專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于概率加權(quán)的多目標(biāo)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基 于概率加權(quán)的多目標(biāo)定位方法。
背景技術(shù)：
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線傳感器常常被人為地布置在不同環(huán)境中執(zhí)行各種 監(jiān)測任務(wù)，其中對目標(biāo)定位的研究多采用與傳感器自身定位相同的方法，分為兩 大類基于測距技術(shù)的方法和無需測距技術(shù)的方法。前者通過測量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn) 的距離或角度信息，使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計(jì)法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位 置，這類方法節(jié)點(diǎn)定位精度較高，可以采用多種方法來減小測距誤差對定位的影 響，但需要產(chǎn)生大量的計(jì)算和通信開銷，且節(jié)點(diǎn)對距離和角度的測量誤差對定位 精度影響比較大；后者無需距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實(shí)現(xiàn)，這 類方法定位精度較低，傳感器節(jié)點(diǎn)和未知目標(biāo)的密度都會影響定位精度，但其設(shè) 計(jì)簡單，計(jì)算和通信開銷少，且對硬件要求較低。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請?zhí)枮?00710018566. 7的中國專利， 提出了一種分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位方法，其過程是無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)中的錨節(jié)點(diǎn)將自身坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)ID號、校正值、跳數(shù)信息發(fā)送給全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)， 使全網(wǎng)獲得所有錨節(jié)點(diǎn)的自身信息；各錨節(jié)點(diǎn)在獲得到其他錨節(jié)點(diǎn)最小跳數(shù)后， 進(jìn)行最小均方誤差校正值的計(jì)算，并將該最小均方誤差校正值發(fā)送出去，使所有 普通節(jié)點(diǎn)最終獲得所有錨節(jié)點(diǎn)的最小均方誤差校正值；各普通節(jié)點(diǎn)從所述所有最 小均方誤差校正值信息中挑選出一個(gè)最小均方誤差校正值C，與信息交互所獲得 的各錨節(jié)點(diǎn)自身信息進(jìn)行三邊定位，并進(jìn)行概率挑選，將概率最大的三邊定位坐 標(biāo)作為普通節(jié)點(diǎn)自身位置。
經(jīng)檢索還發(fā)現(xiàn)，專利申請?zhí)枮?00710164581.2的中國專利，提出了一種基于 測距技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，包括至少三個(gè)已知的錨節(jié)點(diǎn)，待測節(jié)點(diǎn)及后臺定位中心，錨節(jié)點(diǎn)將待測節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值和錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號強(qiáng) 度值發(fā)送給后臺定位中心，后臺定位中心計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的距離及坐 標(biāo)。
以上兩種方法定位精度高，并且第一種方法通過挑選最小均方誤差校正值的 方法，減小測距誤差對定位的影響。但是兩種方法都存在著測距技術(shù)的局限性， 測距誤差對定位精度的影響較大，同時(shí)需要產(chǎn)生大量的計(jì)算和通信開銷。并且， 在定位的目標(biāo)數(shù)目增加時(shí)，還會導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸信息的大量增加，對帶 寬要求也相應(yīng)增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 基于概率加權(quán)的多目標(biāo)定位方法，使其在目標(biāo)定位過程中節(jié)約能耗，無需測距， 減少了傳感器探測距離和傳輸距離信息所需的能耗和帶寬，基于事先設(shè)定的加權(quán) 模型對區(qū)域中各網(wǎng)格進(jìn)行加權(quán)，非常適合于多目標(biāo)定位方法的特點(diǎn)和要求。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟
