一种面向多浮标系统的冲突感知与可靠性引导的 D-S 融合定位方法

《Ocean Engineering》：A conflict-aware and reliability-guided D–S fusion localization method for multi-buoy systems

　　

•CR-DSF 改善了异构观测和冲突下的定位性能。
•频谱偏差提供了基于信号的浮标质量评分。
•联合概率 - 空间冲突建模捕捉了 BPA 层面的分歧。
•湖泊试验和扰动结果支持了 CR-DSF 的有效性。

引言
分布式多浮标水下声学系统利用空间多样性对非合作目标进行远程定位 (Cao et al., 2022, Zong et al., 2026)。在实际浅水环境中，传播失真、时变多径和接收机信道失配可能导致异构观测质量 (Arikan et al., 2023, Watkins et al., 2025)。低质量观测可能在融合层产生分离的候选位置和证据冲突 (Qiu and Guo, 2025)。因此，在没有先验概率的情况下，稳定的多浮标定位需要能够联合评估观测质量并管理证据冲突的融合方法。

在多浮标定位中，局部候选估计被融合为统一决策，以利用互补观测并抑制异常值影响 (Xiao, 2019)。D-S 证据理论适用于这种设置，因为它使用基本概率分配 (BPA) 来表征对候选定位假设的支持程度，而不需要显式先验 (Zhang et al., 2025)。然而，D-S 融合在高冲突条件下可能会过度将冲突质量归一化到特定假设上，导致违反直觉的决策 (Tang et al., 2023)。Yager 规则通过转移冲突质量到未知集来缓解这个问题，但过度的不确定性保留降低了候选位置之间的区分度 (Yager, 1987)。这些局限性表明，多浮标 D-S 融合定位需要一种鲁棒的协调机制，以实现可靠证据增强、冲突证据抑制和候选假设区分之间的协调。

现有的 D-S 改进策略主要包括组合规则修改和证据折价。前者通过调整冲突再分配来减轻 Dempster 规则的归一化偏差，而后者在融合前根据源可靠性修改 BPA 值。证据距离、信念分歧和信念熵常用于衡量 BPA 差异并构建可靠性权重 (Jousselme et al., 2001, Xiao, 2019)。CDF-GT 进一步引入了复合折价因子的博弈论协调，以减少由单一冲突指标引起的偏差 (Liu et al., 2023)。IECR 对焦点源相互作用进行建模，以在融合过程中自适应分配冲突质量 (Gao and Pan, 2025)。尽管这些方法提高了处理冲突证据的能力，但多标准融合理论表明，仅依赖 BPA 层面的外部指标不足以全面表征证据源的可靠性 (Dong et al., 2024)。在多浮标声学定位中，退化观测数据会影响 BPA 分配和候选位置分布。因此，应将观测质量和空间一致性约束纳入融合框架，以提高在冲突证据下的稳定性。

本文提出了一种称为 CR-DSF 的感知冲突和可靠性引导的 D-S 融合定位方法，用于具有未知先验、观测质量不均和证据冲突的多浮标系统。该方法从多浮标局部解构建候选证据表示，将原始声学信号的频谱结构偏差映射为观测质量评分，并联合建模 BPA 层面的差异和候选位置之间的空间分离。然后引入可靠性调制的 BPA 校正和冲突自适应的未知集转移，以抑制低可靠性或高冲突证据的主导地位，同时保留候选假设的区分度。主要贡献总结如下：
(1) 基于频谱结构的观测质量评估：开发了一种观测质量评估方法，利用原始声学信号中的频谱结构偏差来表征浮标级观测质量，从而在融合前为证据加权提供信号级基础。
(2) 联合概率 - 空间冲突建模：通过结合 BPA 层面的不一致性与候选定位结果之间的空间分离，提出了一种联合冲突指标。
(3) 可靠性调制的 BPA 校正和冲突自适应转移机制：该机制将低可靠性或高冲突证据的部分信念质量转移到未知集，在抑制异常证据的同时保留假设区分度。

本文其余部分安排如下。第 2 节构建了多浮标水下声学观测模型并建立了相应的 D-S 证据表示。第 3 节提出了感知冲突和可靠性引导的 D-S 融合定位方法。第 4 节通过控制扰动分析、消融研究和千岛湖试验验证评估了所提出的方法。第 5 节总结了全文。

章节片段

多矢量浮标的距离 - 方位观测模型
考虑一个由 N 个空间分布浮标组成的多矢量浮标定位系统，如图 1 所示。由于矢量浮标的有效范围通常远大于目标深度，定位建模在二维水平平面上进行。设 ri 和 θi 分别表示第 i 个浮标的距离和方位观测。相应的观测约束表示为 (Qiu and Guo, 2025)：
ri=‖x?si‖+?r,i
θi=atan2y?yi,x?xi+?θ,i
其中?

概率 - 空间证据冲突建模
在证据组合之前，应量化候选证据之间的不一致性，以避免由高冲突源引起的异常信念集中 (Xi et al., 2024)。对于两个证据体 Ea 和 Eb，常规的 BPA 层面冲突定义为：
Kabm=∑A∩B=?A,B?Θma(A)mb(B)
其中 A 和 B 是辨识框架中的焦点元素。较大的 Kabm 表示两个证据体之间较强的 BPA 层面不一致性。在多浮标定位中，证据也可以

实验设置和评估指标
使用千岛湖试验中收集的四浮标数据进行了控制扰动测试和湖泊试验验证。控制扰动分析通过向测量数据引入观测噪声和系统性方位偏差，评估了在退化观测质量和冲突证据下的 CR-DSF。定位实验使用原始湖泊试验信号来估计频谱结构偏差和浮标级观测质量评分，从而评估

结论
本研究提出了 CR-DSF，作为一种可靠性感知的证据融合框架，用于退化和冲突证据条件下的多浮标水下声学定位。不仅依赖 BPA 层面的分歧，CR-DSF 在统一的融合过程中集成了原始信号频谱结构偏差、概率证据冲突和候选位置之间的空间分离。这种设计允许不可靠或高冲突证据被移向未知集

CRediT 作者贡献声明
贾伟文：写作 – 原稿，可视化，验证，方法论，概念化。董东湖聂：写作 – 审查与编辑，写作 – 原稿，监督，方法论，资金获取，形式分析，概念化。乔刚：监督，资源，调查，资金获取。刘博凡：可视化，验证。

竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
本工作得到了国家自然科学基金 (编号 11974090 和 11774074)、国家重点研发计划 (编号 2023YFC3010800)、黑龙江省自然科学基金 (编号 JQ2023A004) 和三亚崖州湾科技城海南特任博士科研基金 (编号 HSPHDSRF-2023-06-006) 的资助。

贾伟文 | 董东湖聂 | 乔刚 | 刘博凡