基於接收信號能量指示測量的目標跟蹤方法
2023-05-17 10:10:31 1
專利名稱：基於接收信號能量指示測量的目標跟蹤方法
技術領域：
本發明涉及的是一種網絡技術領域的方法，具體是一種基於接收信號能量指示(ReceiveSignal Strength Indicator，RSSI)測量的目標跟蹤方法。
背景技術：
無線傳感器網絡被認為是二十一世紀最重要的新興技術之一。隨著無線通信技術、傳感器技術、微機電系統技術、集成電路技術、分布式信息處理技術等技術的發展，使得大量廉價、智能的傳感器設備通過無線通信組成無線傳感器網絡成為可能。從當前的無線傳感器網絡發展趨勢來看，對運動目標的定位技術具有更為廣泛的應用價值。如軍事偵察、空中交通管制、路面監控、工業製造等方面。對無線傳感器網絡定位的研究目前主要集中於靜止目標的定位研究，而實際應用中的待監測目標多為運動目標，因此如何有效的對運動目標，尤其是機動目標進行相對精確的定位依然是一個有待深入研究的課題。
目前無線傳感器網絡定位中常常採用超聲波定位法和GPS定位法以達到對目標的定位。近年來，RSSI定位方法開始應用在無線傳感器網絡中。現有技術存在以下缺點。RSSI技術多局限在對靜止無線傳感器節點的定位，對於移動目標的定位尚未應用。通過RSSI技術測量到的數據，多用傳統的三邊測量方法進行處理，此種方法精度不高。
經過對現有技術的檢索發現，以2007年8月IEEE computer society舉辦的第十屆歐洲微型數字系統設計會議中Abdalkarim Awad發表的題為Adaptive Distance Estimation andLocalization in WSN using RSSI Measures(無線傳感器網絡中的基於接收信號能量指示測量的自適應距離估計與定位方法)的會議論文。該文獻記載了將RSSI技術引入到無線傳感器網絡定位中，但是僅僅是用於對靜止的節點定位。而且在定位過程中，對於非線性的定位系統，運用的是傳統三邊測量方法，所以導致定位精度不高。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提出一種基於接收信號能量指示測量的目標跟蹤方法，將RSSI測量和UKF(Unscented Kalman Filter無軌跡卡爾曼濾波器)方法引入到無線傳感器網絡對運動目標的跟蹤中，獲得了比傳統的三邊定位測量法更為精確的定位跟蹤。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括如下步驟 步驟一、首個無線傳感器節點作為協調器節點開始建立網絡，協調器節點確定網絡標示與無線信道，其餘無線傳感器節點掃描檢測已存在的無線信道與網絡標示並向協調器節點發送加入網絡請求，待收到來自協調器節點的加入答覆後以路由器形式或終端設備形式加入網絡並建立無線通道； 步驟二、所有無線傳感器節點從協調器節點處獲得各自的網絡地址與地理坐標，任一無線傳感器節點主動與網絡外的待測運動目標節點建立狀態方程和無線通道並接收數據包； 步驟三、傳感器節點解析數據包獲得待測運動目標節點與該無線傳感器節點之間的能量損耗值，然後將能量損耗值轉換為徑向距離並將該無線傳感器節點的地理坐標與徑向距離發送至協調器節點； 步驟四、協調器節點接收到多個無線傳感器節點發送的包含有地理坐標與徑向距離數據包後，選擇奇數個採樣點並賦予所述每個採樣點權重，每一個採樣點進行狀態檢測與協方差檢測；根據所有狀態檢測與協方差檢測結合採樣點權重進一步得到狀態交互協方差和測量協方差並通過代入無軌跡卡爾曼濾波器公式進行狀態更新與檢測，得到待測運動目標的在該時刻的坐標值與速度值。
所述的代入無軌跡卡爾曼濾波器公式進行狀態更新與檢測是指已知狀態量的均值X和協方差P，選擇一組採樣點集合併賦予每個採樣點權重，通過對採樣點集和進行非線性變換來近似非線性函數的概率密度分布。
所述的採樣點的選擇規律如下 其中X為狀態量(坐標值與速度值)的均值X，P為狀態量的協方差，採樣點集合中採樣點的個數為2n+1個，n為狀態向量維數，採樣點為Ai，對應的權值為Wi，λ為一尺度函數。通常取n+λ＝3。
上述步驟二到步驟四以隨時間遞增循環進行。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果UKF方法對目標的位置和速度上的跟蹤精度高於EKF方法和三邊定位方法，跟蹤精度最高；對於實際WSN系統，RSSI為一種常用的測距手段。因此將UKF和RSSI測量技術結合起來，在實際WSN系統中具有良好的實用前景；因此，本專利在軍事、環境監測、醫療衛生、工業自動化、公共安全等領域的無線傳感器網絡目標跟蹤中有廣泛的應用前景。
