本文關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位與跟蹤參數(shù)估計(jì)研究

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【摘要】：“物聯(lián)網(wǎng)”已成為當(dāng)今信息技術(shù)領(lǐng)域最為關(guān)注的熱點(diǎn)之一,其核心組成——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)因具有技術(shù)理念先進(jìn)、組網(wǎng)靈活快速、部署方便易行等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),近年來受到全球范圍研究者及工業(yè)企業(yè)界的高度關(guān)注。目前,在戰(zhàn)場態(tài)勢監(jiān)測、反恐應(yīng)急處置、地質(zhì)災(zāi)害救援、智能交通物流和環(huán)境保護(hù)監(jiān)管等諸多領(lǐng)域,WSN已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。同時(shí),面對不斷增長的復(fù)雜場景模式和多樣化的具體業(yè)務(wù)需求,也對WSN及其相關(guān)技術(shù)研究提出了新的挑戰(zhàn)。針對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)施定位和跟蹤是WSN理論和應(yīng)用研究中最基本、最關(guān)鍵的重要課題。論文充分調(diào)研了國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域的研究與進(jìn)展,所做工作及創(chuàng)新成果主要包括四個(gè)方面內(nèi)容。1.為解決傳統(tǒng)RSSI(Received Signal Strength Indication)定位法存在的線性截?cái)嗾`差和直接擬合精度的問題,針對室內(nèi)無線射頻信號信道傳輸模型特性,提出了一種基于有限輪次循環(huán)濾波和尺度優(yōu)化UKF濾波的復(fù)合式室內(nèi)協(xié)作定位估計(jì)算法。將確定型采樣濾波和信息融合理論結(jié)合構(gòu)建了定位參數(shù)向量模型,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理校正,把定位問題描述為非線性優(yōu)化近似估計(jì)問題,面向信道參數(shù)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行聯(lián)合估計(jì),并引入噪聲估計(jì)器抑制濾波發(fā)散。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)的復(fù)合式定位算法在處理較大背景噪聲下室內(nèi)節(jié)點(diǎn)定位問題時(shí)能夠更好地提高估值精度、保證收斂、具有更強(qiáng)的魯棒性。2.針對以往運(yùn)用粒子濾波解決目標(biāo)高精度跟蹤時(shí)存在粒子數(shù)量巨大、難于選取的問題,研究了DOA(Time Delay of Arrival)精確定位跟蹤技術(shù)及其解算方法,提出了一種基于改進(jìn)粒子濾波的時(shí)延差跟蹤參數(shù)估計(jì)算法。依據(jù)非線性次優(yōu)估計(jì)原理及目標(biāo)跟蹤理論,構(gòu)建了時(shí)延差跟蹤參數(shù)向量模型,運(yùn)用CKF(Cubature Kalman Filter)和G-N(Gauss-Newton)迭代方法相結(jié)合設(shè)計(jì)粒子濾波所需重要性密度函數(shù),融合最新觀測信息,使其更加逼近目標(biāo)真實(shí)后驗(yàn)概率密度,提升了濾波效率并減輕了粒子貧化現(xiàn)象。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在粒子數(shù)目選取較少情況下,改進(jìn)算法在處理TDOA目標(biāo)節(jié)點(diǎn)跟蹤問題方面可以更好地提高位置估計(jì)精度,降低計(jì)算復(fù)雜度,能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的預(yù)測和跟蹤。3.依據(jù)長帶狀網(wǎng)絡(luò)對定位性能的特殊需求,研究了網(wǎng)絡(luò)建模性能參數(shù)和節(jié)點(diǎn)部署機(jī)制,提出了基于跳距修正的節(jié)點(diǎn)定位估計(jì)算法。根據(jù)協(xié)作定位理論和網(wǎng)絡(luò)連通特性建立了參數(shù)估計(jì)模型,預(yù)先考慮相鄰節(jié)點(diǎn)間連通性差異,綜合改進(jìn)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)廣播機(jī)制和每跳加權(quán)平均估計(jì)策略,并采用梯度下降法對定位估計(jì)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化修正。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提算法能夠在低計(jì)算復(fù)雜度的情況下,實(shí)現(xiàn)對長帶狀網(wǎng)絡(luò)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的快速準(zhǔn)確定位。4.面向特定區(qū)域目標(biāo)檢測、定位和跟蹤等實(shí)際應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)研發(fā)了用以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位跟蹤技術(shù)的便攜式小型化原型節(jié)點(diǎn)設(shè)備,構(gòu)建了適用于WSN環(huán)境的節(jié)點(diǎn)定位跟蹤系統(tǒng)。使用高精度濾波估計(jì)處理算法,完成了對特定區(qū)域移動目標(biāo)的精確跟蹤實(shí)驗(yàn)。論文研究了室內(nèi)單一場景到室外混合環(huán)境模式,及其具有長距離帶狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)。從使用單獨(dú)的循環(huán)濾波修正方法逐步拓展到運(yùn)用復(fù)合型非線性信息融合技術(shù),并應(yīng)用于構(gòu)建WSN定位跟蹤原型系統(tǒng),為解決目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在不同場景下的定位和跟蹤問題提供了多種思路。對于WSN定位跟蹤技術(shù)在實(shí)際工程問題中進(jìn)一步推廣應(yīng)用,做出了相應(yīng)的探索與實(shí)踐。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.5;TP212.9

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本文編號：1272038