專利名稱：一種基于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法。
背景技術(shù)：
水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指在一定的水域中部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)和自主車協(xié)作監(jiān)測和采集周圍環(huán)境感興趣數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自組織地建立起網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行聲通信，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，指定節(jié)點(diǎn)將獲取的數(shù)據(jù)傳送到水面或者岸基的控制中心，這樣就實(shí)現(xiàn)了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)與陸地通信網(wǎng)絡(luò)的融合。水下傳感器通常具有低功耗、傳輸距離短的特點(diǎn)。水下目標(biāo)跟蹤是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要應(yīng)用。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)分布廣、數(shù)量多，節(jié)點(diǎn)間可以相互協(xié)作、交換數(shù)據(jù)，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，這有利于擴(kuò)大目標(biāo)的跟蹤范圍、加強(qiáng)目標(biāo)跟蹤的可靠性和實(shí)時(shí)性。水下目標(biāo)跟蹤多為非線性問題，粒子濾波方法在非線性非高斯問題中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，在陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已有粒子濾波用于目標(biāo)跟蹤問題，因此水下目標(biāo)跟蹤問題多采用粒子濾波方法。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法根據(jù)粒子濾波工作方式的不同可以分為集中式粒子濾波跟蹤和分布式粒子濾波跟蹤。集中式的粒子濾波跟蹤方法網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)將跟蹤目標(biāo)的測量數(shù)據(jù)傳送給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)運(yùn)用粒子濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，估計(jì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。集中式的粒子濾波跟蹤方法使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不夠穩(wěn)定且負(fù)載不平衡，分布式的粒子濾波跟蹤方法克服了這些缺點(diǎn)，根據(jù)粒子濾波存在形式的不同大致上分為四種。第一種方法網(wǎng)絡(luò)中不同時(shí)刻不同數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)運(yùn)行粒子濾波算法，根據(jù)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的預(yù)測軌跡，選擇離預(yù)測位置最近的可行節(jié)點(diǎn)作為處理節(jié)點(diǎn)。處理節(jié)點(diǎn)隨著機(jī)動(dòng)目標(biāo)軌跡的改變而變化，解決了集中式粒子濾波中網(wǎng)絡(luò)脆弱和負(fù)載不平衡的問題。第二種方法為了克服查詢過程中可能存在的巨大損耗，采用簡單的擴(kuò)充處理節(jié)點(diǎn)的方式，即網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)都同時(shí)運(yùn)行相同的粒子濾波算法，測量值來自整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳感器采集的數(shù)據(jù)。第三種方法假設(shè)每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)都有相應(yīng)數(shù)量的傳感器與之唯一相連，每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行不同的粒子濾波算法，更新測量值采用與之相連的傳感器所采集的數(shù)據(jù)。第四種方法考慮到粒子濾波粒子數(shù)越多，對機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤軌跡的精度越高，而單個(gè)處理節(jié)點(diǎn)容量有限，所以將粒子集分為若干個(gè)子集分別在不同的處理節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行粒子濾波。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法。基于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法的步驟如下:I)初始化水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 使所有傳感器節(jié)點(diǎn)都具有同一規(guī)格，并且都處于工作狀態(tài)；
2)選擇水下接收信號(hào)強(qiáng)度最大的傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，與簇頭節(jié)點(diǎn)在單跳通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)組簇，其余傳感器節(jié)點(diǎn)保持在休眠狀態(tài)；3)簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)進(jìn)行觀測，將接收到的信號(hào)的強(qiáng)度與預(yù)設(shè)門限相比較，若高于預(yù)設(shè)門限則發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點(diǎn)，反之不發(fā)送；4)設(shè)定初始狀態(tài)估計(jì)值和初始方差估計(jì)值；5)在k時(shí)刻根據(jù)步驟2)組簇，并將上一時(shí)刻粒子濾波估計(jì)的狀態(tài)估計(jì)值和方差估計(jì)值打包傳送給此k時(shí)刻的簇頭節(jié)點(diǎn)；6)進(jìn)行k時(shí)刻的改進(jìn)重采樣的粒子濾波，從重要密度函數(shù)中采樣N個(gè)粒子，再更新采樣粒子，進(jìn)行粒子改進(jìn)重采樣，最后輸出目標(biāo)的位置估計(jì)值和方差估計(jì)值；7) k時(shí)刻自加1，根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)不斷地更新簇頭節(jié)點(diǎn)，在簇頭節(jié)點(diǎn)更換時(shí)將上一簇頭節(jié)點(diǎn)的信息 傳送給當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)；8)重復(fù)步驟5)-步驟7)，直至目標(biāo)脫離水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域?yàn)橹?。