基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法，包括如下步驟：S01：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點按編號順序廣播數(shù)據(jù)包；S02：完成每輪廣播后數(shù)據(jù)上傳控制中心，控制中心通過計算判斷實時目標(biāo)數(shù)量；S03：對所有目標(biāo)通過加性模型計算全局動態(tài)理論信號強度矩陣，從而計算目標(biāo)位置似然度；S04：通過馬爾可夫鏈蒙特卡羅算法對所有目標(biāo)進行實時追蹤?？赏瑫r追蹤無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多個移動目標(biāo)，進一步的，提高追蹤精確度。
【專利說明】基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點等，是當(dāng)前備受關(guān)注的熱點研究領(lǐng)域，是信息采集和感知的一場革命，廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、智能家居、城市交通以及樓道和工廠的安全監(jiān)控領(lǐng)域。其中，定位與追蹤是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要研究方向之一，主要是借助于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通信所使用的射頻信號進行目標(biāo)感知，也被稱為基于射頻接收信號強度的定位方法，即根據(jù)已知傳感器節(jié)點發(fā)來的信號強度值，綜合分析整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點信號強度，來判斷目標(biāo)所處的位置。
[0003]隨著無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，人們對目標(biāo)定位與追蹤技術(shù)的需求也日益增大。除了需要在室外環(huán)境下對移動的人員、車輛進行實時的定位與追蹤，在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，尤其是高檔住宅小區(qū)、展廳、倉庫、超市、地下停車場等場景中，常常需要獲得目標(biāo)(人員或物品)的實時位置信息。
[0004]在現(xiàn)有的無源定位與追蹤技術(shù)中，目標(biāo)不會主動與追蹤系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，追蹤算法通過分析傳感器節(jié)點返回的衰減信號程度對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動目標(biāo)進行定位、追蹤。無源定位技術(shù)通過使用無線射頻傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了穿墻追蹤、無源追蹤和環(huán)境參數(shù)自適應(yīng)估計。但現(xiàn)有的無源定位技術(shù)只能實現(xiàn)覆蓋區(qū)域內(nèi)單個移動目標(biāo)的定位和追蹤，當(dāng)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)多個目標(biāo)時，由于信號的互相干擾及高度相似性，現(xiàn)有技術(shù)尚無法對其進行同時追蹤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明提供基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法，可同時追蹤無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多個移動目標(biāo)，進一步的，提高追蹤精確度。
[0006]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法，包括如下步驟:
[0008]SOl:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點按編號順序廣播數(shù)據(jù)包:所述數(shù)據(jù)包包括自身傳感器節(jié)點的編號、自身傳感器節(jié)點此刻接收到的信號強度，所有傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)包并同時記錄自身射頻接收模塊的即時信號強度，當(dāng)傳感器節(jié)點接收到上一個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)包后，自動作為下一個廣播的傳感器節(jié)點；
[0009]S02:匯聚節(jié)點接收所有實時數(shù)據(jù)，并在完成一輪廣播后，將數(shù)據(jù)上傳控制中心，控制中心計算接收信號強度值與無干擾下的靜態(tài)信號強度的差值的絕對值，計算出目標(biāo)數(shù)量M ；
[0010]S03:對M個目標(biāo)通過加性模型計算全局動態(tài)理論信號強度矩陣，通過與匯聚節(jié)點收集到的動態(tài)信號強度矩陣進行似然度計算，計算目標(biāo)位置似然度；