圖1為本發明中的RSSI測量技術的原理圖； 圖2為實施例對勻速運動目標的跟蹤效果圖。
圖3為實施例對勻速運動目標在X方向的距離濾波誤差圖。
圖4為實施例對勻速運動目標在Y方向的距離濾波誤差圖。
圖5為實施例對勻速運動目標在X方向的速度濾波誤差圖。
圖6為實施例對勻速運動目標在Y方向的速度濾波誤差圖。
圖7為實施例對勻加速運動目標的跟蹤效果圖。
圖8為實施例對勻加速運動目標在X方向的距離濾波誤差圖。
圖9為實施例對勻加速運動目標在Y方向的距離濾波誤差圖。
圖10為實施例對勻加速運動目標在X方向的速度濾波誤差圖。
圖11為實施例對勻加速運動目標在Y方向的速度濾波誤差圖。
具體實施例方式 下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
本實施例的應用包括網絡分布區域為半徑為50m的圓形區域；100個傳感器隨機均勻分布在半徑為50m的圓形區域內；一個外來目標在該區域內運動； 設定目標在二維平面內運動，探測區域為以(0，0)為圓心，50m為半徑的圓形區域。過程噪聲和量測噪聲，均為高斯白噪聲。其中過程噪聲的均值為0，方差為0.3m；量測噪聲的均值為0，方差為1.5m。採樣時間為1s。
初始值為勻速運動X0＝[-30，-30，1，1]T；勻加速運動X0＝[-30，0，1，1]T； 步驟100、首個無線傳感器節點作為協調器節點開始建立網絡，協調器節點確定網絡標示與無線信道，其餘無線傳感器節點掃描檢測已存在的無線信道與網絡標示並向協調器節點發送加入網絡請求，待收到來自協調器節點的加入答覆後以路由器形式或終端設備形式加入網絡並建立無線通道； 步驟200、所有無線傳感器節點從協調器節點處獲得各自的網絡地址與地理坐標，任一無線傳感器節點主動與網絡外的待測運動目標節點建立狀態方程和無線通道並接收數據包； 步驟300、傳感器節點解析數據包獲得待測運動目標節點與該無線傳感器節點之間的能量損耗值，然後將能量損耗值轉換為徑向距離並將該無線傳感器節點的地理坐標與徑向距離發送至協調器節點； 對於一個進入到無線傳感器區域內的外部運動目標，其狀態方程為 X(k+1)＝φX(k)+Lωk (公式一) 由於採用三邊定位方法，傳感器節點對運動目標的距離量測方程為 (公式二) 1、當目標做勻速運動，其參數分別 ωk＝[ωx，ωy]T； 2、當目標做勻加速運動，其參數分別 L＝
T，ωk＝ωxωy； 其中X為運動目標的狀態量。X中x，y為目標坐標值。
為目標分別在x，y方向的速度值。
為目標分別在x，y方向的加速度值。Zn為傳感器節點測量到自身距離目標的量測距離。ωk與v分別為過程噪聲與量測噪聲，均為高斯白噪聲。
步驟401，已知狀態向量維數n＝4，選擇2n+1＝9個si gma採樣點並進行無軌跡變換。
計算9個sigma採樣點Ai和相對應的權值Wi (公式三) 其中，X為狀態量(坐標值與速度值)的均值X，P為狀態量的協方差。採樣點個數為2n+1個，n＝4，，採樣點為Ai，對應的權值為Wi，λ為一尺度函數。通常取n+λ＝3。
步驟402，通過得到的sigma採樣點和相對應的權重進行UKF濾波。
對所有sigma採樣點Ai的一步檢測為 ξi(k+1|k)＝φAi(公式四) 狀態一步檢測為 (公式五) 協方差的一步檢測為 (公式六) 量測sigma採樣一步檢測 (公式七) 其中h為量測方程。
檢測量測 (公式八) 測量和狀態交互協方差 (公式九) 測量協方差 (公式十) 新息協方差為 S(k+1)＝Pzz+R(k+1) (公式十一) 濾波增益為 K(k+1)＝PxzS-1(k+1) (公式十二) 新息為 (公式十三) 狀態更新方程 (公式十四) 協方差更新方差 P(k+1|k+1)＝P(k+1|k)-K(k+1)S(k+1)KT(k+1) (公式十五) 至此，得到X(k+1|k+1)，即K+1時刻運動目標的坐標值與速度值。隨著時刻k增長，上述步驟401與402不斷的循環，不斷得到運動目標在時刻k的坐標值與速度值 本實施例基於RSSI測量技術的UKF濾波對勻速運動目標的跟蹤結果如圖2所示，圖3圖4分別為X，Y方向的距離濾波誤差圖。圖5圖6分別為X，Y方向的速度濾波誤差圖。對勻加速運動目標的跟蹤結果如圖7所示，圖8圖9分別為X，Y方向的距離濾波誤差圖。圖10圖11分別為X，Y方向的速度濾波誤差圖。