步驟一，將坐標(biāo)已知的平面區(qū)域按網(wǎng)格劃分，將多個(gè)無差異傳感器節(jié)點(diǎn)在區(qū) 域內(nèi)按行列秩序均勻分布，使得該區(qū)域?yàn)槿采w；
步驟二，根據(jù)網(wǎng)格與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，建立網(wǎng)格由傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋取 得的概率加權(quán)模型；
步驟三，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)探測到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)時(shí)，向基站發(fā)送一個(gè)信號包， 信號包中包括了該節(jié)點(diǎn)本身的ID或位置信息，基站接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的表明 探測到目標(biāo)的信號后，根據(jù)步驟二建立的概率加權(quán)模型，對傳感器覆蓋范圍內(nèi)的 網(wǎng)格進(jìn)行加權(quán)；
步驟四，對所有探測到目標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施步驟三的網(wǎng)格加權(quán)過程，全部 加權(quán)過程完成后，得到平面區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的累積權(quán)值；
步驟五，對于單目標(biāo)定位，選取累積權(quán)值超過設(shè)定門限的網(wǎng)格區(qū)域作為目標(biāo) 坐標(biāo)；對于多目標(biāo)定位，累積權(quán)值超過設(shè)定門限的網(wǎng)格將呈現(xiàn)多區(qū)域分布，選取 每個(gè)區(qū)域中累積權(quán)值最大的網(wǎng)格坐標(biāo)，即為目標(biāo)坐標(biāo)。
所述概率加權(quán)模型，其負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)各個(gè)網(wǎng)格被傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋的概率權(quán)值，反 映傳感器節(jié)點(diǎn)在某個(gè)網(wǎng)格偵測到目標(biāo)出現(xiàn)的可信度，概率權(quán)值越大，則可信度越高，即目標(biāo)越有可能在該區(qū)域出現(xiàn)，概率加權(quán)模型的表達(dá)式為
e乂A-《《s,巧〈w+《
c，=
其中，d(《)表示網(wǎng)格由于傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋取得的權(quán)值，R表示傳感器有
p d(Sj,P)= (x, x)'+(y廣
效探測半徑，^表示傳感器誤差探測半徑， 八^ ，表示傳
感器si與任意網(wǎng)格點(diǎn)之間的距離，《 = ^ ,，尸)-(及-&)， ；i,A為加權(quán)模型參數(shù)，
具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際情況選取合適的值；
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
1. 本發(fā)明通過對定位區(qū)域的網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格加權(quán)打分機(jī)制，可以同時(shí)定位多個(gè) 目標(biāo)，是一種并發(fā)式的多目標(biāo)定位方法，避免了分布式多目標(biāo)定位中常見的累積
誤差問題；
2. 本發(fā)明可以隨時(shí)通過探測區(qū)域的網(wǎng)格密度來調(diào)整定位的精度，以適應(yīng)各種應(yīng) 用的實(shí)際需要，節(jié)約能量消耗；
3. 本發(fā)明與距離無關(guān)，傳感器無需測量或回報(bào)與目標(biāo)之間的距離，減少了傳感 器網(wǎng)絡(luò)該部分的能量消耗和信息帶寬，由于無需測距，對傳感器設(shè)備的要求也相 應(yīng)降低；
4. 本發(fā)明復(fù)雜度較低，收斂速度快，適用于目標(biāo)跟蹤方法中的定位；
此外，本發(fā)明與將多目標(biāo)定位分解成單個(gè)目標(biāo)逐一定位的傳統(tǒng)方法相比，彌 補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，大大地提高了多目標(biāo)定位的性能。


圖l本發(fā)明的工作流程圖2是本發(fā)明中網(wǎng)格劃分方式圖3是本發(fā)明中無差異傳感器分布實(shí)例圖4是本發(fā)明的實(shí)施例中一種概率加權(quán)模型曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
以下結(jié)合本發(fā)明所提出的基于概率加權(quán)的多目標(biāo)定位方法，采用不同的網(wǎng)格 劃分密度，具體的三個(gè)實(shí)施例
實(shí)施例一
如圖1所示，本實(shí)施例包括如下步驟
