一种信息融合的海上搜救无线传感网定位方法技术

本发明专利技术提出了一种信息融合的海上搜救无线传感网定位方法，包含：S1、结合海浪遮蔽噪声分别构建基于RSS和TOA的测距模型；S2、根据约束，融合RSS测距模型和TOA测距模型中的多源测距信息，构造混合测距约束最小二乘框架；S3、引入缓冲因子，利用一种改进块主元旋转的方法，通过循环交替可行解索引获取目标位置初始解；S4、基于泰勒级数一阶展开式，推导得到一种线性再优化方法，对S3中得到的初始解进行误差修正，进而得到位置更为精确的解。其优点是：解决仅依靠单一测距手段的海上无线传感网定位技术因监测区域面积增大、噪声增加而导致的定位精度下降问题。精度下降问题。精度下降问题。

【技术实现步骤摘要】
一种信息融合的海上搜救无线传感网定位方法


[0001]本专利技术涉及海洋无线传感网节点定位
，具体涉及一种信息融合的海上搜救无线传感网定位方法。

技术介绍

[0002]作为海洋经济的重要组成部分，海上交通运输业的发展至关重要。为保障海上运输的安全，相关部门制定了一系列措施来防止事故的发生，特别是针对人为因素导致的海上交通事故。然而，海上环境复杂多变，极端气候的出现威胁着海上运输的安全，如长江之星邮轮事故。当极端气候导致海难事故发生时，如何尽可能地减少生命财产安全的损失是非常关键的一环。作为保障海上人命安全的最后一道屏障，海上搜救(Marine Search and Rescue,MSR)能够通过多方位、多部门一体化地协同合作，较大程度地减少生命及财产损失。现阶段针对海上搜救主要通过遥感图像亦或是根据风流等速度尽可能缩小搜救范围，以便实施救援。然而该方式耗时长，且误差大，很大程度上可能错过救援的黄金时期。为改善这一缺陷，利用无线传感网(Wireless Sensor Networks,WSNs)良好的自组织性、可扩展性以及自适应性，可以较高地提升搜救成功率以及效率。
[0003]然而，如何在海上搜救传感网中精确、高效地定位救援目标是一个挑战。一方面海上高度动态的环境，救援目标会随着风流等移动，使得定位较为困难，且定位效率低；另一方面，海上高延时、低带宽的通信信道使得定位精度较差，再加上海浪遮蔽效应及多径效应等产生的非线性非高斯噪声，进一步增大了定位误差。此外，仅依靠单一的测距技术，如接收信号强度值(Received Signal Strength,RSS)，其误差会因技术固有的缺陷随着搜救范围的增大而增大。现有存在的定位技术针对海上搜救无线传感网上述三个问题没有很好的解决方案，不能很好地兼顾定位的精度以及效率，无法做到实时、高效且精确定位待救援目标。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种信息融合的海上搜救无线传感网定位方法，以解决仅依靠单一测距手段的海上无线传感网定位技术因监测区域面积增大、噪声增加而导致的定位精度下降问题。该方法适应于高动态的海洋环境，且能在较大范围的监测区域，较高的海浪遮蔽噪声下保持较好的定位性能。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于信息融合的海上搜救无线传感网定位方法，其特征是，包含以下步骤：
[0007]S1、考虑海浪遮蔽噪声，分别构建RSS和TOA测距模型；
[0008]S2、根据约束，融合RSS和TOA多源测距信息，构造混合测距约束最小二乘框架；
[0009]S3、引入缓冲因子，利用一种改进块主元旋转的方法，通过循环交替可行解索引获取目标位置初始解；
[0010]S4、基于泰勒级数一阶展开式，推导得到一种线性再优化方法，对S3中得到的初始
解进行误差修正，进而得到位置更为精确的解。
[0011]步骤S1所述构建RSS和TOA测距模型，具体包含：
[0012]S11、若网络中有N个锚节点，在t时刻第i个锚节点的位置可表示为其中T表示转置。待救援目标在t时刻的位置表示为锚节点在每一时刻可收到来自目标通过无线电信号传播的信号强度信息，即：
[0013][0014]一个由无线电信号传播的信号强度信息来测距的模型就构建出来，即RSS测距模型；其中，表示第i个锚节点在t时刻收到目标的发射功率值；d0表示参考距离值，通常为1m；P
st
表示目标在t时刻的发射功率；PL(d0)表示发射信号强度在相关参考距离下的损失值；α
t
表示在t时刻的路径损耗因子；表示二阶范数；表示RSS测距测距模型中均值为零、方差分别为满足高斯分布的海浪遮蔽噪声。
[0015]S12、同样地，锚节点还可收到来自目标的到达时间信息，可表示为：
[0016][0017]一个由信号传播时间来测距的模型就构建出来，即TOA模型；其中表示TOA测距模型中均值为零、方差分别为满足高斯分布的海浪遮蔽噪声。
[0018]步骤S2所述融合RSS测距模型和TOA测距模型中的多源测距信息，构造混合测距约束最小二乘框架，具体包含：
[0019]S21、根据S11所得表达式(1a)进行移项变换可得：
