傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式一致性目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式一致性目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)方法。該方法基于傳感器網(wǎng)絡(luò)中觀測節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞，將網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施動(dòng)態(tài)功能劃分，自適應(yīng)實(shí)時(shí)優(yōu)化選擇參與一致性狀態(tài)估計(jì)的觀測節(jié)點(diǎn)集，并以分布式最大后驗(yàn)概率理論為基礎(chǔ)，對(duì)目標(biāo)先驗(yàn)信息與量測信息進(jìn)行加權(quán)處理，且考慮了不同觀測節(jié)點(diǎn)狀態(tài)估計(jì)誤差協(xié)方差在計(jì)算平均一致性狀態(tài)時(shí)的影響，經(jīng)過有效的信息一致性處理，各觀測節(jié)點(diǎn)的分布式狀態(tài)估計(jì)精度可以快速逼近集中式估計(jì)精度，且保證了盲節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)的狀態(tài)維持，能夠有效防止新航跡層出不窮、航跡不明等現(xiàn)象。
【專利說明】傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式一致性目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息融合系統(tǒng)，尤其涉及一種傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式一致性目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)方法，屬于傳感器信息處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式方法基于節(jié)點(diǎn)之間有效的信息互傳來實(shí)現(xiàn)資源共享，在大型網(wǎng)絡(luò)中具有高容錯(cuò)性、易于安裝及擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，因此在分散式傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用中備受關(guān)注。
[0003]對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)分布式跟蹤應(yīng)用，在眾多的分布式狀態(tài)估計(jì)方法中，基于一致性理論的估計(jì)算法采用迭代的方式，利用鄰居節(jié)點(diǎn)的有效信息不斷更新本地估計(jì)，從而使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)自計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有信息匯集后的全局估計(jì)，比如說所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)估計(jì)全局平均值。關(guān)鍵在于，一致性方法并不需要全網(wǎng)通信就能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)一致的狀態(tài)估計(jì)，并且近似收斂于集中式估計(jì)結(jié)果。因此，基于一致性的估計(jì)框架對(duì)網(wǎng)絡(luò)的通信拓?fù)錄]有特殊要求，原理上適用于任何隨意連通的傳感器網(wǎng)絡(luò)。此外，在完全分布式的多目標(biāo)跟蹤應(yīng)用中，盡管某些節(jié)點(diǎn)無法直接探測到所有目標(biāo)或者某段時(shí)間內(nèi)無法探測到某個(gè)目標(biāo)，但是考慮到節(jié)點(diǎn)之間需要協(xié)同合作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有必要保持對(duì)所有目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)，否則將不斷出現(xiàn)航跡混亂、新航跡層出不窮等實(shí)際問題。節(jié)點(diǎn)獲取目標(biāo)的量測后，也需要基于所有目標(biāo)歷史航跡實(shí)現(xiàn)量測與航跡的正確互聯(lián)。而在一致性估計(jì)框架中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保持著所有目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)，這種特性從本質(zhì)上非常適合完全分布式的多目標(biāo)跟蹤應(yīng)用。
[0004]傳統(tǒng)的卡爾曼一致性濾波(Kalman consensus filter,KCF)等一致性方法假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)均能觀測到每一個(gè)目標(biāo)，將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)對(duì)全局平均狀態(tài)估計(jì)的貢獻(xiàn)權(quán)值視為相同，且忽略了不同節(jié)點(diǎn)狀態(tài)估計(jì)誤差協(xié)方差在計(jì)算平均一致性狀態(tài)時(shí)的影響，在網(wǎng)絡(luò)不完全連通或者盲節(jié)點(diǎn)較多的場景下會(huì)嚴(yán)重影響到算法的估計(jì)精度和收斂速度。此外，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭及現(xiàn)實(shí)生活中，微型傳感器的傳感能力通常是距離受限及各向異性的(例如視頻傳感器、定向傳聲器、雷達(dá)等)，即傳感器的性能同時(shí)依賴觀測點(diǎn)與目標(biāo)之間的距離和方向。因此，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)并不能隨時(shí)保持對(duì)所有目標(biāo)的觀測，即網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)存在無法探測目標(biāo)的盲節(jié)點(diǎn)。并且，傳感模型的改變將影響到節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)觀測質(zhì)量，給網(wǎng)絡(luò)探測覆蓋、節(jié)點(diǎn)協(xié)同控制，目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)等分布式跟蹤關(guān)鍵技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。
[0005]大型傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤實(shí)際應(yīng)用中，單個(gè)時(shí)刻僅有少數(shù)節(jié)點(diǎn)能夠觀測到穿越監(jiān)測區(qū)域的目標(biāo)，而網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常都具有向上匯報(bào)監(jiān)測信息的路由通道，因此，在距離受限的大型網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)時(shí)刻僅需要少數(shù)觀測節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的分布式狀態(tài)估計(jì)即能獲知目標(biāo)的精確航跡，無需所有節(jié)點(diǎn)全網(wǎng)通信便能滿足目標(biāo)跟蹤的實(shí)際應(yīng)用。
