基于RSS和AOA的三维无线传感网络非协作定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于RSS和AOA的三维无线传感网络非协作定位方法，其建立每个锚节点获得的RSS测量值的测量模型、每个锚节点获得的AOA测量值中的方位角测量值和仰角测量值各自的测量模型；根据三个测量模型各自的近似表达式，并结合最小二乘准则，得到非凸定位问题；通过引入辅助变量和松弛变量，得到非凸定位问题的等价问题；采用二阶锥松弛方法和半正定松弛方法，对非凸定位问题的等价问题中的约束条件进行松弛，得到混合半正定/二阶锥规划问题；采用内点法对混合半正定/二阶锥规划问题进行求解，得到目标源的全局最优解即目标源在参考坐标系中的位置估计值；优点是其利用混合测量值提升定位精度，且定位精度高，并受噪声功率的影响较小。

Non cooperative location method of 3D Wireless Sensor Network Based on RSS and AOA

【技术实现步骤摘要】
基于RSS和AOA的三维无线传感网络非协作定位方法
本专利技术涉及一种目标定位方法，尤其是涉及一种基于RSS和AOA的三维无线传感网络非协作定位方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)是一种分布式传感网络，其一般由大量的传感器组成，这些传感器分布在监察区域，协作地感知、采集、处理和传输无线传感网络覆盖的地理区域内被感知对象的信息。为了保持较低的执行成本，在无线传感网络中只有部分传感器装备有全球定位系统(GPS)，称之为锚节点，剩下的传感器利用锚节点的已知位置，通过使用某种定位方案确定其位置，称之为目标节点，即目标源。在很多实际应用中，传感器所收集的数据只有携带对应的位置信息才是有意义的，因此，传感器的位置估计是无线传感器网络的关键技术之一。目标定位方案通常依赖于距离测量值，通过使用不同的硬件设备，距离测量值可以从不同的发射信号特征中提取，例如到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)、接收信号强度(RSS)。最近，为了进一步提升定位精度，越来越多的目标定位方案开始采用混合测量值，因为从混合测量值中可以提取出更多的信息。SlavisaTomic等人在IEEEWirelessCommunicationsLetters(电气和电子工程师协会(IEEE)无线通信快报)发表的成果中分别采用RSS以及AOA模型的近似表达式，然后将范数转化为矢量点乘的形式，并通过加权最小二乘的方法得到了定位问题的闭式解表达式，但是实验表明随着混合测量值的噪声功率的增强，该非协作定位方法的定位性能急剧恶化。SlavisaTomic等人在IEEETransactionsonVehicularTechnology(电气和电子工程师协会(IEEE)车辆技术会刊)发表的成果中将定位问题转化为广义信赖子域问题，并通过二分法进行求解，然而实验表明该非协作定位方法的定位性能还有提升的空间。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于RSS和AOA的三维无线传感网络非协作定位方法，其利用混合测量值提升定位精度，且定位精度高，并受混合测量值的噪声功率的影响较小。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于RSS和AOA的三维无线传感网络非协作定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：在三维无线传感网络环境下建立一个空间直角坐标系作为参考坐标系，并设定在三维无线传感网络环境中存在N个锚节点和一个目标源，将第i个锚节点在参考坐标系中的坐标位置记为si，将目标源在参考坐标系中的坐标位置记为x，si＝(si1,si2,si3)，x＝(x1,x2,x3)；其中，N为正整数，N表示三维无线传感网络环境中的锚节点的总个数，N≥4，i为正整数，1≤i≤N，si1、si2、si3对应表示si的第1个坐标分量、第2个坐标分量、第3个坐标分量，x1、x2、x3对应表示x的第1个坐标分量、第2个坐标分量、第3个坐标分量；步骤二：在三维无线传感网络环境下由目标源发射测量信号，每个锚节点接收目标源发射的测量信号后获得RSS测量值和AOA测量值；然后建立每个锚节点获得的RSS测量值的测量模型，将第i个锚节点获得的RSS测量值的测量模型描述为：并建立每个锚节点获得的AOA测量值中的方位角测量值和仰角测量值各自的测量模型，将第i个锚节点获得的AOA测量值中的方位角测量值的测量模型描述为：将第i个锚节点获得的AOA测量值中的仰角测量值的测量模型描述为：其中，Li表示第i个锚节点获得的RSS测量值，即为测量信号从目标源发射到第i个锚节点接收所经历的传输路径上存在的路径损耗，L0表示测量信号从目标源发射到参考点接收所经历的传输路径上存在的路径损耗，γ表示测量信号从目标源发射到每个锚节点接收的传输距离的路径损耗系数，γ的取值范围2.2～2.8，符号“||||”为求欧几里得范数符号，d0表示在参考坐标系中参考点到目标源的距离，ni表示Li中存在的测量噪声，ni服从高斯分布表示ni的功率，φi表示第i个锚节点获得的AOA测量值中的方位角测量值，mi表示φi中存在的测量噪声，mi服从高斯分布表示mi的功率，αi表示第i个锚节点获得的AOA测量值中的仰角测量值，vi表示αi中存在的测量噪声，vi服从高斯分布表示vi的功率；步骤三：在mi＜＜1、vi＜＜1时即在高信噪比条件下，对作近似变换，获得ni的近似表达式，描述为：并对作近似变换，获得mi加权后的近似表达式，描述为：对作近似变换，获得vi的近似表达式，描述为：其中，表示mi加权后的值，ci＝[-sin(φi),cos(φi),0]T，符号“[]”为向量表示符号，k＝[0,0,1]T，符号“T”为转置符号，β、μ、λi、ci、k均为引入的中间变量；步骤四：根据和并结合最小二乘准则，得到求解x的非凸定位问题，描述为：其中，min()为取最小值函数；步骤五：在求解x的非凸定位问题的描述中引入辅助变量f、h、r、z以及松弛变量e、g、t，得到求解x的非凸定位问题的等价问题，描述为：其中，ei表示e中的第i个分量，gi表示g中的第i个分量，“s.t.”表示“受约束于……”，hi表示h中的第i个分量，hi＝||x-si||2，I3表示3维单位矩阵，ri表示r中的第i个分量，ri＝||x-si||，fi表示f中的第i个分量，步骤六：采用二阶锥松弛方法，将求解x的非凸定位问题的等价问题的描述中的ri＝||x-si||松弛为ri≥||x-si||；并采用半正定松弛方法，将求解x的非凸定位问题的等价问题的描述中的z＝xTx松弛为线性矩阵不等式的形式然后根据ri≥||x-si||和得到求解x的混合半正定/二阶锥规划问题，描述为：其中，表示为半正定矩阵；步骤七：采用内点法对求解x的混合半正定/二阶锥规划问题进行求解，得到x的全局最优解，作为目标源在参考坐标系中的位置估计值。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1)本专利技术方法通过将现有的基于最大似然准则的最小化问题近似为基于最小二乘准则的最小二乘问题即求解x的非凸定位问题，再结合二阶锥松弛技术以及半正定松弛技术将求解x的非凸定位问题松弛为求解x的混合半正定/二阶锥规划问题，这样能够保证获得目标源在参考坐标系中的位置的全局最优解，提高了定位精度。2)本专利技术方法利用RSS测量值和AOA测量值进一步提升了定位精确度，从而能够更加准确地估计出目标源的位置。3)通过实验验证了本专利技术方法在较大测量噪声功率的情况下性能依然稳定。附图说明图1为本专利技术方法的总体实现框图；图2为非协作三维无线传感网络环境下目标源与第i个锚节点在参考坐标系中的位置示意图；图3为给定的路径损耗中的测量噪声的标准差为6dB、给定的方位角测量值中存在的测量噪声的标准差和给定的仰角测量值中存在的测量噪声的标准差都为5度的情况下，本专利技术方法与现有的广义信赖子域方法、现有的加权最小二乘方法的均方根误差随锚节点数目变化的曲线示意图；图4为给定的方位角测量值中存在的测量噪声的标准差和给定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于RSS和AOA的三维无线传感网络非协作定位方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤一：在三维无线传感网络环境下建立一个空间直角坐标系作为参考坐标系，并设定在三维无线传感网络环境中存在N个锚节点和一个目标源，将第i个锚节点在参考坐标系中的坐标位置记为s

