【摘要】：如何在不同的計算環(huán)境中快速而準確的獲取自組織網(wǎng)絡(luò)或目標對象的位置信息,已成為當前研究中至關(guān)重要而又非常困難的問題。而軍事應(yīng)用中,由于對網(wǎng)絡(luò)部署的時效性和可靠性具有更高的要求,則使得這一需要更為迫切。特別是在由于衛(wèi)星覆蓋率、地形遮蔽、天氣氣象、敵方干擾等因素的制約下,戰(zhàn)場環(huán)境中的衛(wèi)星導(dǎo)航'信號失效時,位置計算問題的重要性則愈加凸顯。而另一方面,含有位置標簽的感知信息已經(jīng)成為信息化作戰(zhàn)及當前指揮信息系統(tǒng)的關(guān)鍵使能信息要素,在情報偵查、態(tài)勢感知、戰(zhàn)場可視化、精確火力打擊等方面發(fā)揮著極端重要的作用。論文以無線定位技術(shù)為基本理論,綜合利用圖論、運籌學(xué)、概率論等多學(xué)科領(lǐng)域知識,圍繞“料敵于前,爭奪戰(zhàn)場制信息權(quán)”的軍事應(yīng)用目標,分別針對快速隨機部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位難、非充分覆蓋條件下追蹤難、無預(yù)先部署基礎(chǔ)設(shè)施室內(nèi)空間定位不準以及無專有設(shè)備物理實體感知難四個方面的重要問題,系統(tǒng)深入地探索了在復(fù)雜室內(nèi)外作戰(zhàn)環(huán)境中的位置計算及其應(yīng)用。論文的主要研究工作及創(chuàng)新點總結(jié)如下。1、針對快速隨機部署網(wǎng)絡(luò)定位難問題,提出了一種利用外部被動事件源的快速網(wǎng)絡(luò)定位方法。由于軍事應(yīng)用對于網(wǎng)絡(luò)部署的時效性具有極為嚴苛的要求,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署往往采用快速隨機的方式,通過無人機拋灑進行部署。由于部署區(qū)域的地形、地貌、風向與天氣狀況等外部因素的影響,導(dǎo)致了大量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在初始的部署狀況難以滿足網(wǎng)絡(luò)可定位性的條件。而復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境中又需要這些節(jié)點能夠提供“即插即用”的感知能力。因此,亟需提出針對稀疏的不可定位網(wǎng)絡(luò)的快速定位方法,從而最大限度地發(fā)揮無線傳感網(wǎng)絡(luò)的效能。論文針對該問題展開研究,率先提出了一種利用部署區(qū)域中普遍存在的外部被動事件源的快速定位方法,首次將網(wǎng)絡(luò)的可定位性條件放松至連通的網(wǎng)絡(luò)中至少存在3個以上的可定位節(jié)點,極大的提高了快速隨機部署網(wǎng)絡(luò)的可應(yīng)用性。2、針對快速隨機部署網(wǎng)絡(luò)定位難問題,提出一種分布式的細粒度網(wǎng)絡(luò)調(diào)整方法。該方法通過節(jié)點自身可探測到的路徑信息來制定其調(diào)整策略,從而使得初始狀況下不可定位的網(wǎng)絡(luò)滿足可定位條件。論文通過分布式的方法,將調(diào)整過程中的通信負載和能耗均衡到網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點,從而克服了先前集中式方法的可擴展性限制,極大的縮短了網(wǎng)絡(luò)從部署到調(diào)整至可定位的時間開銷,有利于提高網(wǎng)絡(luò)的效能。實驗顯示,利用本章所提出方法僅需調(diào)整全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的10%左右的節(jié)點就能夠?qū)⑾∈璧木W(wǎng)絡(luò)快速調(diào)整至可定位。該方法所調(diào)整的節(jié)點數(shù)僅為當前學(xué)界認為最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整方法的40%左右。3、針對非充分覆蓋條件下追蹤難問題,提出一種高精度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標追蹤方法。目標追蹤是無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的經(jīng)典問題,在偵查、監(jiān)視、情報等軍事活動中具有相當廣泛的應(yīng)用。當前,絕大多數(shù)現(xiàn)有的目標追蹤方法都是基于三邊定位的方法實現(xiàn)的。這就對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的部署條件提出了一個相當高的要求,即網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域中的任意位置均被至少3個傳感器節(jié)點所覆蓋,否則難以滿足目標追蹤方法的前提條件。軍事應(yīng)用中的隨機部署的無線傳感網(wǎng)絡(luò)難以保證部署的密度,論文探索了一種新的方法,以突破非充分覆蓋區(qū)域內(nèi)難以追蹤目標的固有限制。論文提出了一種雙向粒子濾波器,從而推測目標在非充分覆蓋區(qū)域中的可能位置,以更好的支持軍事應(yīng)用中快速部署的隨機無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,提高網(wǎng)絡(luò)整體的安全抗毀能力。4、針對無基礎(chǔ)設(shè)施室內(nèi)空間定不準問題,提出了一種較高精度的慣性導(dǎo)航方法。室內(nèi)定位問題是近年來的熱點問題,由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號難以到達其內(nèi)部,導(dǎo)致傳統(tǒng)的定位手段在室內(nèi)環(huán)境中失效。近年來,學(xué)界不斷提出新方法來提高室內(nèi)定位的精度,然而這些高精度的方法對室內(nèi)所存在的基礎(chǔ)設(shè)施的種類、數(shù)目及部署密度有著較為嚴格限制,難以適用于普適的室內(nèi)空間。在軍事應(yīng)用中,針對室內(nèi)環(huán)境的作戰(zhàn)行動往往又具有突發(fā)性、即時性等特點,從而難以通過細粒度的勘測或部署基礎(chǔ)設(shè)施的方式來實現(xiàn)室內(nèi)定位。針對這一問題,論文綜合利用了卡爾曼濾波與粒子濾波來降低慣性導(dǎo)航過程中的累積誤差,并首次利用了室內(nèi)空間中的方向地標來降低方向估計的誤差。5、針對無專有設(shè)備物理實體感知難問題,提出了一種室內(nèi)一般性物理實體識別與定位方法及室內(nèi)作戰(zhàn)場景中物理實體語義地圖自動構(gòu)建方法。當前大多數(shù)室內(nèi)定位研究均是以人為中心的,而如何對室內(nèi)空間中廣泛分布,且蘊含著重要語義信息的“物”進行定位,仍是當前極具挑戰(zhàn)性的問題。一般來說,僅僅那些裝備了專有設(shè)備,如RFID標簽、音頻或無線射頻信號發(fā)送或接受裝置的物理實體才能夠被自動的識別并定位,而普遍存在的一般性物理實體是難以被自動的感知識別的。論文創(chuàng)造性的提出一種針對普適室內(nèi)空間中對一般物理實體進行綜合感知從而完成復(fù)雜的室內(nèi)語義地圖構(gòu)建的新思路。論文所提方法利用用戶與物理實體間的交互行為來識別并定位一般性物理實體,并通過群智感知所獲取的大量普通用戶的交互行為,從中挖掘無二義的可識別特征,并通過綜合利用多個獨立用戶對不同物理實體的交互來判定物理實體的位置及分布特征。本研究開發(fā)了基于該方法的原型系統(tǒng),并在真實的室內(nèi)場景中開展了超過一個月的實驗來進行驗證與評估。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.5;TP212.9;E141.1

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