基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法和系统与流程

本发明涉及无线通信网络领域，特别是指基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法和系统。

背景技术：

随着无线通信技术、微机电系统和传感技术的迅速发展，无线传感器网络的应用领域已经越来越广泛。传感器网络通常由体积小、价格低廉的传感器节点构成，这些节点具有信息收集、处理、存储和转发的能力。无线传感器网络可以应用在环境监测、战场监视和状态检修等方面，而在众多应用中，节点定位和跟踪一直是无线传感器网络应用研究的重点。如何提高移动节点的定位和跟踪准确度、改善无线传感器网络的能量有效性是基于无线传感器网络的移动节点定位和跟踪研究的关键技术。

尽管将无线传感器网络运用于目标跟踪时具有很多优势，但是同时也面临着许多挑战。比如，传感器节点经常遭受周围环境的影响，无线链路容易受到干扰，因此要求跟踪算法具有良好的鲁棒性。再比如，如何利用尽量少的能源来实现高效精确的定位与跟踪，以达到能量消耗与定位跟踪精度折中等等。解决这些问题，需要依靠能耗有效的通信协议、分布式的信息处理和准确有效的定位跟踪机制等。

但现阶段基于雷达和传感器网络，人们提出了很多行之有效的目标定位跟踪算法，但是该场景要求目标时时刻刻在感知设备的监控下，该条件使得在感知设备稀疏或损坏的条件下，定位跟踪的精度大打折扣。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法，首先通过目标位置估计确定目前跟踪，根据改进的最近点的目标跟踪算法，建立选定节点定位模型以及无线信号传播路径损耗向量模型，最终确定选定节点的坐标计算，完成定位，保障精确定位的同时，减少系统能耗，延长网络寿命。

本发明采用如下技术方案：

基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法，包括如下步骤：

采用传感器节点检测到的目标信号的测量值和节点自身的位置，根据目标和节点间的几何关系，确定目标的估计位置；

根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪；

根据改进的最近点的目标跟踪算法（enhancedclosestpointofapproach，ecpa），首先设定监测区域，再确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点；

建立选定节点定位模型，根据监测区域确定坐标系象限，建立无线信号传播路径损耗向量模型，监测区域中包括确认自身准确位置坐标的信标节点；

选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出目标与信标节点之间的距离参数；

根据目标与信标节点之间的距离参数进行选定节点的坐标计算，完成定位。

具体地，根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪，具体包括：

根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，选定信号强度最强的三个节点，确定三个节点之间连线的内角；

若其中最小角大于设定的参数角，则执行目标分布式协同方法实现目标跟踪；

若其中最小角不大于设定的参数角，则首先确定最小角，选择另一节点替换最小角相应的节点，重新计算三个节点之间连线的内角，直至其中最小角大于设定的参数角，执行目标分布式协同方法实现目标跟踪。

具体地，根据ecpa算法确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点，具体包括：

用ecpa算法确定目标的估计轨迹为；

分别将节点的位置坐标代入到估计轨迹方程式中，确定满足>0的节点集合a；以及满足≤0的节点集合；

根据信号最强的节点所在的集合，确定选定的节点。

具体地，所述无线信号传播路径损耗向量模型，具体为：

其中，是无线信号经过距离d的能量路径损耗，d表示无线电波在室内空间的传播距离，为参考距离，为室内无线信道衰减指数，随空间的改变而呈现动态变化；faf表示障碍损耗因子，为环境损耗因子。

具体地，所述选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出目标与信标节点之间的距离参数，其中所述无线射频信号传输模型具体为：

其中，示室内环境下的经过距离d无线电波路径损耗,表示信标节点无线信号的发射功率，表示天线的发射增益，则表示天线的接收增益。

本发明实施例另一方面还提供基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位系统，包括：

目标位置估计单元：采用传感器节点检测到的目标信号的测量值和节点自身的位置，确定目标和节点间的几何关系，确定目标估计位置；

目标跟踪单元：根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪；

选定节点单元：根据改进的最近点的目标跟踪算法，首先设定监测区域，再确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点；

节点定位模型建立单元：建立选定节点定位模型，根据监测区域确定坐标系象限，建立无线信号传播路径损耗向量模型，监测区域中包括确认自身准确位置坐标的信标节点；

距离参数计算单元：选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出目标与信标节点之间的距离参数；

节点定位单元：根据目标与信标节点之间的距离参数进行选定节点的坐标计算，完成定位。

具体地，目标跟踪单元中，根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪，具体包括：

根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，选定信号强度最强的三个节点，确定三个节点之间连线的内角；

