基于RSS和AOA的三维无线传感网络协作定位方法技术

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协作定位方法，其构建RSS测量值的测量模型、AOA测量值中的方位角测量值的测量模型、AOA测量值中的仰角测量值的测量模型；根据三个测量模型的近似表达式，并结合最小二乘准则，得到非凸最小二乘问题；通过引入辅助变量，得到非凸最小二乘问题的初步等价问题；通过引入辅助变量和松弛变量、二阶锥约束，得到非凸最小二乘问题的最终等价问题；采用半正定松弛方法对非凸最小二乘问题的最终等价问题进行松弛，得到混合半正定/二阶锥规划问题；求解混合半正定/二阶锥规划问题得到所有目标源在参考坐标系中的位置估计值；优点是其定位精度高。

Cooperative location 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，通过将传感器分布在监察区域，可以获得被感知对象的信息。无线传感网络有着极其广泛的应用，比如目标追踪、航空航海、救援系统等。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通过全球定位系统(GPS)确定了自己的位置，它们被称为锚节点，剩下的传感器预先不知道自己的位置，它们被称为目标节点，或者目标源。利用锚节点的已知位置，通过使用某种定位方案，可以确定目标源的位置。在很多实际应用中，如果传感器没有相应的位置信息，传感器所收集的数据是没有意义的，因此，传感器的位置估计是无线传感网络的关键技术之一。通常使用基于测距的定位方案实现目标源的定位，距离测量值主要从到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)、接收信号强度(RSS)等信号特征中提取。最近，越来越多的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，从而提升了定位精确度。基于混合测量值的定位方案分为非协作定位和协作定位。由于非协作定位方法只允许锚节点和目标源之间通信，因此当通信距离较大时，可能没有足够的信息确定目标源的位置，通过将非协作定位方法推广到协作定位方法使得目标源与目标源之间的信息能被充分利用，大大降低了对锚节点的分布密度的需求，进一步提升了定位精确度。SlavisaTomic等人在IEEETransactionsonVehicularTechnology(电气和电子工程师协会(IEEE)车辆技术会刊)中公开的3-DTargetLocalizationinWirelessSensorNetworkUsingRSSandAOAMeasurements(无线传感网络中基于RSS和AOA测量的三维目标定位)，其将最大似然估计(ML)问题近似为最小二乘估计问题，并通过半正定松弛技术将最小二乘问题松弛为半正定规划问题，并用内点法进行求解，然而实验表明该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协作定位方法，其定位精度高。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M个目标源，将第j个锚节点在参考坐标系中的坐标位置记为sj，将第i个目标源在参考坐标系中的坐标位置记为xi，sj＝(sj1,sj2,sj3)，xi＝(xi1,xi2,xi3)；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，M为正整数，M＞1，M表示三维无线传感网络环境中的目标源的总个数，j为正整数，1≤j≤N，i为正整数，1≤i≤M，sj1、sj2、sj3对应表示sj的第1个坐标分量、第2个坐标分量、第3个坐标分量，xi1、xi2、xi3对应表示xi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任何在通信范围内的目标源与锚节点之间、两个不同的目标源之间进行信息的交互，锚节点接收到测量信号后获得RSS测量值和AOA测量值，同样目标源接收到测量信号后获得RSS测量值和AOA测量值；然后构建RSS测量值的测量模型，描述为：并构建AOA测量值中的方位角测量值的测量模型，描述为：构建AOA测量值中的仰角测量值的测量模型，描述为：其中，表示第i个目标源发射且第j个锚节点接收时获得的RSS测量值，即为测量信号从第i个目标源发射到第j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表示测量信号从任一个目标源发射到每个锚节点以及每个不同的目标源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，nij表示中存在的测量噪声，nij服从高斯分布表示nij的功率，表示第i个目标源发射且第k个目标源接收时获得的RSS测量值，即为测量信号从第i个目标源发射到第k个目标源接收所经历的传输路径上存在的路径损耗，k为正整数，1≤k≤M，k≠i，xk表示第k个目标源在参考坐标系中的坐标位置，nik表示中存在的测量噪声，nik服从高斯分布表示nik的功率，表示第i个目标源发射且第j个锚节点接收时获得的AOA测量值中的方位角测量值，mij表示中存在的测量噪声，mij服从高斯分布表示mij的功率，表示第i个目标源发射且第k个目标源接收时获得的AOA测量值中的方位角测量值，mik表示中存在的测量噪声，mik服从高斯分布表示mik的功率，表示第i个目标源发射且第j个锚节点接收时获得的AOA测量值中的仰角测量值，vij表示中存在的测量噪声，vij服从高斯分布表示vij的功率，表示第i个目标源发射且第k个目标源接收时获得的AOA测量值中的仰角测量值，vik表示中存在的测量噪声，vik服从高斯分布表示vik的功率，xk1、xk2、xk3对应表示xk的第1个坐标分量、第2个坐标分量、第3个坐标分量，和表示集合，D表示目标源与锚节点之间及两个不同的目标源之间的通信距离；步骤三：在mij＜＜1、mik＜＜1、vij＜＜1、vik＜＜1时即在高信噪比条件下，对作近似变换，得到nij加权后和nik加权后的近似表达式，描述为：并对作近似变换，得到mij加权后和mik加权后的近似表达式，描述为：对作近似变换，得到vij加权后和vik加权后的近似表达式，描述为：其中，εij表示nij加权后的值，εik表示nik加权后的值，表示mij加权后的值，表示mik加权后的值，表示vij加权后的值，表示vik加权后的值，l＝[0,0,1]T，cij、cik、l为引入的中间变量，符号“[]”为向量表示符号，符号“T”为转置符号；步骤四：根据距离平方准则，将转化为然后根据和及并结合最小二乘准则，得到求解x的非凸最小二乘问题，描述为：其中，min()为取最小值函数，{xi}表示所有目标源的位置所构成的集合；步骤五：在求解x的非凸最小二乘问题的描述中引入辅助变量f、g、得到求解x的非凸最小二乘问题的初步等价问题，描述为：其中，x＝[x1；x2；...；xM]，在x＝[x1；x2；...；xM]中符号“；”表示换行符号，x1、x2、xM对应表示第1个目标源在参考坐标系中的坐标位置、第2个目标源在参考坐标系中的坐标位置、第M个目标源在参考坐标系中的坐标位置，若第i个目标源与第j个锚节点之间存在通信链路，则将辅助变量fij存入f中且将辅助变量gij存入g中，若第i个目标源与第k个目标源之间存在通信链路，则将辅助变量存入中且将辅助变量存入中，“s.t.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M个目标源，将第j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M个目标源，将第j个锚节点在参考坐标系中的坐标位置记为sj，将第i个目标源在参考坐标系中的坐标位置记为xi，sj＝(sj1,sj2,sj3)，xi＝(xi1,xi2,xi3)；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，M为正整数，M＞1，M表示三维无线传感网络环境中的目标源的总个数，j为正整数，1≤j≤N，i为正整数，1≤i≤M，sj1、sj2、sj3对应表示sj的第1个坐标分量、第2个坐标分量、第3个坐标分量，xi1、xi2、xi3对应表示xi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任何在通信范围内的目标源与锚节点之间、两个不同的目标源之间进行信息的交互，锚节点接收到测量信号后获得RSS测量值和AOA测量值，同样目标源接收到测量信号后获得RSS测量值和AOA测量值；然后构建RSS测量值的测量模型，描述为：并构建AOA测量值中的方位角测量值的测量模型，描述为：

