专利名称：一种无线传感器网络目标定位的位置估计方法
技术领域：
本发明涉及一种无线传感器网络目标定位的位置估计方法，尤其涉及一种 用于无线传感器网络定位系统的位置估计方法。
背景技术：
随着无线传感器网络定位系统的应用日益广泛，对定位稳定性、抗噪性和 准确度有更高的要求。传统定位系统是由目标获得到多个锚节点的距离值，以 通过三边定位法、最小二乘法、和极大似然法估计目标的坐标。由于一般的定 位系统采用的是简单的测距技术，所得到的距离值含有较大的噪声，通过三边 定位法、最小二乘法、极大似然法估计得出的位置准确度不足且受噪声影响敏 感。支持向量回归机是基于统计学习理论发展起来的新型学习机器，它基于结 构风险最小化原则，在小样本情况下的非线性回归估计问题中表现出良好的泛 化能力，已广泛地应用于非线性系统辨识、预报预测、建模与控制等方面。其中国内专利号为CN02826868.7的用于确定位置信息的方法，用于为无线 装置估计相对位置信号，所述方法为从两个或多个确定相对位置的替换方式中 得到各个估计,且估计中至少一个包括第一和第二装置中的一个和一个第三装 置之间的相对位置估计，然后再组合这些估计以提供新的估计。国内专利号为 CN02829561.7的用于估计移动设备的位置的方法和系统， 一种估计移动设备 的位置的方法，包括以下步骤收集位置信息；选择多个不同的定位方法中的 至少一个方法来提供位置估计；以及根据至少一个选择的定位方法提供位置估 计。国内专利号为CN02150140.8的一种位置估计方法，包括步骤l:在进行位 置估计时，利用实时获取的非可视(NLOS)误差的均值对到达时间(TOA)测量量 中包含的均值大于零的NLOS误差进行零均值矫正；步骤2:利用实时获取的NLOS误差的方差对加权最小二乘位置估计中的加权矩阵中的元素进行自适应 调整；步骤3:进行定位位置的加权最小二乘估计，获得本次的位置估计值； 步骤4:对多次获取的多个位置估计值进行平均，得到最后的位置估计值。国内专利号200710062845.3的无线传感器网络的加权距离矢量定位方法， 该方法是在现有DV-hop定位方法基础上，综合考虑多个锚节点估计的平均每跳 距离，对接收的各个锚节点的平均每跳距离进行加权处理，距离越近的锚节点 的加权值越大，利用计算的最终平均每跳距离计算未知节点与锚节点之间的距 离。国内专利号200510130687是一种无线传感器网络无锚点定位的分布式实 现方法，通过各个网络节点相互测量距离数值来获得各自感知范围内的邻居信 息，多次交换彼此的估计坐标。基于蜂窝网络的无线定位系统采用到达时间定位技术通过测量从目标发 出的信号以直线到达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度可以得到移动 台与基站之间的距离。移动台即位于以基站为圆心，移动台到基站的电波传播 距离为半径的圆上。通过多个基站进行上述测量计算，移动台的二维位置坐标 可出三个圆的交点确定。当三个圆无法交于一点时，目标的二维位置坐标难以 确定。综上所述不能有效的抑制侧距噪声的影响，而且也不能很好的确定位置估 计的准确度。发明内容为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种无线传感器网络目标 定位的位置估计方法。本发明是通过以下技术方案实现的本发明所涉及的一种无线传感器网络目标定位的位置估计方法，包括 选取无线传感器网络监测范围内任意数量的位置；选用数学建模方法；对选取的无线传感器网络监测范围内的任意位置到多个锚节点的直线距 离与该位置坐标的非线性关系进行建模；目标位置估计时以距离矢量作为模型输入，输出得到目标位置的估计值。 其中位置估计方法还包括以下步骤对无线传感器网络监测范围进行网格化，且以网格的端点作为位置点；计算位置点到各个锚节点的直线距离组成距离矢量；以每个位置点所计算的距离矢量作为位置估计模型的输入样本，以相对应 位置点的坐标值作为输出样本；使用数学建模方法对模型输入、输出样本进行回归学习，得到位置估计模型；将目标到各个锚节点的测距矢量作为模型输入，模型输出为目标位置的估 计值。本发明提供的技术方案的有益效果是通过计算无线传感器网络监测范围内一定数量的位置点到多个锚节点的 直线距离作为输入样本，以所述位置点的坐标作为输出样本，采用数学建模方 法支持向量回归机对输入、输出样本进行回归学习，得到估计位置的决策函数; 然后利用目标到各个锚节点的测距矢量作为决策函数的输入，输出得到目标位 置的估计值。使本发明极大地抑制侧距噪声的影响，而且还明显地提高了位置 估计的准确度。
图l是位置估计方法流程图；图2是位置估计方法的具体实现流程图；图3是位置估计模型样本计算示意图；图4是目标位置估计示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述参见图l，本实施例提供了一种无线传感器网络目标定位的位置估计方法， 该方法是通过对网络监测范围内的任意位置对多个锚节点的直线距离与该位 置坐标的非线性关系进行建模并使用所得模型来实现对目标坐标值进行估计， 包括以下步骤-步骤101:在无线传感器网络监测范围内选取任意数量的位置。 步骤102:选用数学建模方法。步骤103:对选取的无线传感器网络监测范围内的任意位置到多个锚节点 的直线距离与所述位置坐标的非线性关系进行建模。步骤104:目标位置估计时以距离矢量作为模型输入，输出得到目标位置 的估计值。