從圖2、3、4、5、6可以看出，對勻速運動目標的跟蹤結果，基於RSSI測量技術的UKF方法，在距離與速度上的濾波誤差均小於傳統的三邊定位和EKF方法。從圖7、8、9、10、11可以看出，對勻加速運動目標的跟蹤結果，基於RSSI測量技術的UKF方法，在距離與速度上的濾波誤差均小於傳統的三邊定位和EKF方法。具有較高的濾波精度。
本實施例的檢測精度如下表所示
權利要求
1.一種基於接收信號能量指示測量的目標跟蹤方法，其特徵在於，包括如下步驟
步驟一、首個無線傳感器節點作為協調器節點開始建立網絡，協調器節點確定網絡標示與無線信道，其餘無線傳感器節點掃描檢測已存在的無線信道與網絡標示並向協調器節點發送加入網絡請求，待收到來自協調器節點的加入答覆後以路由器形式或終端設備形式加入網絡並建立無線通道；
步驟二、所有無線傳感器節點從協調器節點處獲得各自的網絡地址與地理坐標，任一無線傳感器節點主動與網絡外的待測運動目標節點建立狀態方程和無線通道並接收數據包；
步驟三、傳感器節點解析數據包獲得待測運動目標節點與該無線傳感器節點之間的能量損耗值，然後將能量損耗值轉換為徑向距離並將該無線傳感器節點的地理坐標與徑向距離發送至協調器節點；
步驟四、協調器節點接收到多個無線傳感器節點發送的包含有地理坐標與徑向距離數據包後，選擇奇數個採樣點並賦予所述每個採樣點權重，每一個採樣點進行狀態檢測與協方差檢測；根據所有狀態檢測與協方差檢測結合採樣點權重進一步得到狀態交互協方差和測量協方差並通過代入無軌跡卡爾曼濾波器公式進行狀態更新與檢測，得到待測運動目標的在該時刻的坐標值與速度值。
2.根據權利要求1所述的基於接收信號能量指示測量的目標跟蹤方法，其特徵是，步驟二中所述的狀態方程為
X(k+1)＝φX(k)+Lωk，
傳感器節點對運動目標的距離量測方程為
當目標做勻速運動，其參數分別為
ωk＝[ωx，ωv]T；
當目標做勻加速運動，其參數分別為
L＝
T，ωk＝ωxωy；
其中X為運動目標的狀態量，X中x，y為目標坐標值，
為目標分別在x，y方向的速度值，
為目標分別在x，y方向的加速度值，Zn為傳感器節點測量到自身距離目標的量測距離，ωk與v分別為過程噪聲與量測噪聲，均為高斯白噪聲。
3.根據權利要求1所述的基於接收信號能量指示測量的目標跟蹤方法，其特徵是，步驟四中所述的代入無軌跡卡爾曼濾波器公式進行狀態更新與檢測是指已知狀態量的均值X和協方差P，選擇一組採樣點集合併賦予每個採樣點權重，通過對採樣點集和進行非線性變換來近似非線性函數的概率密度分布。
4.根據權利要求3所述的基於接收信號能量指示測量的目標跟蹤方法，其特徵是，所述的採樣點的選擇規律如下
其中X為狀態量(坐標值與速度值)的均值X，P為狀態量的協方差，採樣點集合中採樣點的個數為2n+1個，n為狀態向量維數，採樣點為Ai，對應的權值為Wi，λ為一尺度函數。
5.根據權利要求3所述的基於接收信號能量指示測量的目標跟蹤方法，其特徵是，所述的代入無軌跡卡爾曼濾波器公式進行狀態更新與檢測是指
對所有sigma採樣點Ai的一步檢測為
ξi(k+1|k)＝φAi
狀態一步檢測為
協方差的一步檢測為
量測sigma採樣點的一步檢測
ζi(k+1|k)＝h(k+1，Ai(k+1|k))
其中h為量測方程；
檢測量測
測量和狀態交互協方差
測量協方差
新息協方差為
S(k+1)＝Pzz+R(k+1)
濾波增益為
K(k+1)＝PxzS-1(k+1)
新息為
狀態更新方程
協方差更新方差
P(k+1|k+1)＝P(k+1|k)-K(k+1)S(k+1)KT(k+1)
至此，隨著時間的遞增上述步驟不斷的循環以完成無軌跡卡爾曼濾波。
全文摘要
一種無線傳感器網絡技術領域的基於接收信號能量指示測量的目標跟蹤方法，包括建立網絡；獲得網絡地址與地理坐標，與網絡外的待測運動目標節點建立狀態方程和無線通道並接收數據包；傳感器節點解析數據包獲得待測運動目標節點與該無線傳感器節點之間的能量損耗值，然後將能量損耗值轉換為徑向距離並將該無線傳感器節點的地理坐標與徑向距離發送至協調器節點；協調器節點根據採樣點狀態檢測與協方差檢測結合採樣點權重進一步得到狀態交互協方差和測量協方差並通過代入卡爾曼濾波進行狀態更新與檢測，得到待測運動目標節點坐標與速度值。本發明跟蹤精度高於EKF方法和三邊定位方法，在實際WSN系統中具有良好的實用前景。
文檔編號G01S1/02GK101819267SQ201010138209
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者李建勳, 張直 申請人:上海交通大學