[發(fā)明專利]一種基于遷移壓縮感知的多種類多目標(biāo)被動(dòng)式定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310652152.5
• 申請(qǐng)日: 2013-12-04
• 公開（公告）號(hào): CN103702282B
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王舉;房鼎益;常儷瓊;陳曉江;聶衛(wèi)科;邢天璋;劉晨;張遠(yuǎn)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W4/02
• 分類號(hào): H04W4/02;H04W52/02;H04W64/00
• 代理公司: 西安恒泰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所61216
• 代理人: 林兵

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，特別是一種面向多種類野生動(dòng)物的多目標(biāo)被動(dòng)式定位方法。

背景技術(shù)

野生動(dòng)物在自然界中具有重要的生態(tài)地位和生態(tài)功能，是整個(gè)生態(tài)鏈中不可或缺的環(huán)節(jié)之一，如何有效對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)與保護(hù)，顯得尤為重要。傳統(tǒng)的野生動(dòng)物保護(hù)采用人工方式手工記錄、統(tǒng)計(jì)，因此，傳統(tǒng)方式存在很多弊端，如：缺乏長(zhǎng)期性、實(shí)時(shí)性，也有一定的困難性和危險(xiǎn)性，另外，時(shí)空割裂，難以對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間、空間、現(xiàn)象的綜合分析。而目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為解決上述問題提供了技術(shù)支撐。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量分布式傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，它綜合了傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)，通過各種類型的傳感器對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)、環(huán)境的狀態(tài)以及行為模式等信息進(jìn)行大規(guī)模、長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)的獲取，并通過802.15.4通信協(xié)議以自組織的方式將感知數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“被動(dòng)式”定位技術(shù)為野生動(dòng)物的活動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)提供了有效解決方案，其優(yōu)點(diǎn)是“無需”給野生動(dòng)物身上佩戴設(shè)備就能準(zhǔn)確定位和追蹤野生動(dòng)物。

“被動(dòng)式”的基本原理是利用目標(biāo)在“不同位置”處對(duì)無線信號(hào)遮擋造成的“信號(hào)衰減RSS（Received Signal Strength）也不同”這種先驗(yàn)知識(shí)來定位，當(dāng)收集到一組信號(hào)衰減值RSS后，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)可反推出目標(biāo)位置。現(xiàn)有的許多定位方法都要求待定位目標(biāo)攜帶設(shè)備（如GPS模塊，RFID標(biāo)簽），然而野生動(dòng)物不方便攜帶設(shè)備，并且動(dòng)物保護(hù)專家也不建議這樣做。因此“被動(dòng)式”定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)定位是面向野生動(dòng)物保護(hù)的重要需求之一。

面向野生動(dòng)物的被動(dòng)式定位技術(shù)存在以下挑戰(zhàn)：野生動(dòng)物種類繁多，不同種類的野生動(dòng)物其形狀大小也不一樣（如，金絲猴和老虎），因此不同種類的野生動(dòng)物對(duì)信號(hào)遮擋的衰減(即鏈路測(cè)量得到的RSS值)也不一樣，導(dǎo)致不同種類野生動(dòng)物的定位模型也各不同。定位模型，指如以張顛等為代表的基于學(xué)習(xí)定位方法中的先驗(yàn)知識(shí)庫，如以Joseph Wilson等為代表的基于層析圖像定位方法中的層析圖像庫，如以房鼎益等的為代表的基于壓縮感知定位方法中的感知矩陣。這種不同迫使針對(duì)不同種類野生動(dòng)物(目標(biāo))需要建立不同的定位模型（先驗(yàn)知識(shí)庫或?qū)游鰣D像庫或感知矩陣）。通常情況下建立一個(gè)定位模型，需要讓特定種類目標(biāo)遍歷監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的所有位置，并在每個(gè)位置上采集足夠的RSS值，然后用這些采集到的RSS樣本值根據(jù)不同的方法建立其對(duì)應(yīng)的定位模型，因此，建立定位模型的過程是很費(fèi)人力和物力的。例如對(duì)于一間100平方米的房間，每1平方米采集100個(gè)RSS值(由于環(huán)境噪聲等影響，采集的該樣本值應(yīng)越多越好，通常采集100個(gè))，以每秒鐘的采集1個(gè)RSS值的頻率來算，完成特定種類目標(biāo)的定位模型的建立至少也需要2.7小時(shí)完成，而對(duì)于更廣闊的野外環(huán)境來說，建立一個(gè)定位模型的復(fù)雜度更是不言而喻。

截止目前為止，許多被動(dòng)式定位方法都沒有考慮到該問題，它們大體分為以下3類：

第一類：以張顛等為代表的基于學(xué)習(xí)的被動(dòng)式定位。如圖1(a)所示，在定位區(qū)域?qū)⒐?jié)點(diǎn)部署成六邊行，六邊形的中心部署一個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)同各個(gè)頂點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)通信。目標(biāo)在不同位置處對(duì)無線電信號(hào)RSSI干擾不同，建立位置與RSSI值之間的學(xué)習(xí)關(guān)系。當(dāng)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到一組RSSI變化值時(shí)，可以推出目標(biāo)所在的位置。

該方法的缺點(diǎn)是，1）其定位模型(先驗(yàn)知識(shí)庫)只能用于同一類目標(biāo)，對(duì)于其他種類的目標(biāo)需要重新建立定位模型(先驗(yàn)知識(shí)庫)；2）對(duì)多目標(biāo)定位不夠精確。如圖1(a)所示，當(dāng)多個(gè)目標(biāo)不在同一個(gè)三角形內(nèi)（如目標(biāo)1和目標(biāo)2）時(shí)，該算法可以給出多個(gè)目標(biāo)的位置，但當(dāng)多個(gè)目標(biāo)在同一個(gè)三角形內(nèi)（如目標(biāo)2和目標(biāo)3）時(shí)，該算法誤將多個(gè)目標(biāo)等效成一個(gè)目標(biāo)，且只給出該等效目標(biāo)的位置，即將2個(gè)目標(biāo)定位成一個(gè)并不存在的目標(biāo)，并且該方法的多目標(biāo)定位精度依賴于三角形的大小。為了稀疏部署，三角行一般選取的比較大(2m至3m)，因此該方法的多目標(biāo)定位誤差一般在2m至3m，誤差較大。

第二類：以Joseph Wilson等為代表的層析成像被動(dòng)式定位。如圖1(b)所示，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻部署在定位區(qū)域四周，所有節(jié)點(diǎn)兩兩之間洪范通信。目標(biāo)在區(qū)域內(nèi)活動(dòng)會(huì)對(duì)部分兩兩個(gè)通信的節(jié)點(diǎn)造成干擾。目標(biāo)在不同位置處對(duì)無線電信號(hào)RSS干擾不同，當(dāng)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到一組變化的RSS值時(shí)，將這些RSS值用層析圖像的方法在對(duì)對(duì)應(yīng)的區(qū)域位置顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)定位。