无线传感器网络基于节点选择的目标定位跟踪算法及其应用研究

摘要

随着无线通信技术、微机电系统和传感技术的迅速发展,无线传感器网络的应用领域已经越来越广泛。传感器网络通常由体积小、价格低廉的传感器节点构成,这些节点具有信息收集、处理、存储和转发的能力。无线传感器网络可以应用在环境监测、战场监视和状态检修等方面,而在众多应用中,目标定位和跟踪一直是无线传感器网络应用研究的重点。如何提高移动目标的定位和跟踪准确度、改善无线传感器网络的能量有效性是基于无线传感器网络的移动目标定位和跟踪研究的关键技术。
　　 论文首先介绍了目标定位跟踪模型,然后详细介绍了几种目标定位算法。论文在分别比较已有的几种目标定位算法的基础上,重点分析了利用节点间连线的垂线来确定目标的位置的垂线定位算法。在分析影响垂线定位性能关键因素的基础上,论文提出了一种适合于非测距垂线定位算法的节点选择方案以有效地保障垂线定位精度。此外,论文分析了衰落因子估计误差和噪声干扰对垂线定位算法性能的影响。论文研究表明,与其他非测距定位算法相比,在合理选择定位节点的基础上垂线定位算法能实现更准确的目标定位,能够满足无线传感器网络目标定位跟踪的需要。
　　 接着,论文分析了无线传感器网络中目标跟踪的研究现状,并对当前几类重点算法进行了分析和比较。论文着重讨论了基于最近点(CPA)的目标跟踪算法,CPA算法利用不同节点采集到的不同时刻的目标最近点信息,计算出目标的位置、方向和速度,并进而在监测区域内估计出目标连续的运动轨迹。与其它算法相比,CPA算法具有目标跟踪连续、估计目标轨迹更接近实际目标运动的优点,并且每个节点只需要存储和交换CPA时间,通信消息开销小。然后,论文结合CPA算法提出了一种适合于CPA目标定位跟踪的节点选择方案来增强定位跟踪的性能,并且还提出一种基于滑动窗口平滑处理的方法来抑制噪声干扰对CPA时间测量的不利影响,从而提高在噪声环境下的定位跟踪精度,提升算法的鲁棒性。论文利用OPNET搭建的目标定位跟踪仿真模型,对增强最近点(ECPA)算法、基于节点选择的改进ECPA定位算法和垂线定位算法进行仿真分析,相关仿真结果表明基于节点选择的改进ECPA目标定位跟踪算法的性能整体上要优于ECPA算法,采用时间滑动窗的平滑处理可以有效抑制噪声干扰对ECPA目标定位跟踪性能的不利影响。最后,论文针对CPA算法进行了能耗分析的基础上,为了有效地降低无线传感器网络目标定位跟踪过程中的网络能耗,论文针对CPA算法提出了一种基于动态簇的定位跟踪机制,研究结果表明,基于动态簇的无线传感器网络目标定位跟踪机制可以在保障对目标连续跟踪的同时,有效地减少网络通信消息数目,降低了系统能耗,延长网络寿命。