若其中最小角大于设定的参数角，则执行目标分布式协同方法实现目标跟踪；

若其中最小角不大于设定的参数角，则首先确定最小角，选择另一节点替换最小角相应的节点，重新计算三个节点之间连线的内角，直至其中最小角大于设定的参数角，执行目标分布式协同方法实现目标跟踪。

具体地，选定节点单元中，根据ecpa算法确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点，具体包括：

用ecpa算法确定目标的估计轨迹为；

分别将节点的位置坐标代入到估计轨迹方程式中，确定满足>0的节点集合a；以及满足≤0的节点集合；

根据信号最强的节点所在的集合，确定选定的节点。

具体地，所述无线信号传播路径损耗向量模型，具体为：

其中，是无线信号经过距离d的能量路径损耗，d表示无线电波在室内空间的传播距离，为参考距离，为室内无线信道衰减指数，随空间的改变而呈现动态变化；faf表示障碍损耗因子，为环境损耗因子。

具体地，距离参数计算单元中，所述选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出目标与信标节点之间的距离参数，其中所述无线射频信号传输模型具体为：

其中，示室内环境下的经过距离d无线电波路径损耗,表示信标节点无线信号的发射功率，表示天线的发射增益，则表示天线的接收增益。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明提出了一种基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法，采用传感器节点检测到的目标信号的测量值和节点自身的位置，确定目标和节点间的几何关系，确定目标的估计位置；根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪；根据改进的最近点的目标跟踪算法，首先设定监测区域，再确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点；建立选定节点定位模型，根据监测区域确定坐标系象限，建立无线信号传播路径损耗向量模型，监测区域中包括确认自身准确位置坐标的信标节点；选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出目标与信标节点之间的距离参数；根据目标与信标节点之间的距离参数进行选定节点的坐标计算，完成定位；本发明提供的方法首先通过目标位置估计确定目前跟踪，根据改进的最近点的目标跟踪算法，建立选定节点定位模型以及无线信号传播路径损耗向量模型，最终确定选定节点的坐标计算，完成定位，保障精确定位的同时，减少系统能耗，延长网络寿命。

2）本发明在进行节点定位计算时，结合了无线信号传播路径损耗向量模型，在完成定位的同时，保障了系统的损耗，能够有效减少系统能耗。

3）本发明提供的节点定位方法，首先先通过目标位置估计确定目前跟踪，根据改进的最近点的目标跟踪算法，建立选定节点定位模型，最终实现了选定节点的定位，本发明基于目标跟踪的节点定位方法，能够实现精确节点定位。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法流程图；

图2为本发明提供的目标跟踪时节点间的关系示意图；

图3为本发明实施例提供的节点选定的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法系统结构图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

本发明提出基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法和系统，提出基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法，首先通过目标位置估计确定目前跟踪，根据改进的最近点的目标跟踪算法，建立选定节点定位模型以及无线信号传播路径损耗向量模型，最终确定选定节点的坐标计算，完成定位，保障精确定位的同时，减少系统能耗，延长网络寿命。

如图1，为本发明实施例提供的基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法流程图，包括如下步骤：

s101：采用传感器节点检测到的目标信号的测量值和节点自身的位置，根据目标和节点间的几何关系，确定目标的估计位置；

s102：根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪；

具体地，根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪，具体包括：

根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，选定信号强度最强的三个节点，确定三个节点之间连线的内角；如图2为本发明提供的目标跟踪时节点间的关系示意图，如图节点为a、b、c，对应的边为a、b、c，相对应的角为。

若其中最小角大于设定的参数角，则执行目标分布式协同方法实现目标跟踪；

若其中最小角不大于设定的参数角，则首先确定最小角，选择另一节点替换最小角相应的节点，重新计算三个节点之间连线的内角，直至其中最小角大于设定的参数角，执行目标分布式协同方法实现目标跟踪。

根据信号最强的节点所在的集合，确定选定的节点。

s103：根据改进的最近点的目标跟踪算法，首先设定监测区域，再确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点；

