一种数据融合下移动目标无线增强定位方法与流程

本发明属于无线定位技术领域，具体涉及一种数据融合下移动目标无线增强定位方法。

背景技术：

移动目标动态定位技术由于能够说明在什么位置发生了什么事情，受到各位研究者的广泛关注。在工业生产中，移动目标定位技术是实现工厂生产车间自主移动机群高效生产的基础，能够自主跟踪移动目标实时位置。在人员监测中，目标定位技术能够帮助统计人员数量，分析优化自主移动机群人员工序以及绘制人员移动轨迹。随着移动目标定位应用环境逐渐恶劣，且其多机协作任务日趋复杂，如多机作业、工厂物流、智能调度等，对移动目标定位精度要求也不断提高，并且要求定位精度在全局范围内具有较强的稳定性。

当前移动目标定位技术主要有卫星定位、无线定位、惯性导航、里程计、视觉定位等多种方式。在室外或者空中开阔环境中为移动目标安装卫星接收器能够实时获得移动目标的运动位置，且成为了一种成熟而可靠的方案。在室内或者工厂封闭环境中移动目标存在多机协作任务，且卫星信号受到遮蔽而无法进行卫星导航，无法满足移动目标在定位区域获得精确稳定的位置参数。随着传感器网络及信息处理技术在移动目标定位领域的渗透，无线传感器网络集智能化、网络化与分布式等优点，采用无线传感网络通过无线信号-测距实现目标定位，在减弱移动目标运动过程无线信号受到复杂动静态障碍物的干扰情况下，可以实现对移动目标进行信息采集、数据处理、融合解算及位置跟踪等任务。

围绕移动目标群基于位置服务的应用需求，为了能够适应更加复杂的应用环境，精确并稳健地对移动目标实施多目标联合作业，使移动目标能够按照功能需求移动到预定目的地，可以利用无线传感器网络分布式定位特点，来构建移动目标精确定位系统，将分散在定位区域各移动目标实时运动情况传输给监控中心，来增强移动目标分布式定位性能。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种数据融合下移动目标无线增强定位方法，能够提高移动目标无线定位精度。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种数据融合下移动目标无线增强定位方法，包括：

基于无线节点能量消耗均衡进行无线节点位置配置，构建无线网络；

移动目标在预设位置接收来自无线网络中相关无线节点不同幅值的无线信号；

移动目标在与该预设位置拓扑结构相似位置接收来自无线网络中相关无线节点不同幅值的无线信号；

对所有无线信号进行数据融合；

基于所述融合后的数据，得到移动目标位置测量方程；

结合移动目标的状态方程和移动目标位置测量方程，估算出移动目标位置，完成数据融合下移动目标无线增强定位。

可选地，所述基于无线节点能量消耗均衡进行无线节点位置配置，包括以下步骤：

以每个无线节点在单位时间消耗相似能量为目标；

基于处于不同位置的无线节点数据量，调整各无线节点的传输距离，使得各单个无线节点生存准时间一致，实现整个无线网络生存时间最优。

可选地，单个无线节点在单位时间消耗相似能量的计算公式为：

econ(sni)＝et(ktrs)+et(d,ktrs,α)+er(krev)

其中，econ(sni)表示无线网络中第i个无线节点在单位时间消耗相似能量，sni表示无线网络中的第i个无线节点，et(ktrs)表示无线节点发送数据ktrs时电路能量消耗，er(krev)表示无线节点接收数据krev时电路能量消耗，et(d,ktrs,α)表示与衰减系数α、发送数据ktrs及节点间传输距离di有关的能量消耗。

可选地，移动目标运行在预设位置locw接收到m个节点无线信号移动目标运行在拓扑结构相似位置locv接收m个节点无线信号

所述对所有无线信号进行数据融合，包括：

计算在预设位置locw和拓扑结构相似位置locv无线信号相关系数ρ(sw,sv)；

计算最大相关系数获得两组无线信号，得到能够表征移动目标位置的无线信号；

比较无线信号相关系数ρ(sw,sv)，选择相关系数大的两组无线信号，并赋予无线信号不同的融合系数λw和1-λw；

基于该两组无线信号得到融合后的无线信号si＝[swsv][λw1-λw]^t。

可选地，所述结合移动目标的状态方程和移动目标位置测量方程，估算出移动目标位置，包括以下步骤：

结合所述移动目标的状态方程和位置测量方程，采用卡尔曼滤波得到移动目标位置。

可选地，所述移动目标的状态方程为：

其中，表示在t时刻移动目标坐标运动学参数，xk,yk,zk表示移动目标位置，表示移动目标的速度，表示移动目标的加速度，uk表示过程噪声满足零均值高斯噪声，表示运动状态的转移函数。