第一步，將坐標(biāo)已知的60cmX60cm平面區(qū)域按60X60劃分網(wǎng)格，如圖2所 示，令13個(gè)無差異傳感器S ^13在區(qū)域內(nèi)按行列秩序均勻分布，如圖3中黑點(diǎn)所 示，使得該區(qū)域?yàn)槿采w，單個(gè)傳感器的覆蓋范圍近似為半徑為及二50cm的圓， 誤差為& = / /3;
第二步，根據(jù)網(wǎng)格與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，建立網(wǎng)格由傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋取
得的概率加權(quán)模型定義傳感器節(jié)點(diǎn)S,的坐標(biāo)S(x,，X)，其中BW13，定義網(wǎng)格
坐標(biāo)尸0C，力，定義網(wǎng)格到傳感器節(jié)點(diǎn)S,的距離d(S,.，尸)=^/(乇-jc)2 +(乂 -力2 ，根
據(jù)"(S，尸)建立概率加權(quán)模型，即網(wǎng)格尸(jc,力由于S,的覆蓋所獲得的權(quán)值C^(S,)，
模型曲線如圖4所示
，H
l，i -《 )
其中R表示傳感器有效探測半徑，A表示傳感器誤差探測半徑，
"=^/(5,,尸)—(及—&)， zl，A為加權(quán)模型參數(shù)，取義=1，々=1;
第三步，傳感器S探測到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)時(shí)，向基站發(fā)送一個(gè)信號包，其中 包括了該節(jié)點(diǎn)本身的ID或位置信息，基站接收到S發(fā)送的表明探測到目標(biāo)的信號 后，根據(jù)己建立的概率加權(quán)模型，對S,覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)格尸(x,力進(jìn)行加權(quán)；
第四步，對所有探測到目標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施第三步的網(wǎng)格加權(quán)過程，全部 加權(quán)過程完成后，得到平面區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的累積權(quán)值；
第五步，對于單目標(biāo)定位，選取累積權(quán)值超過設(shè)定門限的網(wǎng)格區(qū)域作為目標(biāo)
7坐標(biāo)，對于多目標(biāo)定位，累積權(quán)值超過一定門限的網(wǎng)格將呈現(xiàn)多區(qū)域分布，選取 每個(gè)區(qū)域中累積權(quán)值最大的網(wǎng)格坐標(biāo)，即為目標(biāo)坐標(biāo)。
定位精度的計(jì)算采用所得的目標(biāo)位置與其實(shí)際位置的均方誤差作為本方法的 誤差標(biāo)準(zhǔn)e/7w = (x￡。,-xw)2+Ora/-yre。,)2，其中^ror表示誤差距離，單位為厘
米(cm) ， 尺。,表示計(jì)算所得目標(biāo)的坐標(biāo)，xre。,、 ；v,表示實(shí)際測量目標(biāo)的坐
標(biāo)，在網(wǎng)格按60X60劃分的情況下，定位誤差mw-0.8945。
實(shí)施例二
如圖1所示，本實(shí)施例包括如下步驟
第一步，將坐標(biāo)已知的60cmX60cm平面區(qū)域按100X 100劃分網(wǎng)格，如圖2 所示，令13個(gè)無差異傳感器&~513在區(qū)域內(nèi)按行列秩序均勻分布，如圖3所示，
使得該區(qū)域?yàn)槿采w，單個(gè)傳感器的覆蓋范圍近似為半徑為及二50cm的圓，誤差 為^ = / /3;
第二步，根據(jù)網(wǎng)格與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，建立網(wǎng)格由傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋取
得的概率加權(quán)模型定義傳感器節(jié)點(diǎn)S,的坐標(biāo)S(W,)，其中BK13，定義網(wǎng)格
坐標(biāo)尸(x,力，定義網(wǎng)格到傳感器節(jié)點(diǎn)S的距離"(S，i5) = -x)2 +(>;,-力2 ，根 據(jù)"(S,，尸)建立概率加權(quán)模型，即網(wǎng)格尸(x,力由于S,的覆蓋所獲得的權(quán)值C",(S)， 模型曲線如圖4所示
'o,越X5;，尸)
其中R表示傳感器有效探測半徑，a表示傳感器誤差探測半徑，
a二c/os,，尸)—a)， ；i,-為加權(quán)模型參數(shù)，取義=1， - = i;
第三步，傳感器s,探測到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)時(shí)，向基站發(fā)送一個(gè)信號包，其中
包括了該節(jié)點(diǎn)本身的ID或位置信息，基站接收到S,發(fā)送的表明探測到目標(biāo)的信號 后，根據(jù)已建立的概率加權(quán)模型，對S,覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)格尸(;c，力進(jìn)行加權(quán)；