如图3为本发明实施例提供的节点选定的示意图；其中虚线为确定目标的估计轨迹，实现为目标的实际轨迹；其中监测区域为q，监测区域为q中包含有a、b、c、d、e节点。

具体地，根据ecpa算法确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点，具体包括：

用ecpa算法确定目标的估计轨迹为；

分别将节点的位置坐标代入到估计轨迹方程式中，确定满足>0的节点集合a；以及满足≤0的节点集合；

s104：建立选定节点定位模型，根据监测区域确定坐标系象限，建立无线信号传播路径损耗向量模型，监测区域中包括确认自身准确位置坐标的信标节点；

具体地，所述无线信号传播路径损耗向量模型，具体为：

其中，是无线信号经过距离d的能量路径损耗，d表示无线电波在室内空间的传播距离，为参考距离，为室内无线信道衰减指数，随空间的改变而呈现动态变化；faf表示障碍损耗因子，为环境损耗因子。

s105：选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出目标与信标节点之间的距离参数；

s106：根据目标与信标节点之间的距离参数进行选定节点的坐标计算，完成定位。

具体地，所述选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出目标与信标节点之间的距离参数，其中所述无线射频信号传输模型具体为：

其中，示室内环境下的经过距离d无线电波路径损耗,表示信标节点无线信号的发射功率，表示天线的发射增益，则表示天线的接收增益。

如图4，本发明实施例另一方面还提供基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位系统，包括：

目标位置估计单401：采用传感器节点检测到的目标信号的测量值和节点自身的位置，确定目标和节点间的几何关系，确定目标估计位置；

目标跟踪单元402：根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪；

具体地，目标跟踪单元中，根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪，具体包括：

根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，选定信号强度最强的三个节点，确定三个节点之间连线的内角；

若其中最小角大于设定的参数角，则执行目标分布式协同方法实现目标跟踪；

若其中最小角不大于设定的参数角，则首先确定最小角，选择另一节点替换最小角相应的节点，重新计算三个节点之间连线的内角，直至其中最小角大于设定的参数角，执行目标分布式协同方法实现目标跟踪。

选定节点单元403：根据改进的最近点的目标跟踪算法，首先设定监测区域，再确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点；

具体地，选定节点单元中，根据ecpa算法确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点，具体包括：

用ecpa算法确定目标的估计轨迹为；

分别将节点的位置坐标代入到估计轨迹方程式中，确定满足>0的节点集合a；以及满足≤0的节点集合；

根据信号最强的节点所在的集合，确定选定的节点。

节点定位模型建立单元404：建立选定节点定位模型，根据监测区域确定坐标系象限，建立无线信号传播路径损耗向量模型，监测区域中包括确认自身准确位置坐标的信标节点；

具体地，所述无线信号传播路径损耗向量模型，具体为：

其中，是无线信号经过距离d的能量路径损耗，d表示无线电波在室内空间的传播距离，为参考距离，为室内无线信道衰减指数，随空间的改变而呈现动态变化；faf表示障碍损耗因子，为环境损耗因子。

距离参数计算单元405：选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出选定节点与信标节点之间的距离参数；

节点定位单元406：根据选定节点与信标节点之间的距离参数进行选定节点的坐标计算，完成定位。

具体地，距离参数计算单元中，所述选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出目标与信标节点之间的距离参数，其中所述无线射频信号传输模型具体为：

其中，示室内环境下的经过距离d无线电波路径损耗,表示信标节点无线信号的发射功率，表示天线的发射增益，则表示天线的接收增益。

本发明提出了一种基于目标跟踪的无线通信网络中节点定位方法，采用传感器节点检测到的目标信号的测量值和节点自身的位置，确定目标和节点间的几何关系，确定目标的估计位置；根据接收目标信号的强度，将节点由强到弱进行排序，并计算节点之间连线的夹角，采用目标分布式协同方法实现目标跟踪；根据改进的最近点的目标跟踪算法，首先设定监测区域，再确定目标的估计轨迹，根据节点位置坐标和估计轨迹的关系确定选定的节点；建立选定节点定位模型，根据监测区域确定坐标系象限，建立无线信号传播路径损耗向量模型，监测区域中包括确认自身准确位置坐标的信标节点；选定节点接收信标节点的无线射频信号数据，根据建立的无线射频信号传输模型，输出目标与信标节点之间的距离参数；根据目标与信标节点之间的距离参数进行选定节点的坐标计算，完成定位；本发明提供的方法首先通过目标位置估计确定目前跟踪，根据改进的最近点的目标跟踪算法建立选定节点定位模型以及无线信号传播路径损耗向量模型，最终确定选定节点的坐标计算，完成定位，保障精确定位的同时，减少系统能耗，延长网络寿命。

本发明在进行节点定位计算时，结合了无线信号传播路径损耗向量模型，在完成定位的同时，保障了系统的损耗，能够有效减少系统能耗。

本发明提供的节点定位方法，首先先通过目标位置估计确定目前跟踪，根据改进的最近点的目标跟踪算法，建立选定节点定位模型，最终实现了选定节点的定位，本发明基于目标跟踪的节点定位方法，能够实现精确节点定位。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。