[0020][0021]其中，
[0022]S22、对S21得到的式(2)进行线性展开，可得：
[0023][0024]S23、考虑约束以及则原定位问题可构造为基于混合测距的无约束最小二乘框架表达式，即：
[0025][0026]S24、对S23得到的式(4)进行平方展开，可得：
[0027][0028]S25、另作为变量，其中M表示该变量中待求的量，结合约束θ
t
≥0，原定位问题可进一步构造为混合测距约束最小二乘(HM
‑
CLS)框架，即：
[0029][0030]其中，
[0031]步骤S3所述引入缓冲因子，利用一种块主元旋转的方法，通过循环交替可行解索引获取目标位置初始解，具体包含：
[0032]S31、将待求变量索引分为两个集合，即κ和其中另外，定义ξ
κ
，Ψ
κ
，为对应变量的子集，和为对应矩阵A
t
的子矩阵。
[0033]S32、根据式(8)和式(9)计算得到互补基解若满足约束ξ
κ
≥0且则为可行解，否则为非可行解。
[0034][0035][0036]S33、当互补基解不满足约束时，定义集合Γ使其满足：
[0037][0038]S34、对于j∈Γ，变量ξ
j
为非可行解。根据式(11)规则进一步更新κ和
[0039][0040]其中，R为非空子集且
[0041]S35、当更新规则陷入循环或无法找寻对应解时，利用式(12)作为候补更新规则找寻可行解，即：
[0042]R＝{j:j＝max{j∈Γ}}.(12)
[0043]S36、在更新过程中，引入缓冲因子当非可行解增加时，缓冲因子则减小。若缓
冲因子为0时，则使用候补更新规则找寻可行解，并将其存入β中。
[0044]S37、依据S32至S36进行循环更新，直到所有待求变量解均为可行解。
[0045]步骤S4所述基于泰勒级数一阶展开式，推导得到一种线性再优化方法，对S3中得到的初始解进行误差修正，进而得到位置更为精确的解。具体包含：
[0046]S41、根据S36求得的初始解进一步构造损失函数，即：
[0047][0048]S42、利用一阶泰勒级数展开公式，对在接近进行展开，其中表示变量θ
t
前两项；表示最终估计值。则对应表达式可变为：
[0049][0050]其中，
[0051]S43、结合式S41与S42步骤得到函数，损失函数进一步可表示为：
[0052][0053]S44、通过S4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种信息融合的海上搜救无线传感网定位方法，其特征在于，包含以下步骤：S1、考虑海浪遮蔽噪声，分别构建RSS和TOA测距模型；S2、根据约束，融合RSS测距模型和TOA测距模型中的多源测距信息，构造混合测距约束最小二乘框架；S3、引入缓冲因子，利用一种改进块主元旋转的方法，通过循环交替可行解索引获取目标位置初始解；S4、基于泰勒级数一阶展开式，推导得到一种线性再优化方法，对S3中得到的初始解进行误差修正，进而得到位置更为精确的解。2.如权利要求1所述的一种信息融合的海上搜救无线传感网定位方法，其特征在于，步骤S1所述考虑海浪遮蔽噪声，分别构建RSS和TOA测距模型，具体包含：S11、若网络中有N个锚节点，在t时刻第i个锚节点的位置可表示为待救援目标在t时刻的位置表示为锚节点在每一时刻可收到来自目标通过无线电信号传播的信号强度信息，即：一个由无线电信号传播的信号强度信息来测距的模型就构建出来，即RSS测距模型；其中，表示第i个锚节点在t时刻收到目标的发射功率值；d0表示参考距离值，通常为1m；P
st
表示目标在t时刻的发射功率；PL(d0)表示发射信号强度在相关参考距离下的损失值；α
t
表示在t时刻的路径损耗因子；表示二阶范数；表示RSS测距模型均值为零、方差分别为满足高斯分布的海浪遮蔽噪声；S12、同样地，锚节点还可收到来自目标的到达时间信息，可表示为：一个由信号传播时间来测距的模型就构建出来，即TOA测距模型；其中表示TOA测距模型均值为零、方差分别为满足高斯分布的海浪遮蔽噪声。3.如权利要求2所述的一种信息融合的海上搜救无线传感网定位方法，其特征在于，步骤S2所述融合RSS和TOA测距模型中的测距信息，结合约束构建混合测距的约束最小二乘框架，具体包含：S21、根据S11所得表达式(1a)进行移项变换可得：其中，S22、对S21得到的式(2)进行线性展开，可得：
S23、考虑约束以及结合式(1b)将原定位问题构造为基于混合测距的无约束最小二乘框架表达式，即：S24、对S23得到的式(4)进行平方展开，可得：S25、令作为变量，其中M...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅骁峻，韩德志，吴中岱，王骏翔，郭磊，胡蓉，韩冰，徐一言，杨珉，朱宇，
申请(专利权)人：上海海事大学中远海运科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：