[0011]S04:通過馬爾可夫鏈蒙特卡羅算法對M個目標(biāo)進行實時追蹤。
[0012]使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能同時定位、追蹤網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多個移動目標(biāo)，追蹤方法簡單。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時信號衰減強度的無源多目標(biāo)追蹤技術(shù)，能夠在檢測區(qū)域內(nèi)實時定位追蹤多個入侵物體，入侵物體無需佩戴任何電子設(shè)備與追蹤系統(tǒng)配合?？蓮V泛應(yīng)用于室內(nèi)、室外的安全防范領(lǐng)域，實現(xiàn)對入侵目標(biāo)的實時監(jiān)測，也能夠應(yīng)用于災(zāi)害中的搜救領(lǐng)域，實現(xiàn)在火災(zāi)地震等災(zāi)害中幸存者的位置檢測，還能夠應(yīng)用于軍警演習(xí)等領(lǐng)域，實現(xiàn)在巷戰(zhàn)中對敵方室內(nèi)目標(biāo)的精確打擊等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法的流程圖；
[0015]圖2是本發(fā)明一個場景的示意圖；
[0016]圖3是加性模型衰減對比圖；
[0017]圖4是馬爾可夫鏈蒙特卡羅算法。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步的詳細(xì)描述，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。
[0019]如圖1和圖2所示，其中圖1是本方法的流程圖，圖2是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個室內(nèi)、外場景示意圖，包括N個傳感器節(jié)點和一個匯聚節(jié)點(圖中未示出)，N個傳感器節(jié)點按照數(shù)字I，2，3...N順序編號。
[0020]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法，具體步驟如下:
[0021]SOl:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點按編號順序廣播數(shù)據(jù)包:所述數(shù)據(jù)包包括自身傳感器節(jié)點的編號、自身傳感器節(jié)點此刻接收到的信號強度。每個傳感器節(jié)點廣播時，其他所有傳感器節(jié)點均能夠接收到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)廣播的數(shù)據(jù)包。
[0022]所有傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)包并同時記錄自身射頻接收模塊的即時信號強度，當(dāng)傳感器節(jié)點接收到上一個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)包后，自動作為下一個廣播的傳感器節(jié)點，廣播數(shù)據(jù)包。例如編號為2的傳感器節(jié)點廣播結(jié)束后，其余所有的傳感器節(jié)點都接收數(shù)據(jù)包并同時記錄自身射頻接收模塊的即時信號強度，且編號為3的傳感器節(jié)點自動作為下一個廣播的傳感器節(jié)點進行廣播。
[0023]S02:匯聚節(jié)點接收所有實時數(shù)據(jù)，并在完成一輪廣播后，將數(shù)據(jù)上傳控制中心，控制中心計算接收信號強度值與無干擾下的靜態(tài)信號強度的差值的絕對值，計算出目標(biāo)數(shù)量M0
[0024]優(yōu)選在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署時，收集目標(biāo)區(qū)域無干擾下的靜態(tài)信號強度矩陣表(即2維N*N矩陣表，橫軸與縱軸均表示傳感器節(jié)點，矩陣值為無線射頻信號強度值)，矩陣表可經(jīng)過大量數(shù)據(jù)平均等降噪處理方法后存儲為固定的靜態(tài)信號強度矩陣。相對應(yīng)的，在實際檢測中，匯聚節(jié)點從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的無線射頻信號強度可形成動態(tài)信號強度矩陣。
[0025]控制中心將動態(tài)信號強度矩陣與靜態(tài)信號強度矩陣進行比較，通過矩陣計算和/或最小范數(shù)二次無偏估計等線性數(shù)學(xué)計算方法，計算出兩個矩陣的誤差矩陣(誤差矩陣是差值矩陣(即動態(tài)信號強度矩陣與靜態(tài)信號強度矩陣相減的差值矩陣)乘以特征矩陣后，再和差值矩陣的轉(zhuǎn)置相乘獲得)，同時設(shè)置誤差閥值，當(dāng)誤差矩陣中元素數(shù)值高于誤差閥值時，則判斷其為一個獨立目標(biāo)，否則為普通噪聲。通過比較計算出目標(biāo)數(shù)量M。需說明的是:為了便于區(qū)分，將誤差矩陣的矩陣值稱為元素，而動態(tài)信號強度矩陣與靜態(tài)信號強度矩陣的矩陣值仍稱為矩陣值。