构建AOA测量值中的仰角测量值的测量模型，描述为：其中，表示第i个目标源发射且第j个锚节点接收时获得的RSS测量值，即为测量信号从第i个目标源发射到第j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表示测量信号从任一个目标源发射到每个锚节点以及每个不同的目标源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，nij表示中存在的测量噪声，nij服从高斯分布表示nij的功率，表示第i个目标源发射且第k个目标源接收时获得的RSS测量值，即为测量信号从第i个目标源发射到第k个目标源接收所经历的传输路径上存在的路径损耗，k为正整数，1≤k≤M，k≠i，xk表示第k个目标源在参考坐标系中的坐标位置，nik表示中存在的测量噪声，nik服从高斯分布表示nik的功率，表示第i个目标源发射且第j个锚节点接收时获得的AOA测量值中的方位角测量值，mij表示中存在的测量噪声，mij服从高斯分布表示mij的功率，表示第i个目标源发射且第k个目标源接收时获得的AOA测量值中的方位角测量值，mik表示中存在的测量噪声，mik服从高斯分布表示mik的功率，表示第i个目标源发射且第j个锚节点接收时获得的AOA测量值中的仰角测量值，vij表示中存在的测量噪声，vij服从高斯分布表示vij的功率，表示第i个目标源发射且第k个目标源接收时获得的AOA测量值中的仰角测量值，vik表示中存在的测量噪声，vik服从高斯分布表示vik的功率，xk1、xk2、xk3对应表示xk的第1个坐标分量、第2个坐标分量、第3...

【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