可选地，所述移动目标位置测量方程为：

其中，vk表示零均值高斯噪声，[xo,yo,zo]表示无线节点的三维坐标；[xk,yk,zk]表示移动目标位置。

可选地，所述估算出移动目标位置步骤之后还包括：

采用不等式约束，对估算出来的移动目标位置进行错误剔除。

可选地，所述采用不等式约束，对估算出来的移动目标位置进行错误剔除，包括以下步骤：

以定位区域结构物边界作为约束条件，其中，移动目标运行的最大边界cmax为[xmax,ymax,zmax]^t，移动目标运行的最小边界cmin为[xmin,ymin,zmin]^t；

利用最大边界cmax与最小边界cmin建立移动目标位置一次估计值[xk,yk,zk]^t的约束关系，使得移动目标位置横坐标满足xmin≤xk≤xmax，纵坐标满足ymin≤yk≤ymax，高度坐标满足zmin≤zk≤zmax。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明以网络构建、信号测距、定位解算以及定位增强为主线进行移动目标无线增强定位。在网络构建构成中，以网络生存时间最佳为目标函数进行无线网络配置；在信号测距过程中，移动目标与无线节点在不同几何位置会收到差异的无线信号，采用相关性分析来表征相似几何距离间无线信号幅值相似性，并融合相关性最大的两组无线信号进行移动目标与无线节点间距离测量；基于无线测距值、运动学特性以及噪声估计，建立位置测量方程和状态方程进行移动目标的一次位置估计；移动目标移动不确定性以及无线信号受到干扰，采用不等式约束进行移动目标错误定位滤除，来减弱无线传感网定位量测信息存在不确定性，提高数据融合下移动目标定位精度。本发明以无线测距和无线定位为基础，具有分布式无累计误差的特点，为移动目标高精度定位服务提供基础。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的一种数据融合下移动目标无线增强定位结构图；

图2为本发明的一种数据融合下移动目标无线信号关联示意图；

图3为本发明的一种数据融合下移动目标无线增强定位解算图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明提供了一种数据融合下移动目标无线增强定位方法，如图1-3所示，包括以下步骤：

基于无线节点能量消耗均衡进行无线节点位置配置，构建无线网络；

移动目标在预设位置接收来自无线网络中相关无线节点不同幅值的无线信号；

移动目标在与该预设位置拓扑结构相似位置接收来自无线网络中相关无线节点不同幅值的无线信号；

对所有无线信号进行数据融合；

基于所述融合后的数据，得到移动目标位置测量方程；

结合移动目标的状态方程和移动目标位置测量方程，估算出移动目标位置，完成数据融合下移动目标无线增强定位。

由于在无线网络移动目标分布式定位中，无线网络覆盖部署会影响无线网络生存时间，进而影响移动目标定位精度和可靠性。因此，在本发明的一种具体实施例中，所述基于无线节点能量消耗均衡进行无线节点位置配置，是以无线网络生存时间为目标函数，基于不同位置无线节点的能量消耗进行无线节点的三维部署，具体操作如下：

以每个无线节点在单位时间消耗相似能量为目标；单个无线节点在单位时间消耗相似能量的计算公式为：

econ(sni)＝et(ktrs)+et(d,ktrs,α)+er(krev)

其中，econ(sni)表示无线网络中第i个无线节点在单位时间消耗相似能量，sni表示无线网络中的第i个无线节点，et(ktrs)表示无线节点发送数据ktrs时电路能量消耗，er(krev)表示无线节点接收数据krev时电路能量消耗，et(d,ktrs,α)表示与衰减系数α、发送数据ktrs及节点间传输距离di有关的能量消耗。

基于处于不同位置的无线节点数据量，调整各无线节点的传输距离，使得各单个无线节点生存准时间一致，实现整个无线网络生存时间最优，其中，无线节点在无线通信过程中采用多跳路由的方式；由于作业区域存在建筑物以及设备容易给无线通信造成非视距影响，综合考虑无线节点能量有效、非视距影响进行作业区域无线节点的三维覆盖。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，多源无线信号融合能够增强无线测距性能，采集无线节点与移动目标间的无线信号，基于网络拓扑中相似几何距离相似无线信号，对非线性无线信号进行相关性分析，考虑通信范围内无线信号序列分布规律，选取相关性最大的两组无线信号进行融合，具体地：