[0026]S03:對M個目標(biāo)通過加性模型計算全局動態(tài)理論信號強度矩陣，其中，全局動態(tài)理論信號強度矩陣即為M個目標(biāo)所產(chǎn)生的動態(tài)理論信號強度矩陣疊加的和所產(chǎn)生的新的理論信號強度矩陣，代表了區(qū)域內(nèi)所有入侵目標(biāo)的信號強度綜合值。通過使用全局動態(tài)理論信號強度矩陣與匯聚節(jié)點收集到的動態(tài)信號強度矩陣進行似然度計算，計算目標(biāo)位置似然度。
[0027]其中加性模型即假設(shè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)每一個移動目標(biāo)相對網(wǎng)絡(luò)信號強度的衰減量是加性相加的，如圖3所示，假設(shè)區(qū)域中有A，B兩個入侵目標(biāo)，經(jīng)過大量實地數(shù)據(jù)監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn):目標(biāo)A單獨處于網(wǎng)絡(luò)中時對射頻信號強度的衰減，加上目標(biāo)B單獨處于網(wǎng)絡(luò)時對射頻信號強度的衰減，等于目標(biāo)A，B同時出現(xiàn)時對于網(wǎng)絡(luò)射頻信號強度的衰減和。
[0028]加性模型如公式(I)所示，其中M為入侵目標(biāo)數(shù)量，k為時間序列，Zk為與收集自匯聚節(jié)點的動態(tài)信號強度值相同格式的理論信號強度值，為模型增益固定量，可根據(jù)區(qū)域環(huán)境進行提前設(shè)置，^為室內(nèi)無線信號的理論方差值，同樣可根據(jù)室內(nèi)區(qū)域環(huán)境的不同進行提前設(shè)置，Xnik為第m個目標(biāo)在時刻k的坐標(biāo)位置,Cl1 (Xmk), d2 (Xmk)分別為目標(biāo)坐標(biāo)位置與編號為I的傳感器節(jié) 點及編號為2的傳感器節(jié)點之間的距離，D12(Xmk)則為編號為I的傳感器節(jié)點與編號為2的傳感器節(jié)點之間的距離。
[0029]
【權(quán)利要求】
1.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法，其特征在于，包括如下步驟: SOl:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點按編號順序廣播數(shù)據(jù)包:所述數(shù)據(jù)包包括自身傳感器節(jié)點的編號、自身傳感器節(jié)點此刻接收到的信號強度，所有傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)包并同時記錄自身射頻接收模塊的即時信號強度，當(dāng)傳感器節(jié)點接收到上一個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)包后，自動作為下一個廣播的傳感器節(jié)點； S02:匯聚節(jié)點接收所有實時數(shù)據(jù)，并在完成一輪廣播后，將數(shù)據(jù)上傳控制中心，控制中心計算接收信號強度值與無干擾下的靜態(tài)信號強度的差值的絕對值，計算出目標(biāo)數(shù)量M ; 503:對M個目標(biāo)通過加性模型計算全局動態(tài)理論信號強度矩陣，通過與匯聚節(jié)點收集到的動態(tài)信號強度矩陣進行似然度計算，計算目標(biāo)位置似然度； 504:通過馬爾可夫鏈蒙特卡羅算法對M個目標(biāo)進行實時追蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法，其特征在于，在步驟S02中，控制中心計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的動態(tài)信號強度矩陣與無干擾下的靜態(tài)信號強度矩陣的誤差矩陣，同時設(shè)置誤差閥值，當(dāng)誤差矩陣中元素數(shù)值高于誤差閥值時，則判斷為一個獨立目標(biāo)，否則為普通噪聲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法，其特征在于，在步驟S03中，在目標(biāo)區(qū)域范圍的坐標(biāo)內(nèi)通過均勻分布對每一個目標(biāo)隨機產(chǎn)生Np個虛擬預(yù)測的坐標(biāo)位置，計算每一個虛擬預(yù)測的坐標(biāo)位置與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路的相對位置，通過加性模型將不同時刻所有M個目標(biāo)相對應(yīng)虛擬預(yù)測的坐標(biāo)位置計算相應(yīng)的射頻衰減信號理論值，得到每一個目標(biāo)的動態(tài)理論信號強度矩陣，并相加同一時刻M個動態(tài)理論信號強度矩陣得到Np個全局動態(tài)理論信號強度矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種多目標(biāo)無源追蹤方法，在k時刻，將Np個全局動態(tài)理論信號強度矩陣分別與匯聚節(jié)點收集到的動態(tài)信號強度矩陣進行似然度計算，計算公式為:
【文檔編號】G01S5/00GK103885029SQ201410158609
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】陳曦 申請人:蘇州果殼傳感科技有限公司