專利名稱：一種基于水下無線傳感器網絡的目標跟蹤方法
技術領域：
本發明涉及一種基于水下無線傳感器網絡的目標跟蹤方法。
背景技術：
水下無線傳感器網絡是指在一定的水域中部署大量的傳感器節點和自主車協作監測和采集周圍環境感興趣數據的網絡，傳感器節點能夠自組織地建立起網絡并進行聲通信，經過數據融合技術，指定節點將獲取的數據傳送到水面或者岸基的控制中心，這樣就實現了水下傳感器網絡與陸地通信網絡的融合。水下傳感器通常具有低功耗、傳輸距離短的特點。水下目標跟蹤是水下傳感器網絡的一個重要應用。水下傳感器網絡具有節點分布廣、數量多，節點間可以相互協作、交換數據，可擴展性強等特點，這有利于擴大目標的跟蹤范圍、加強目標跟蹤的可靠性和實時性。水下目標跟蹤多為非線性問題，粒子濾波方法在非線性非高斯問題中已經得到了廣泛應用，在陸地無線傳感器網絡中已有粒子濾波用于目標跟蹤問題，因此水下目標跟蹤問題多采用粒子濾波方法。水下傳感器網絡的目標跟蹤方法根據粒子濾波工作方式的不同可以分為集中式粒子濾波跟蹤和分布式粒子濾波跟蹤。集中式的粒子濾波跟蹤方法網絡中只有一個中心節點，其余節點將跟蹤目標的測量數據傳送給中心節點，中心節點負責運用粒子濾波進行數據處理，估計機動目標的運動軌跡。集中式的粒子濾波跟蹤方法使得整個網絡不夠穩定且負載不平衡，分布式的粒子濾波跟蹤方法克服了這些缺點，根據粒子濾波存在形式的不同大致上分為四種。第一種方法網絡中不同時刻不同數據處理節點運行粒子濾波算法，根據機動目標的預測軌跡，選擇離預測位置最近的可行節點作為處理節點。處理節點隨著機動目標軌跡的改變而變化，解決了集中式粒子濾波中網絡脆弱和負載不平衡的問題。第二種方法為了克服查詢過程中可能存在的巨大損耗，采用簡單的擴充處理節點的方式，即網絡中每個處理節點都同時運行相同的粒子濾波算法，測量值來自整個網絡傳感器采集的數據。第三種方法假設每個處理節點都有相應數量的傳感器與之唯一相連，每個處理節點同時運行不同的粒子濾波算法，更新測量值采用與之相連的傳感器所采集的數據。第四種方法考慮到粒子濾波粒子數越多，對機動目標跟蹤軌跡的精度越高，而單個處理節點容量有限，所以將粒子集分為若干個子集分別在不同的處理節點中運行粒子濾波。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基于水下無線傳感器網絡的目標跟蹤方法。基于水下無線傳感器網絡的目標跟蹤方法的步驟如下:I)初始化水下無線傳感器網絡， 使所有傳感器節點都具有同一規格，并且都處于工作狀態；
2)選擇水下接收信號強度最大的傳感器節點作為簇頭節點，與簇頭節點在單跳通信范圍內的傳感器節點和簇頭節點組簇，其余傳感器節點保持在休眠狀態；3)簇內傳感器節點對目標進行觀測，將接收到的信號的強度與預設門限相比較，若高于預設門限則發送數據給簇頭節點，反之不發送；4)設定初始狀態估計值和初始方差估計值；5)在k時刻根據步驟2)組簇，并將上一時刻粒子濾波估計的狀態估計值和方差估計值打包傳送給此k時刻的簇頭節點；6)進行k時刻的改進重采樣的粒子濾波，從重要密度函數中采樣N個粒子，再更新采樣粒子，進行粒子改進重采樣，最后輸出目標的位置估計值和方差估計值；7) k時刻自加1，根據目標的運動不斷地更新簇頭節點，在簇頭節點更換時將上一簇頭節點的信息 傳送給當前簇頭節點；8)重復步驟5)-步驟7)，直至目標脫離水下無線傳感器網絡的覆蓋區域為止。