[發(fā)明專利]一種隧道內(nèi)噪聲免疫的移動目標三維定位方法

有效

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• 申請日: 2018-04-18
• 公開（公告）號: CN108957395B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設計）人: 吉宏;許鵬飛;凌建;陳蕾;徐軍;謝虎;丁俊峰;戴挈軍;戴大海
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇省送變電有限公司;南京郵電大學;國網(wǎng)江蘇省電力有限公司;國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院;國家電網(wǎng)公司
• 主分類號: G01S5/04
• 分類號: G01S5/04
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發(fā)明公開了一種隧道內(nèi)噪聲免疫的移動目標三維定位方法，該定位方法包括：（1）根據(jù)隧道內(nèi)環(huán)境布設信標節(jié)點、定位識別卡和數(shù)據(jù)傳輸裝置；（2）傳感器節(jié)點基于RSSI測距方法進行測距并將數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建出初始的部分缺失且含噪歐式距離矩陣；（3）引入混合高斯分布擬合未知噪聲，將隧道內(nèi)復雜環(huán)境下部分缺失歐氏距離矩陣補全問題建模為噪聲免疫的低秩矩陣分解模型，并采用經(jīng)典的期望最大化算法求解該模型；（4）基于補全后的節(jié)點間真實歐式距離矩陣，采用經(jīng)典的多維縮放算法，測算出隧道內(nèi)移動目標的真實位置；本發(fā)明充分考慮了隧道內(nèi)復雜環(huán)境對傳感器節(jié)點測距的影響，能在各類噪聲下對隧道內(nèi)移動目標進行實時精準定位。

技術領域

本發(fā)明屬于無線傳感器技術領域，具體涉及一種隧道內(nèi)噪聲免疫的移動目標三維定位方法。

背景技術

隨著國家經(jīng)濟進入了穩(wěn)定的發(fā)展時期，為滿足社會持續(xù)增長的需求，各種隧道以及地下工程開發(fā)愈來愈多。這些工程往往工作環(huán)境復雜、工期長，這不但增加了施工的難度，也會導致一些突發(fā)事故的發(fā)生，對工程安全生產(chǎn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如果能對隧道施工人員及移動車輛進行實時精準定位，將為工程的安全管理帶來極大的便利。

目前，以GPS(Global Positioning System)為代表的室外定位系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟，但在一些諸如隧道、涵洞等地下環(huán)境中，由于信道環(huán)境復雜、微波信號衰減厲害，GPS并不適用。近年來基于低成本、低功耗、自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless SensorNetwork，WSN) 定位技術得到了科研人員的重視和研究，傳感器的集成化、微型化和網(wǎng)絡化發(fā)展，帶來了信息感知領域的一場變革。當前，無線傳感器網(wǎng)絡正廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察、智能交通等領域，智能交通系統(tǒng)、森林火災監(jiān)控、醫(yī)療健康監(jiān)護等均為無線傳感器網(wǎng)絡的典型應用。

無線傳感器網(wǎng)絡技術在隧道內(nèi)的移動目標定位方面也有不錯的應用前景。但是，隧道內(nèi)施工環(huán)境復雜，空氣潮濕、障礙物和干擾源繁多，信號傳播過程中的多徑效應成為普遍現(xiàn)象，無線傳感器采集到的RSSI(Received Signal Strength Indicator，RSSI)數(shù)據(jù)往往存在誤差，進而大大降低了隧道內(nèi)移動目標定位的精度。現(xiàn)有技術一般假設噪聲是由高斯噪聲和野值噪聲混合而成的，并不能完全準確地刻畫出真實的噪聲分布，具有一定的局限性。另一方面，基于測距的定位算法首先需要構(gòu)建節(jié)點間的歐式距離矩陣(EuclideanDistance Matrix，EDM)，而在隧道內(nèi)施工時，節(jié)點可能由于障礙物遮擋、自身能源耗盡或傳感器故障等原因而無法獲取測距信息，進而導致構(gòu)建的歐式距離矩陣存在部分元素缺失。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術中所存在的定位精度不高且不能實時定位的問題，提出一種隧道內(nèi)噪聲免疫的移動目標三維定位方法，該方法能有效的在隧道內(nèi)復雜環(huán)境下對移動目標進行實時精準定位。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：

一種隧道內(nèi)噪聲免疫的移動目標三維定位方法，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)隧道內(nèi)環(huán)境布設信標節(jié)點和數(shù)據(jù)傳輸裝置，給移動目標配置定位識別卡，在地面布置數(shù)據(jù)服務器；

步驟2：信標節(jié)點和定位識別卡發(fā)送和接收無線信號(信標節(jié)點和定位識別卡都能夠發(fā)送和接收無線信號)，根據(jù)接收信號強度(Received Signal Strength Indicator，RSSI)測距方法對接收到的信號進行計算，獲得節(jié)點間的距離，并通過數(shù)據(jù)傳輸裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務器，數(shù)據(jù)服務器構(gòu)建節(jié)點間初始部分缺失且含噪的歐式距離矩陣；

步驟3：引入混合高斯分布擬合未知噪聲，將隧道內(nèi)復雜環(huán)境下初始部分缺失且含噪的歐式距離矩陣補全問題建模為噪聲免疫低秩矩陣分解模型，采用期望最大化(Expectation Maximization，EM)算法求解噪聲免疫低秩矩陣分解模型，從而獲得完整且精確的節(jié)點間歐式距離矩陣；