8第四步，對所有探測到目標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施第三步的網(wǎng)格加權(quán)過程，全部 加權(quán)過程完成后，得到平面區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的累積權(quán)值；
第五步，對于單目標(biāo)定位，選取累積權(quán)值超過一定門限的網(wǎng)格區(qū)域中，累積 權(quán)值最大的網(wǎng)格坐標(biāo)，即為目標(biāo)坐標(biāo)，對于多目標(biāo)定位，累積權(quán)值超過一定門限 的網(wǎng)格將呈現(xiàn)多區(qū)域分布，選取每個(gè)區(qū)域中累積權(quán)值最大的網(wǎng)格坐標(biāo)，即為目標(biāo) 坐標(biāo)。
定位精度的計(jì)算采用所得的目標(biāo)位置與其實(shí)際位置的均方誤差作為本方法的 誤差標(biāo)準(zhǔn)em>r = (xOT,—xrea/)2+0;ra,—aot/)2，其中，mw表示誤差距離，單位為 厘米(cm) ， xra,、凡。,表示計(jì)算所得目標(biāo)的坐標(biāo)，xrea/、少^表示實(shí)際測量目標(biāo)的 坐標(biāo)，在網(wǎng)格按100X100劃分的情況下，定位誤差error = 0.7571。
實(shí)施例三
如圖1所示，本實(shí)施例包括如下步驟
第一步將坐標(biāo)已知的60cmX60cm平面區(qū)域按200X200劃分網(wǎng)格，如圖2 所示，令13個(gè)無差異傳感器S &;在區(qū)域內(nèi)按行列秩序均勻分布，如圖3所示， 使得該區(qū)域?yàn)槿采w，單個(gè)傳感器的覆蓋范圍近似為半徑為及二50cm的圓，誤差
為<formula>formula see original document page 9</formula>
第二步根據(jù)網(wǎng)格與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，建立網(wǎng)格由傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋取 得的概率加權(quán)模型定義傳感器節(jié)點(diǎn)5,的坐標(biāo)5(、,>;,)，其中1&、13，定義網(wǎng)格
坐標(biāo)戶(X,力，定義網(wǎng)格到傳感器節(jié)點(diǎn)S,的距離<formula>formula see original document page 9</formula> ，根 據(jù)J(S,尸)建立概率加權(quán)模型，即網(wǎng)格尸(X,力由于S,的覆蓋所獲得的權(quán)值C",(S)， 模型曲線如圖4所示<formula>formula see original document page 9</formula>
其中R表示傳感器有效探測半徑，^表示傳感器誤差探測半徑，a-J(S,，戶)-C/ -^)， ；i，^為加權(quán)模型參數(shù)，取義=1， A = i;
第三步傳感器S探測到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)時(shí)，向基站發(fā)送一個(gè)信號包，其中
包括了該節(jié)點(diǎn)本身的ID或位置信息，基站接收到S,發(fā)送的表明探測到目標(biāo)的信號
后，根據(jù)已建立的概率加權(quán)模型，對S,覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)格P(X，力進(jìn)行加權(quán)；
第四步對所有探測到目標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施第三步的網(wǎng)格加權(quán)過程，全部
加權(quán)過程完成后，得到平面區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的累積權(quán)值；
第五步對于單目標(biāo)定位，選取累積權(quán)值超過一定門限的網(wǎng)格區(qū)域中，累積
權(quán)值最大的網(wǎng)格坐標(biāo)，即為目標(biāo)坐標(biāo)，對于多目標(biāo)定位，累積權(quán)值超過一定門限
的網(wǎng)格將呈現(xiàn)多區(qū)域分布，選取每個(gè)區(qū)域中累積權(quán)值最大的網(wǎng)格坐標(biāo)，即為目標(biāo)坐標(biāo)。
定位精度的計(jì)算采用所得的目標(biāo)位置與其實(shí)際位置的均方誤差作為本方法的
誤差標(biāo)準(zhǔn)，enw = -xrea,)2 +(義。,-少_,)2 ，其中mw表示誤差距離，單位為厘 米(cm) ， xM/、 ^,表示計(jì)算所得目標(biāo)的坐標(biāo)，；crea,、 ；v,表示實(shí)際測量目標(biāo)的坐 標(biāo)在網(wǎng)格按200X200劃分的情況下，定位誤差"rw-0.5806。
權(quán)利要求