【技术特征摘要】
1.一种基于RSS和AOA的三维无线传感网络非协作定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在三维无线传感网络环境下建立一个空间直角坐标系作为参考坐标系，并设定在三维无线传感网络环境中存在N个锚节点和一个目标源，将第i个锚节点在参考坐标系中的坐标位置记为si，将目标源在参考坐标系中的坐标位置记为x，si＝(si1,si2,si3)，x＝(x1,x2,x3)；其中，N为正整数，N表示三维无线传感网络环境中的锚节点的总个数，N≥4，i为正整数，1≤i≤N，si1、si2、si3对应表示si的第1个坐标分量、第2个坐标分量、第3个坐标分量，x1、x2、x3对应表示x的第1个坐标分量、第2个坐标分量、第3个坐标分量；
步骤二：在三维无线传感网络环境下由目标源发射测量信号，每个锚节点接收目标源发射的测量信号后获得RSS测量值和AOA测量值；然后建立每个锚节点获得的RSS测量值的测量模型，将第i个锚节点获得的RSS测量值的测量模型描述为：并建立每个锚节点获得的AOA测量值中的方位角测量值和仰角测量值各自的测量模型，将第i个锚节点获得的AOA测量值中的方位角测量值的测量模型描述为：将第i个锚节点获得的AOA测量值中的仰角测量值的测量模型描述为：其中，Li表示第i个锚节点获得的RSS测量值，即为测量信号从目标源发射到第i个锚节点接收所经历的传输路径上存在的路径损耗，L0表示测量信号从目标源发射到参考点接收所经历的传输路径上存在的路径损耗，γ表示测量信号从目标源发射到每个锚节点接收的传输距离的路径损耗系数，γ的取值范围2.2～2.8，符号“||||”为求欧几里得范数符号，d0表示在参考坐标系中参考点到目标源的距离，ni表示Li中存在的测量噪声，ni服从高斯分布表示ni的功率，φi表示第i个锚节点获得的AOA测量值中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李有明，戚勤科，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33