[發明專利]一種基于目標信號相對位置配對的傳感器網絡數據關聯方法

有效

• 申請號: 201310632035.2
• 申請日: 2013-11-29
• 公開（公告）號: CN103685483A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 凌強;俞昭華;史盟釗;李峰
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;孟卜娟

1.一種基于目標信號相對位置配對的傳感器網絡數據關聯方法，其特征在于，該方法建立傳感器偏差模型，并給出了傳感器目標信號間以及不同傳感器之間的相對位置的表達式，通過尋找不同傳感器之間相對位置的最大匹配對的方法，能夠找到一對不同傳感器對應的目標信號配對點，并得到一個較為粗糙的偏差估計，通過這個偏差估計，能夠找到剩余的傳感器信號間的目標匹配對，完成不同目標信號的數據關聯并得到一個較為精確的偏差估計的結果，具體流程如下：?

（1）、傳感器偏差模型?

假設兩個不同的傳感器系統A和B，在整個觀測區域中觀測N個目標，其中傳感器系統A觀測到m個目標信號，而傳感器系統B觀測到n個目標信號，每個傳感器系統都會存在偏差以及受到雜波噪聲的影響，則傳感器系統偏差模型建立如下：?

其中A_i為傳感器A觀測到的第i個目標信號，B_j為傳感器B觀測到的第j個目標信號，X_i,j為目標的實際位置，G(v)為傳感器系統的噪聲，其均值為0，協方差矩陣為v，對于傳感器系統A和B，其協方差矩陣分別為P和Q，分別為傳感器系統A和B的偏差，數據關聯的目的在于尋找傳感器系統A和B觀測到的目標信號A_i和B_j之間的對應關系；?

（2）、目標信號的相對位置?

假設傳感器系統A觀測到目標信號i和j，則它們的狀態可以表示如下：?

其中表示為傳感器系統A觀測到的第i個目標狀態，表示為傳感器系統A觀測到的第j個目標狀態，分別表示第i個目標和第j個目標的實際狀態，表示傳感器系統A的偏差，表示傳感器系統A的高斯測量噪聲，其均值為0，協方差矩陣為其中?代表了噪聲的方差；?

則傳感器系統A觀測到的第i個目標狀態與第j個目標狀態的相對位置可表示如下：?

即相對位置可表示為第i個目標與第j個目標實際的相對位置與噪聲的和，其中表示的高斯測量噪聲其均值為0，協方差矩陣為其中代表了噪聲的方差；?

同理，傳感器系統B觀測到目標信號i和j，則它們的狀態可以表示如下：?

其中表示為傳感器系統B觀測到的第i個目標狀態，表示為傳感器系統B觀測到的第j個目標狀態，分別表示第i個目標和第j個目標的實際狀態，表示傳感器系統B的偏差，表示傳感器系統B的高斯測量噪聲，其均值為0，協方差矩陣為其中?代表了噪聲的方差；?

則傳感器系統B觀測到的第i個目標狀態與第j個目標狀態的相對位置可表示如下：?

即相對位置可表示為第i個目標與第j個目標實際的相對位置與噪聲的和，其中表示的高斯測量噪聲其均值為0，協方差矩陣為其中代表了噪聲的方差；?

比較與可以得到：?

上式可以得到，不同傳感器系統間的對應目標對的相對位置的差只是由高斯噪聲v''決定，其均值為0，協方差矩陣為其中代表了噪聲的方差；?

（3）、不同傳感器系統的相對位置?

假定傳感器A觀測到的目標i對應到傳感器B觀測到的目標a，則其狀態可表示為：?

其中代表傳感器A觀測目標信號i位置，代表目標i實際位置，代表傳感器A偏差，?代表傳感器A噪聲，代表傳感器B觀測目標信號a位置，代表目標a實際位置，代表傳感器B偏差，代表傳感器B噪聲；?

則?

即傳感器系統A和B相配對的目標i和a的差為傳感器系統A和B的相對偏差和高斯噪聲v'''決定，傳感器系統高斯噪聲v'''的均值為0，協方差矩陣為其中代表了噪聲v'''的方差；?

（4）、基于目標信號相對位置的配對算法?

4.1、尋找一對目標信號配對點以及傳感器偏差估計?