1、一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于概率加權(quán)的多目標(biāo)定位方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一，將坐標(biāo)已知的平面區(qū)域按網(wǎng)格劃分，將多個(gè)無差異傳感器節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)按行列秩序均勻分布，使得該區(qū)域?yàn)槿采w；步驟二，根據(jù)網(wǎng)格與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，建立網(wǎng)格由傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋取得的概率加權(quán)模型；步驟三，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)探測到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)時(shí)，向基站發(fā)送一個(gè)信號包，信號包中包括了該節(jié)點(diǎn)本身的ID或位置信息，基站接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的表明探測到目標(biāo)的信號后，根據(jù)步驟二建立的概率加權(quán)模型，對傳感器覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加權(quán)；步驟四，對所有探測到目標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施步驟三的網(wǎng)格加權(quán)過程，全部加權(quán)過程完成后，得到平面區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的累積權(quán)值；步驟五，對于單目標(biāo)定位，選取累積權(quán)值超過設(shè)定門限的網(wǎng)格區(qū)域作為目標(biāo)坐標(biāo)；對于多目標(biāo)定位，累積權(quán)值超過設(shè)定門限的網(wǎng)格將呈現(xiàn)多區(qū)域分布，選取每個(gè)區(qū)域中累積權(quán)值最大的網(wǎng)格坐標(biāo)為目標(biāo)坐標(biāo)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于概率加權(quán)的多目標(biāo)定位方法， 其特征是，所述概率加權(quán)模型，其負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)各個(gè)網(wǎng)格被傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋的概率權(quán) 值，反映傳感器節(jié)點(diǎn)在某個(gè)網(wǎng)格偵測到目標(biāo)出現(xiàn)的可信度，概率權(quán)值越大，則可 信度越高，概率加權(quán)模型的表達(dá)式為其中，^""')表示網(wǎng)格由于傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋取得的權(quán)值，R表示傳感器有ff d(S,,P)= (Xj x)2+(y,-y)2效探測半徑，^表示傳感器誤差探測半徑， "7 ，表示傳感器Si與任意網(wǎng)格點(diǎn)之間的距離，"=^/(5,,戶)-(及-&)， zl,-為加權(quán)模型參數(shù)， 具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際情況選取合適的值。
全文摘要
一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于概率加權(quán)的多目標(biāo)定位方法，本發(fā)明中，對傳感器網(wǎng)絡(luò)分布的平面區(qū)域做網(wǎng)格劃分，并依據(jù)網(wǎng)格與傳感器節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系建立網(wǎng)格概率加權(quán)模型，傳感器節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)進(jìn)行偵測，并按照概率加權(quán)模型賦予各個(gè)網(wǎng)格一定的權(quán)值，每個(gè)網(wǎng)格對不同傳感器節(jié)點(diǎn)所賦予該網(wǎng)格的權(quán)值求和，權(quán)值之和超過一定門限的網(wǎng)格所在坐標(biāo)，即為目標(biāo)坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。本發(fā)明避免了分布式多目標(biāo)定位中常見的累積誤差問題，提高了多目標(biāo)定位的性能，節(jié)約能量消耗，對傳感器設(shè)備的要求也相應(yīng)降低。
文檔編號H04W64/00GK101466146SQ20091004500
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者徐建良, 徐昌慶, 希 查, 樓財(cái)義, 裴智強(qiáng) 申請人:上海交通大學(xué);中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所