所述的步驟6)為:從 q(xt I 4—I，Λ)采集粒子-γ ，i = 1，...，N,并計算重要性權重和歸一化重要性權重，其中9( 14—是建議分布，采集的N個粒子重要性權重為{4^} ι，歸一化后權重為瑪，對粒子進行重采樣更新，更新方法為:根據粒子權重的大小來選擇保留的粒子，原本粒子穿過概率墻即被保存的方法被舍棄，當粒子權重穿過多個概率墻時，放棄復制粒子的模式，而采用以下策略:當復制個數為2η偶數時，產生2 (η-1)個新粒子:
權利要求
1.一種基于水下無線傳感器網絡的目標跟蹤方法，其特征在于它的步驟如下: 1)初始化水下無線傳感器網絡，使所有傳感器節點都具有同一規格，并且都處于工作狀態； 2)選擇水下接收信號強度最大的傳感器節點作為簇頭節點，與簇頭節點在單跳通信范圍內的傳感器節點和簇頭節點組簇，其余傳感器節點保持在休眠狀態； 3)簇內傳感器節點對目標進行觀測，將接收到的信號的強度與預設門限相比較，若高于預設門限則發送數據給簇頭節點，反之不發送； 4)設定初始狀態估計值和初始方差估計值； 5)在k時刻根據步驟2)組簇，并將上一時刻粒子濾波估計的狀態估計值和方差估計值打包傳送給此k時刻的簇頭節點； 6)進行k時刻的改進重采樣的粒子濾波，從重要密度函數中采樣N個粒子，再更新采樣粒子，進行粒子改進重采樣，最后輸出目標的位置估計值和方差估計值； 7)k時刻自加1，根據目標的運動不斷地更新簇頭節點，在簇頭節點更換時將上一簇頭節點的信息傳送給當前簇頭節點； 8)重復步驟5)-步驟7)，直至目標脫離水下無線傳感器網絡的覆蓋區域為止。
2.根據權利要求1所述的一種基于水下無線傳感器網絡的目標跟蹤方法，其特征是:所述的步驟6)為:從4 q{xk I xL，^)采集粒子4，i = 1，...，N，并計算重要性權重和歸一化重要性權重，其中14—ρΛ)是建議分布，采集的N個粒子重要性權重為，歸一化后權重為匈，對粒子進行重采樣更新，更新方法為:根據粒子權重的大小來選擇保留的粒子，原本粒子穿過概率墻即被保存的方法被舍棄，當粒子權重穿過多個概率墻時，放棄復制粒子的模式，而采用以下 策略: 當復制個數為2η偶數時，產生2(η-1)個新粒子: 當復制個數為2n+l奇數時，產生2n個新粒子:Σ “…々士 Σ +士 *Σ L} 其中Σ為新粒子的分散度變量。
全文摘要
本發明公開了一種基于水下無線傳感器網絡的目標跟蹤方法。該方法首先根據最強信號原則選擇簇節點，然后根據單跳距離準則組成簇網絡對目標進行觀測，如果觀測信號強度超過閾值，則發送觀測數據給簇頭節點。簇頭節點接收到粗內節點傳送的數據，采用改進重采樣的粒子濾波算法對當前時刻的目標位置和方差進行估計。根據目標的運動不斷地更新簇頭節點，將上一簇頭節點狀態估計值和方差估計值傳送給當前簇頭節點，再由當前簇頭節點采用改進的重采樣粒子濾波算法估計運動目標位置，直到運動目標超出了水下無線傳感器網絡的跟蹤范圍；本發明使用改進重采樣算法的粒子濾波跟蹤方法估計水下目標的位置和方差，提高水下無線傳感器網絡的目標跟蹤性能。
文檔編號H04W40/24GK103152791SQ20131004048
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者謝立, 周圣賢, 宋克蘭 申請人:浙江大學