[0006]事實(shí)上，隨著目標(biāo)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不斷移動(dòng)，觀測節(jié)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)變化的，通過節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳遞，就可以獲取單個(gè)時(shí)刻觀測節(jié)點(diǎn)的成員信息。此外，針對(duì)距離受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)完全分布式一致性目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)問題，可以基于分布式最大后驗(yàn)估計(jì)(maximum aposteriori,MAP)理論,結(jié)合傳感器的信息觀測質(zhì)量及狀態(tài)估計(jì)質(zhì)量,經(jīng)過足夠多次的一致性信息傳遞及迭代處理，各觀測節(jié)點(diǎn)的分布式狀態(tài)估計(jì)精度即能逼近集中式最優(yōu)卡爾曼濾波方法(centralized Kalman filter, CKF)。這也就是本發(fā)明的思路來源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種高精度的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)分布式一致性狀態(tài)估計(jì)方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明基于傳感器網(wǎng)絡(luò)中觀測節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞，提出了一種基于分布式最大后驗(yàn)概率的自適應(yīng)信息加權(quán)一致性狀態(tài)估計(jì)方法，示意圖如圖1所示，包括:傳感器節(jié)點(diǎn)獲取目標(biāo)量測信息；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)角色劃分；建立一致性節(jié)點(diǎn)集；計(jì)算本地一致性參數(shù)；觀測節(jié)點(diǎn)一致性信息處理與融合；目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)；目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測。
[0008]技術(shù)方案及具體實(shí)施措施:
[0009]為了便于闡述，做以下約定:
[0010]傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的通信連接可由無向圖4 =認(rèn)￡)來表示，其中S = {S1；s2，...，SN}包含了圖中所有的頂點(diǎn)，表示網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)，而集合￡則包含了圖中所有的邊，表示網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)建立起來的可行的通信渠道。此外，以表示所有與Si有直接通信連接的節(jié)點(diǎn)的集合，即中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與Si構(gòu)成圖中的某一條邊，都是Si的鄰居節(jié)點(diǎn)。不妨假設(shè)單個(gè)節(jié)點(diǎn)&僅具有一個(gè)傳感器，在t時(shí)刻觀測到目標(biāo)，則Si稱為觀測節(jié)點(diǎn)，其量測可表示為z,.，其中ffli為傳感器Si的量測數(shù)據(jù)維度，其狀態(tài)及量測模型可表示 為
[0011]xt+1 = C>xt+Wk, k = 0,1, 2,...,(1)
[0012]zi = HjX^Vi, k = 0,1, 2,...,(2)
[0013]其中，(1^^^為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，過程噪聲％~％(0,(^);11,!^^為傳感器51的
可時(shí)變觀測矩陣，v, 為零均值的高斯白噪聲，方差為R;。令B,.=Rf ''為
量測信息矩陣，同樣也是可時(shí)變的。需要指出的是，觀測矩陣故并不是行滿秩的，即有mi< P。傳感器Si關(guān)于目標(biāo)先驗(yàn)估計(jì)的誤差方差表示為P,.€足〃，其信息矩陣定義為Y, =^1。
[0014]需要指出的是，本發(fā)明所針對(duì)的問題并不是假設(shè)目標(biāo)的狀態(tài)Xi對(duì)于每個(gè)Zi都是可觀測的，而是考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的對(duì)于目標(biāo)狀態(tài)xt具有可觀測性的情況，即網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋，單個(gè)時(shí)刻至少有一個(gè)傳感器能夠觀測到監(jiān)測區(qū)域的目標(biāo)。此外，不妨假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑不小于傳感半徑的2倍，這意味著，同時(shí)觀測到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)肯定互為鄰居，只需一步通信即可相互傳遞信息。本發(fā)明所提供方法的目的在于，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤問題，隨著目標(biāo)不斷移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成員的角色不斷變化，通過有效的信息傳遞和處理，實(shí)現(xiàn)任何單個(gè)濾波時(shí)刻內(nèi)觀測節(jié)點(diǎn)和鄰居盲節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)的分布式一致性狀態(tài)估計(jì)。
[0015]以下將以t時(shí)刻觀測到目標(biāo)T的傳感器節(jié)點(diǎn)Si為例，對(duì)技術(shù)方案中的具體步驟及實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0016]1.傳感器節(jié)點(diǎn)獲取目標(biāo)量測信息
[0017]傳感器節(jié)點(diǎn)獲取量測信息是指通過目標(biāo)回波得到關(guān)于目標(biāo)的本地量測Zi和量測信息矩陣Bi，其中B,.= R；1，民為傳感器量測服從的零均值高斯白噪聲的方差，下標(biāo)i是傳感器的身份標(biāo)識(shí)。
[0018]2.網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)角色劃分
