基于無線傳感器網(wǎng)絡的定位跟蹤技術研究.pdf

1、作為一項新興的熱點領域，無線傳感器網(wǎng)絡集成了傳感器技術、微電子技術、無線通信技術和分布式信息處理技術，以其先進的理念和廣泛的應用前景日益受到全世界學術界與工業(yè)界的高度關注，成為當前IT領域研究的熱點之一。無線傳感器網(wǎng)絡具有成本低、體積小、組網(wǎng)靈活、部署方便等優(yōu)點，可以被廣泛應用在軍事、戰(zhàn)場目標跟蹤、反恐、災難救援、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、空間探索、智能交通控制、智能農業(yè)等方面。
　　節(jié)點定位和目標跟蹤是無線傳感器網(wǎng)絡研究和應用的關

2、鍵性問題。本文在分析了已有的定位和跟蹤機制的基礎上，以提高定位跟蹤精度、降低節(jié)點能耗、延長網(wǎng)絡壽命為切入點，基于Rang-free理論、協(xié)作理論、粒子濾波等計算方法，開展了基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位和目標跟蹤技術研究。論文在研究方法和思路上力求有所突破，主要研究工作及成果包括如下幾個方面：
　?、俟?jié)點定位是目標跟蹤的基礎和前提條件，只有在參與目標跟蹤的傳感器節(jié)點自身位置確定以后，才能對目標進行準確的定位和跟蹤。針對無線傳感器網(wǎng)絡

3、節(jié)點自定位問題，提出一種基于RSS輔助的非測距移動信標定位算法（RRML）。移動信標節(jié)點在網(wǎng)絡中按照規(guī)劃軌跡運動，并周期性的廣播自身位置，行成虛擬信標點，從而取代傳統(tǒng)的位置固定的信標定位方法。RRML定位過程中節(jié)點利用收到的三個移動信標點來計算自身位置坐標。首先，節(jié)點選擇進入和離開其通信范圍的兩個信標點作為參與計算的信標，利用幾何推理并結合節(jié)點與這兩信標點間的接收信號強度關系，確定選擇的兩信標點與節(jié)點通信圓環(huán)之間的位置關系，從而自適應調

4、整信標點在計算節(jié)點位置時的半徑參數(shù)；然后通過簡單的幾何約束關系計算出節(jié)點的兩個候選位置；最后選擇第三個信標點來確定節(jié)點的準確位置。同時，給出了節(jié)點定位誤差的上限值，并分析了影響節(jié)點定位誤差的主要因素。仿真結果表明，RRML算法的定位精度高、擴展性好，具有較強的魯棒性。
　?、诨跓o線傳感器網(wǎng)絡的目標跟蹤實質就是節(jié)點協(xié)作跟蹤的過程，通過節(jié)點間的相互協(xié)作配合，建立有效的節(jié)點管理機制從而實現(xiàn)對目標的定位跟蹤。在目標偵測階段，針對目標運動

5、的不確定性和不可預測性，提出一種基于范圍預測的節(jié)點激活算法(PRSA)。PRSA算法預測目標下一時刻可能的運動區(qū)域范圍，取代傳統(tǒng)方法預測目標下一時的刻精確位置，減少因位置預測不準確而造成目標丟失。通過分析目標運動狀態(tài)，激活選擇節(jié)點交集區(qū)域內必不可少的節(jié)點對目標進行偵測，減少參與偵測的節(jié)點數(shù)量，保證跟蹤質量的前提下降低網(wǎng)絡能耗。仿真結果表明，PRSA算法能明顯降低網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡壽命。在協(xié)作跟蹤階段，提出一種基于節(jié)點協(xié)作的動態(tài)跟蹤簇構建

6、策略，以傳感器節(jié)點與目標間的距離和節(jié)點的剩余能量為約束條件來構建跟蹤簇，保證網(wǎng)絡高效成簇，提高了網(wǎng)絡執(zhí)行目標跟蹤任務的效率。
　?、坩槍δ繕烁檰栴}，結合節(jié)點激活算法和動態(tài)成簇算法，提出一種并行擴展卡爾曼粒子濾波算法(PEPF)。在網(wǎng)絡動態(tài)分簇模型上，PEPF算法通過簇頭將粒子集劃分為多個子集，并分配到簇內每個簇成員節(jié)點中并行運行，并在簇頭進行信息融合，得到目標狀態(tài)估計。簇內各成員節(jié)點之間不存在信息交換，只有成員節(jié)點與簇頭之間存在

7、信息交換，從而降低網(wǎng)絡通信能耗。由于粒子濾波器被分配到各節(jié)點中并行執(zhí)行，提高了粒子濾波效率和跟蹤反應時間，避免單個節(jié)點能量過度消耗，均衡了網(wǎng)絡能耗。同時，為了避免傳統(tǒng)方法選取轉移概率密度作為重要性密度函數(shù)，使得粒子的產生嚴重依賴于系統(tǒng)狀態(tài)轉移模型的問題，PEPF算法利用擴展卡爾曼濾波器來產生粒子濾波的重要性密度函數(shù)，加入最新觀測量，使得重要性密度函數(shù)抽樣樣本更加接近后驗概率密度產生的樣本，從而提高粒子濾波的效率，減弱粒子退化現(xiàn)象。仿真結