无线节点通信过程中在传输功率及模式相似时，相邻无线移动节点获得相似几何距离，其接收到来自无线节点的信号幅值相似，存在位置空间与信号空间的映射关系。移动目标运行在预设位置locw接收到m个节点无线信号移动目标运行在拓扑结构相似位置locv接收m个节点无线信号

计算在预设位置locw和拓扑结构相似位置locv无线信号相关系数ρ(sw,sv)；

无线信号容易受到环境噪声和传感器噪声干扰，多无线信号融合能够增强无线测距性能，通过计算最大相关系数获得两组无线信号，得到能够表征移动目标位置的无线信号；

比较无线信号相关系数ρ(sw,sv)，选择相关系数大的两组无线信号，并赋予无线信号不同的融合系数λw和1-λw；

基于该两组无线信号得到融合后的无线信号si＝[swsv][λw1-λw]^t。

在本发明的一种具体实施例中，以移动目标运动区域作为定位子空间，分析移动目标运动学特性结合过程噪声分布建立位置解算状态方程，基于无线节点与移动目标无线信号测距值结合测量噪声分布建立位置解算测量方程，通过迭代估计得到无线网络下移动目标位置的一次估计，具体包括以下步骤：

移动目标运行过程中具有动力学特性和运动学特性，在t时刻移动目标坐标运动学参数为过程噪声满足零均值高斯噪声uk，运动状态的转移函数为则在t+1时刻移动目标的状态方程可以表示为

在建立移动目标状态方程前提下，需要根据无线传感网测距值及无线节点初始坐标建立移动目标的测量方程。由于移动目标会接收到m个无线节点信号，而移动目标位置解算只需要三个无线节点与移动目标的信号就可以解算出具体位置，基于移动目标与无线节点差异的信号幅值，构建含有测距误差的移动目标与无线节点间的测量方程。无线节点sni的三维坐标为a＝[xo,yo,zo]^t，测量噪声满足零均值高斯噪声vk，无线节点sni与移动目标间无线信号表征其几何距离，与移动目标位置参数[xk,yk,zk]可以建立测量方程基于移动目标的状态方程和测量方程，采用卡尔曼滤波得到移动目标的定位输出。

实施例2

考虑到无线信号融合过程和无线定位解算过程引起定位输出不确定，从而移动目标无线定位在部分区域会存在错误定位，结合移动目标在有界几何区域运动，利用定位区域边界极值建立不等式约束，通过减少移动目标位置解算可行域来减弱不确定性引起的错误定位，从而获得数据融合下移动目标无线增强定位输出。基于实施例1，本发明实施例与实施例1的区别在于：

所述估算出移动目标位置步骤之后还包括：

采用不等式约束，对估算出来的移动目标位置进行错误剔除。

可选地，所述采用不等式约束，对估算出来的移动目标位置进行错误剔除，包括以下步骤：

以定位区域结构物边界作为约束条件，其中，移动目标运行的最大边界cmax为[xmax,ymax,zmax]^t，移动目标运行的最小边界cmin为[xmin,ymin,zmin]^t；

利用约束条件来减少移动目标定位解算的可行域，获得移动目标精确的分布式位置。具体地：利用最大边界cmax与最小边界cmin建立移动目标位置一次估计值[xk,yk,zk]^t的约束关系，使得移动目标位置横坐标满足xmin≤xk≤xmax，纵坐标满足ymin≤yk≤ymax，高度坐标满足zmin≤zk≤zmax，从而利用移动目标一次位置估计值与有界几何边界间约束关系，减弱无线传感网定位量测信息存在不确定性，提高无线数据融合下移动目标分布式定位精度。

综上所述：本发明中，移动目标在定位区域内沿既定轨迹进行运动，无线网络的生存时间影响移动目标定位可靠性，在满足全覆盖和全连通要求下按照无线节点能量有效部署无线节点，无线节点与移动目标通过无线通信方式构建定位区域内的无线网络；当移动目标运动使得在不同位置与无线节点产生不同的无线信号，融合相关性最大的两组无线信号计算得到移动目标与无线节点间几何距离；基于节点无线测距值、无线节点三维坐标以及移动目标运动特性，建立移动目标与无线节点间解算方程，实现移动目标位置的一次估计；由于无线定位解算过程中，存在环境干扰、无线信号测距噪声、定位解算算法等影响移动目标定位精度，考虑几何边界约束条件来进一步减少定位解算可行域，来增强移动目标无线定位的精度。通过无线传感网络构建、无线信号-距离测量、移动目标分布式定位解算以及多约束下的移动目标定位增强，进行数据融合下移动目标无线增强定位。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。