所述的步驟6)為:從 q(xt I 4—I，Λ)采集粒子-γ ，i = 1，...，N,并計(jì)算重要性權(quán)重和歸一化重要性權(quán)重，其中9( 14—是建議分布，采集的N個(gè)粒子重要性權(quán)重為{4^} ι，歸一化后權(quán)重為瑪，對粒子進(jìn)行重采樣更新，更新方法為:根據(jù)粒子權(quán)重的大小來選擇保留的粒子，原本粒子穿過概率墻即被保存的方法被舍棄，當(dāng)粒子權(quán)重穿過多個(gè)概率墻時(shí)，放棄復(fù)制粒子的模式，而采用以下策略:當(dāng)復(fù)制個(gè)數(shù)為2η偶數(shù)時(shí)，產(chǎn)生2 (η-1)個(gè)新粒子:
權(quán)利要求
1.一種基于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于它的步驟如下: 1)初始化水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使所有傳感器節(jié)點(diǎn)都具有同一規(guī)格，并且都處于工作狀態(tài)； 2)選擇水下接收信號(hào)強(qiáng)度最大的傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，與簇頭節(jié)點(diǎn)在單跳通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)組簇，其余傳感器節(jié)點(diǎn)保持在休眠狀態(tài)； 3)簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)進(jìn)行觀測，將接收到的信號(hào)的強(qiáng)度與預(yù)設(shè)門限相比較，若高于預(yù)設(shè)門限則發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點(diǎn)，反之不發(fā)送； 4)設(shè)定初始狀態(tài)估計(jì)值和初始方差估計(jì)值； 5)在k時(shí)刻根據(jù)步驟2)組簇，并將上一時(shí)刻粒子濾波估計(jì)的狀態(tài)估計(jì)值和方差估計(jì)值打包傳送給此k時(shí)刻的簇頭節(jié)點(diǎn)； 6)進(jìn)行k時(shí)刻的改進(jìn)重采樣的粒子濾波，從重要密度函數(shù)中采樣N個(gè)粒子，再更新采樣粒子，進(jìn)行粒子改進(jìn)重采樣，最后輸出目標(biāo)的位置估計(jì)值和方差估計(jì)值； 7)k時(shí)刻自加1，根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)不斷地更新簇頭節(jié)點(diǎn)，在簇頭節(jié)點(diǎn)更換時(shí)將上一簇頭節(jié)點(diǎn)的信息傳送給當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)； 8)重復(fù)步驟5)-步驟7)，直至目標(biāo)脫離水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域?yàn)橹埂?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法，其特征是:所述的步驟6)為:從4 q{xk I xL，^)采集粒子4，i = 1，...，N，并計(jì)算重要性權(quán)重和歸一化重要性權(quán)重，其中14—ρΛ)是建議分布，采集的N個(gè)粒子重要性權(quán)重為，歸一化后權(quán)重為匈，對粒子進(jìn)行重采樣更新，更新方法為:根據(jù)粒子權(quán)重的大小來選擇保留的粒子，原本粒子穿過概率墻即被保存的方法被舍棄，當(dāng)粒子權(quán)重穿過多個(gè)概率墻時(shí)，放棄復(fù)制粒子的模式，而采用以下 策略: 當(dāng)復(fù)制個(gè)數(shù)為2η偶數(shù)時(shí)，產(chǎn)生2(η-1)個(gè)新粒子: 當(dāng)復(fù)制個(gè)數(shù)為2n+l奇數(shù)時(shí)，產(chǎn)生2n個(gè)新粒子:Σ “…々士 Σ +士 *Σ L} 其中Σ為新粒子的分散度變量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法。該方法首先根據(jù)最強(qiáng)信號(hào)原則選擇簇節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)單跳距離準(zhǔn)則組成簇網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)進(jìn)行觀測，如果觀測信號(hào)強(qiáng)度超過閾值，則發(fā)送觀測數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)接收到粗內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)重采樣的粒子濾波算法對當(dāng)前時(shí)刻的目標(biāo)位置和方差進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)不斷地更新簇頭節(jié)點(diǎn)，將上一簇頭節(jié)點(diǎn)狀態(tài)估計(jì)值和方差估計(jì)值傳送給當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)，再由當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)采用改進(jìn)的重采樣粒子濾波算法估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置，直到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)超出了水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跟蹤范圍；本發(fā)明使用改進(jìn)重采樣算法的粒子濾波跟蹤方法估計(jì)水下目標(biāo)的位置和方差，提高水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤性能。
文檔編號(hào)H04W40/24GK103152791SQ20131004048
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者謝立, 周圣賢, 宋克蘭 申請人:浙江大學(xué)