[0019]根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)是否觀測到目標(biāo)及節(jié)點(diǎn)在目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)時(shí)擔(dān)任的角色，將t時(shí)刻探測到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)稱為觀測節(jié)點(diǎn)，所有觀測節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)(未探測到目標(biāo))稱為盲節(jié)點(diǎn)，其他未探測到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)稱為睡眠節(jié)點(diǎn)。其中，觀測節(jié)點(diǎn)執(zhí)行主要狀態(tài)估計(jì)工作，盲節(jié)點(diǎn)通過接收觀測節(jié)點(diǎn)的信息來保持及更新本地目標(biāo)狀態(tài)，以防止在航跡交接過程中出現(xiàn)新航跡層出不窮、航跡不明等現(xiàn)象。
[0020]3.建立一致性節(jié)點(diǎn)集
[0021]t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)Si探測到目標(biāo)后，通過觀測節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，建立該時(shí)刻保持對(duì)目標(biāo)狀態(tài)一致性估計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)集，稱為一致性節(jié)點(diǎn)集，記為C。具體實(shí)施措施為:
[0022](1)傳感器Si獲取到t時(shí)刻目標(biāo)T的量測Zi及其量測信息矩陣Bi ；
[0023](2)傳感器Si廣播t-Ι時(shí)刻目標(biāo)T的狀態(tài)估計(jì)值及自身標(biāo)識(shí)(ID)，若T為新目標(biāo)，則廣播關(guān)于T的量測值；
[0024](3)傳感器Si接收來自鄰居觀測節(jié)點(diǎn)的廣播信息；
[0025](4)傳感器Si建立一致性節(jié)點(diǎn)集C，包括t時(shí)刻所有觀測節(jié)點(diǎn)及其鄰居盲節(jié)點(diǎn)，其中，觀測節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N'。
[0026]由于一致性節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)互為鄰居，通過一步信息傳遞，每個(gè)觀測節(jié)點(diǎn)能收到其他觀測節(jié)點(diǎn)關(guān)于目標(biāo)的狀態(tài)信息。同時(shí)，一致性節(jié)點(diǎn)集內(nèi)所有觀測節(jié)點(diǎn)的鄰居盲節(jié)點(diǎn)也能獲知目標(biāo)狀態(tài)信息，而這些來自不同觀測節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)狀態(tài)是趨于一致的，這將在后續(xù)說明中闡述。
[0027]4.計(jì)算一致性參數(shù)
[0028]不失一般性，將t時(shí)刻濾波之前目標(biāo)T的先驗(yàn)狀態(tài)記為<(0，先驗(yàn)信息矩陣記為X (0，傳感器Si —致性參數(shù)yt)及u。的計(jì)算方式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式一致性目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)方法，是一種用于目標(biāo)跟蹤的分布式濾波方法，通過傳感器節(jié)點(diǎn)獲取量測信息、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)角色劃分、建立一致性節(jié)點(diǎn)集、計(jì)算本地一致性參數(shù)、觀測節(jié)點(diǎn)一致性信息處理與融合、目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)、目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中部分優(yōu)選節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)狀態(tài)保持動(dòng)態(tài)一致的精確估計(jì)；其中，傳感器節(jié)點(diǎn)獲取量測信息是指通過目標(biāo)回波得到關(guān)于目標(biāo)的本地量測Zi和量測信息矩陣Bi，其中B, =11,-1，Ri為傳感器量測服從的零均值高斯白噪聲的方差，下標(biāo)i是傳感器的身份標(biāo)識(shí)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)角色劃分是指，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)是否觀測到目標(biāo)及節(jié)點(diǎn)在目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)時(shí)擔(dān)任的角色，將t時(shí)刻探測到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)稱為觀測節(jié)點(diǎn)，所有觀測節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)(未探測到目標(biāo))稱為盲節(jié)點(diǎn)，其他未探測到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)稱為睡眠節(jié)點(diǎn)，其中，觀測節(jié)點(diǎn)執(zhí)行主要狀態(tài)估計(jì)工作，盲節(jié)點(diǎn)通過接收觀測節(jié)點(diǎn)的信息來保持及更新本地目標(biāo)狀態(tài)；建立一致性節(jié)點(diǎn)集是指，觀測節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)信息包(含有目標(biāo)前一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值x「(0及觀測節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識(shí))，觀測節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)接收來自鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息包，盲節(jié)點(diǎn)更新本地目標(biāo)狀態(tài)，當(dāng)前時(shí)刻的所有觀測節(jié)點(diǎn)及所有盲節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一致性節(jié)點(diǎn)集，節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的傳感器始終保持著目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)，其中t時(shí)刻觀測節(jié)點(diǎn)的總數(shù)為N';計(jì)算本地一致性參數(shù)是指對(duì)目標(biāo)先驗(yàn)信息與量測信息進(jìn)行加權(quán)處理，計(jì)算本地一致性信息矩陣W和本地一致性信息向量 <，計(jì)算方式分別為
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK103648108SQ201310643654
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】劉瑜, 何友, 王海鵬, 潘麗娜, 劉俊, 苗旭炳 申請(qǐng)人:中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院