假設傳感器系統A觀測到m個目標信號而傳感器系統B觀測到n個目標，從傳感器系統A觀測的目標信號中選取目標信號i，并從傳感器系統B觀測到的目標信號中選取目標信號a，計算傳感器系統A剩余的m-1個目標信號j同目標信號i的相對位置以及傳感器系統B剩余的n-1個目標信號b同目標信號a的相對位置并進行比較，當相對位置的比較值||A_ij-B_ab||≤Δ₁，其中A_ij代表目標信號i與j之間的相對距離，B_ab代表目標信號a與b之間的相對距離，Δ₁代表門限值1，可認為j和b為配對的目標信號，并定義一個新的矩陣CntNum_ia來計算可能配對的目標信號j和b的個數，通過一次循環B的剩余的n-1個目標信號a，可以得到當不同的對應配對點i-＞a時，可能配對目標信號點的最大個數MaxCntNum_ia，定義能夠匹配對的個數為Matchingpair，由于可能配對的點的數量Matchingpair一定小于等于傳感器系統A觀測到的目標個數m以及傳感器系統B觀測到的目標個數n的最小值,若找到的可能配對目標信號點的最大個數MaxCntNum_ia等于m-1，可以認為此時相對應的傳感器系統A觀測到的目標信號i與傳感器系統A觀測到的目標信號a為配對點，且能夠匹配對的點的個數為Matchingpair，則可以進入下一步4.2，否則說明能夠配對的點的個數小于m-1；?

開始循環系統A觀測的目標信號中選取目標信號i，并重復上面的步驟，假設當循環到傳感器A觀測到的目標信號i＝c時，若可能配對目標信號點的最大個數MaxCntNum_ia小于m-c，則此時說明配對點個數Matchingpair一定小于m-c，則減少可能配對的點的個數，并繼續循環；若能夠配對的點的個數等于m-c，則說明能夠配對的點的個數Matchingpair已經找到且等于m-c，則存儲此時的配對點i-＞a，進入下一步4.2；?

4.2、尋找剩余的目標信號配對點?

通過4.1步，已經找到了第一對配對的點，則可以通過這對配對點計算一個較為粗略的偏差估計，此時將傳感器系統A觀測到的目標信號通過添加已獲得的偏差估計，可以映射到傳感器系統B的觀測區域中，若映射到B內的點map(A_j)同傳感器系統B觀測到的目標信號Bb滿足||map(A_j)-B_b||≤Δ₂(其中map(A_j)代表目標信號A_j映射到傳感器B區域的對應點，B_b代表傳感器B觀測到的目標信號，Δ₂代表門限值2，且此時B_b唯一，則可認為此時的j-＞b為配對點，通過尋找這些滿足唯一性的配對點j-＞b，可以計算一個更為精確的偏差估計值，對于剩下的傳感器A觀測的目標信號，通過添加這個更加精確的偏差估計值將傳感器系統A觀測的目標信號映射到傳感器系統B的觀測區域中，尋找到同映射點最近的B的目標信號，可以完成剩余點的配對，從而完成整個關聯過程；?

（5）、門限的確定?

在上述步驟中，需要用到門限值Δ₁,Δ₂來尋找配對點，因此有必要計算合適的門限值來實現整個關聯過程；?

在上述步驟4的過程中，需要通過門限值Δ₁來比較相對距離A_ij和B_ij，通過步驟2的分析：?

其中代表了傳感器B觀測目標i與j相對位置矢量，代表了傳感器A觀測目標i和j相對位置矢量，代表了B和A傳感器相對位置所包含的噪聲，即傳感器A觀測的目標信號的相對位置通傳感器B觀測的目標信號的相對位置的差為一個滿足高斯分布的噪聲其均值為0，協方差矩陣為其中代表了噪聲的方差，則利用高斯分布的3-σ原則，選擇門限值Δ₁為

在上述步驟4的過程中，需要通過門限值Δ₂來比較傳感器A的觀測目標信號同傳感器B觀測目標信號的映射對應關系，通過步驟2的分析：?

其中代表了傳感器A和傳感器B間的偏差，其中代表傳感器A觀測目標信號i位置，代表傳感器A偏差，代表傳感器A噪聲，代表傳感器B觀測目標信號a位置，?代表傳感器B偏差，代表傳感器B噪聲，即傳感器A和傳感器B觀測到的目標信號間相差一個偏差和殘存噪聲其中殘存噪聲滿足高斯分布且其均值為0，協方差矩陣?為其中代表了噪聲的方差，則利用高斯分布的3-σ原則，選擇門限值Δ₂為

（6）、相對偏差估計?

當尋找到一個配對點后，通過相對偏差估計來決定剩余的匹配對，通過步驟2的分析，可以看到一個配對點i-＞a的測量偏差可以表示如下：?

其中代表了傳感器A和傳感器B觀測信號間的相對偏差，代表了傳感器B觀測目標信號a的位置，代表了傳感器A觀測目標信號i的位置，為傳感器系統A和B之間的相對偏差，為噪聲；?

假設有n個匹配對，則測量偏差為：?

其中表示了n個匹配對之間的相對距離矢量，為觀測系數矩陣，表示噪聲矢量，表示了需要估計的不同傳感器之間的相對偏差；?

最小二乘估計在于最小化：?

其中代表了誤差平方和，代表了對相對偏差的估計，T代表矩陣的轉置；?

通過取微分并令其為0，可以得到：?

其中代表了最小二乘估計的相對偏差的值；?

則傳感器相對偏差估計值為：?