسر ردیابی، اگر هدف خارج از منطقه حس کردن گره پروژکتور برود، پروژکتور دیگری خارج از گره های هیدروفون انتخاب شده است. چاهک، محل، جهت و سرعت - - v هدف شناسایی شده را محاسبه می کند. سپس، بر اساس نتایج این محاسبات، یک گره پروژکتور جدید را انتخاب می کند و گره هایی که در نزدیک مسیر تخمینی از هدف هستند را فعال می کند. برای ذخیره انرژی، تنها گره هایی که هدف را تشخیص می دهند بیدار خواهند شد و بقیه گره ها در حالت خواب باقی می مانند.[19]
گوش دادن غیر فعال:
گره های حسگر چک می کنند که آیا سطح شدتی - - IL سیگنال دریافتی ساطع شده از یک هدف زیر آب، بیشتر از یک مقدار حد آستانه ی شناسایی - - DT از پیش تعریف شده است. SL سطح منبع هدف است، که نویز در باند فرکانسی مورد نظر ساطع شده است و PL، از دست رفتن انتشار زیر آب14 از سیگنال صوتی است.