本实施例首先通过数学运算得到目标轴位置估计模型的输入输出样本，并 使用支持向量回归机对样本回归学习得到估计轴的决策函数，则具体步骤参见 图2，包括步骤201:对无线传感器网络监测范围进行网格化，且以网格的端点作为 位置点。步骤202:计算位置点到各个锚节点的直线距离组成距离矢量。步骤203:以每个位置点所计算的距离矢量作为位置估计模型的输入样本，以相对应位置点的坐标值作为输出样本。位置点的坐标x作为目标x轴的估计模型输出样本，且位置点的坐标Y作为目标Y轴的估计模型输出样本。步骤204:使用数学建模方法对模型输入、输出样本进行回归学习，得到位置估计模型。其中采用数学建模方法支持向量回归机对所述目标X、 Y轴的估 计模型的输入、输出样本进行回归学习，得到估计X、 Y轴坐标的决策函数。步骤205:将目标到各个锚节点的距离矢量作为模型输入，模型输出为目标位置的估计值。其中是将目标到各个锚节点的测距矢量输入到X轴坐标的决 策函数获得目标X轴的估计值，输入到Y轴坐标的决策函数获得目标Y轴的估计 值。参见图3 ， 已知无线传感器网络监测范围 (a，凡)-"，a) (0<x。<&，0<;;。<a),尺(《23)个锚节点以及坐标 (")，(x"),…,(《，义)，其中x。 <x,' < W。 </ <凡(^幻。首先通过数学运算得 到目标X轴估计模型和目标Y轴估计模型的输入输出样本。先对无线传感器网络 监测范围进行网格化，以网格的端点作为位置点，得到^个位置点以及坐标 (x;,力,(《,;;;),…,(4，力),其中x。 <x: <xAj。 <乂<^(/￡AO。计算每个位置点到各个锚节点的直线距离组成矩阵D^d;,d'2，…,d^，其中d:《K](/eAO，比如 《2则为位置点1到锚节点2的直线距离。目标乂轴估计模型输入(1:(/ = 1,2，...,#)，输出为<(/=1,2,...，7\0,则训练样本为7;={( ),^'2，《)，...，((1;^;/)}，目标Y轴估计模 型训练样本为7; = {((1;,力，((1'2,;4)，...， ^)}。使用支持向量回归机对目标乂轴估计模型和目标Y轴估计模型的样本进行回归学习得到估计X轴坐标的决策函数y;(x)^gO+^和估计Y轴坐标的决策函数y;(x)—、gO+^。参见图4，无线传感器网络监测范围内的目标使用测距技术，如红外、RSSI、声音等，得到与锚节点的测距矢量"=["1，《,...,^]，其中《为目标到锚节点1的测量距离。R作为估计X轴坐标的决策函数输入，输出;U力(R)则为目标的X轴坐 标；R作为估计Y轴坐标的决策函数输入，输出少-人(R)则为目标的Y轴坐标。 同理定位系统获得到锚节点到目标的测距矢量，输入决策函数获得位置的估计。本实施例提供的方法能够采用数学建模方法支持向量回归机对输入、输出 样本进行回归学习，得到估计位置的决策函数，并利用目标到各个锚节点的测 量距离作为决策函数的输入，输出得到目标位置的估计值。以上所述，仅为本发明较佳的
具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1、一种无线传感器网络目标定位的位置估计方法，其特征在于，包括选取无线传感器网络监测范围内任意数量的位置；选用数学建模方法；对选取的无线传感器网络监测范围内的任意位置到多个锚节点的直线距离与该位置坐标的非线性关系进行建模。
2、 根据权利要求l所述的位置估计方法，其特征在于，其中目标位置估计 时以距离矢量作为模型输入，输出得到目标位置的估计值。
3、 根据权利要求l所述的位置估计方法，其特征在于，所述方法还包括以 下步骤对无线传感器网络监测范围进行网格化，且以网格的端点作为位置点； 计算位置点到各个锚节点的直线距离组成距离矢量；以每个位置点所计算的距离矢量作为位置估计模型的输入样本，以相对应 位置点的坐标值作为输出样本；使用数学建模方法对模型输入、输出样本进行回归学习，得到位置估计模型；将目标到各个锚节点的测距矢量作为模型输入，模型输出为目标位置的估 计值。
4、 根据权利要求3所述的位置估计算法，其特征在于，所述位置点的坐标 X作为目标X轴的估计模型输出样本，且位置点的坐标Y作为目标Y轴的估计模型输出样本。 '
5、 根据权利要求3或4所述的位置估计算法，其特征在于，其中采用数学 建模方法支持向量回归机对所述目标X、 Y轴的估计模型的输入、输出样本进 行回归学习，得到估计X、 Y轴坐标的决策函数。
6、 根据权利要求5所述的位置估计算法，其特征在于，目标位置估计时采 用目标与锚节点的测距矢量作为位置估计模型输入所述X轴坐标的决策函数 中，并且输出一相应值，则该输出值为目标X轴坐标估计值。
7、 根据权利要求6所述的位置估计算法，其特征在于，将所述目标到锚节 点的测距矢量输入所述Y轴的决策函数，并输出一相应值，则该输出值为目标 Y轴坐标的估计值。
全文摘要
本发明公开了一种无线传感器网络目标定位的位置估计方法，包括首先选取无线传感器网络监测范围内任意数量的位置，利用数学建模方法，对选取的网络监测范围内的任意位置到多个锚节点的直线距离与该位置坐标的非线性关系进行建模，并在目标位置估计时，以目标到多个锚节点的距离矢量作为模型输入，输出得到目标位置的估计值。通过本发明可以极大地抑制测距噪声的影响，明显地提高了位置估计的精度。
文档编号G01S5/02GK101216546SQ20081005619
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月15日 优先权日2008年1月15日
发明者刘桂雄, 周松斌, 张晓平, 洪晓斌 申请人:华南理工大学