基于壓縮感知的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)軌跡測(cè)繪方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知的被動(dòng)式目標(biāo)軌跡測(cè)繪方法，該方法的步驟包括：步驟一，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署與配置，步驟二，建立目標(biāo)跟蹤模型，步驟三，移動(dòng)物體的跟蹤，步驟四，對(duì)目標(biāo)軌跡向量求解。利用壓縮感知在稀疏恢復(fù)方面的優(yōu)勢(shì)，僅用少量觀測(cè)數(shù)據(jù)精確測(cè)繪出目標(biāo)的軌跡，同時(shí)僅通過(guò)一次計(jì)算完成測(cè)繪，避免了現(xiàn)有算法頻繁定位導(dǎo)致計(jì)算開銷大的問(wèn)題。本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)繪方法對(duì)于野生動(dòng)物生存的大規(guī)模場(chǎng)景的目標(biāo)軌跡跟蹤非常適用，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的目標(biāo)軌跡測(cè)繪。
【專利說(shuō)明】基于壓縮感知的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)軌跡測(cè)繪方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于壓縮感知的無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)軌跡測(cè)繪方法，該方法應(yīng)用于野生動(dòng)物的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的被動(dòng)式目 標(biāo)跟蹤。

【背景技術(shù)】
[0002] 野生動(dòng)物在自然界中具有重要的生態(tài)地位和生態(tài)功能，是整個(gè)生態(tài)鏈中不可或缺 的環(huán)節(jié)之一，如何有效對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)與保護(hù)，顯得尤為重要。傳統(tǒng)的野生動(dòng)物保護(hù)采用人工 方式手工記錄、統(tǒng)計(jì)，因此，傳統(tǒng)方式存在很多弊端，如：缺乏長(zhǎng)期性、實(shí)時(shí)性，也有一定的困 難性和危險(xiǎn)性，另外，時(shí)空割裂，難以對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間、空間、現(xiàn)象的綜合分析。而目 前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為解決上述問(wèn)題提供了技術(shù)支撐。
[0003] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量分布式傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，它綜合 了傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)，通過(guò)各種類型的 傳感器對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)、環(huán)境的狀態(tài)以及行為模式等信息進(jìn)行大規(guī)模、長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)的獲取，并 通過(guò)802. 15.4通信協(xié)議以自組織的方式將感知數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。其中，無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)為野生動(dòng)物的活動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)提供了有效解決方案。
[0004] 面向野生動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)繪技術(shù)存在以下4方面的挑戰(zhàn)：
[0005] 1)稀疏部署。野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)的一個(gè)基本要求是監(jiān)測(cè)不要干擾野生動(dòng)物的生活環(huán)境 和習(xí)性。因此使用盡可能少的設(shè)備是面向野生動(dòng)物保護(hù)的需求之一，即稀疏部署。
[0006] 2)設(shè)備無(wú)關(guān)。現(xiàn)有的大多定位方法都要求待定位物體攜帶設(shè)備（如GPS模塊，RFID 標(biāo)簽），然而，為野生動(dòng)物攜帶設(shè)備不容易做到，并且動(dòng)物保護(hù)專家也不建議這樣做。因此需 要在目標(biāo)不攜帶設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)定位是面向野生動(dòng)物保護(hù)的需求之一，即設(shè)備無(wú)關(guān)。
[0007] 3)計(jì)算開銷?，F(xiàn)有方法對(duì)目標(biāo)被動(dòng)式軌跡測(cè)繪，均是先定位再將不同時(shí)間點(diǎn)目標(biāo) 的估算位置連起來(lái)完成軌跡測(cè)繪，需要在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，存在頻繁定位導(dǎo)致計(jì) 算開銷大的問(wèn)題。因此需要減少對(duì)野生動(dòng)物頻繁定位造成計(jì)算開銷大的問(wèn)題是面向野生動(dòng) 物保護(hù)的需求之一，即計(jì)算開銷。
[0008] 4)軌跡稀疏性。野生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡經(jīng)過(guò)的位置與監(jiān)測(cè)區(qū)域的位置相比具有稀疏 性。因此為了在不降低測(cè)繪精度的條件下，減少測(cè)繪軌跡所需數(shù)據(jù)量并降低能耗是面向野 生動(dòng)物保護(hù)的需求之一，即軌跡稀疏性。
[0009] 截止目前為止，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)有許多定位技術(shù)，大體分為以下4類： [0010] 第一類：主動(dòng)式定位，即物體攜帶設(shè)備。如圖2(a)所示，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻或者隨 機(jī)部署在定位區(qū)域中，物體攜帶的設(shè)備發(fā)出的信號(hào)（如電磁波、紅外、超聲波等）會(huì)被無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到，由于物體在不同位置處設(shè)備發(fā)出的信號(hào)不同，因此這類方法的基本思 想是通過(guò)檢測(cè)設(shè)備發(fā)出信號(hào)的變化，建立信號(hào)變化與位置的對(duì)應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而對(duì)物體進(jìn)行定 位。如Kaltiokallio、劉云浩等人通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中RSSI (Received Signal Strength Indicator)信號(hào)波動(dòng)檢測(cè)目標(biāo)的出現(xiàn)，進(jìn)而進(jìn)行定位。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高（典 型的如GPS定位），由于每個(gè)物體攜帶可區(qū)分的設(shè)備，因此多目標(biāo)定位簡(jiǎn)單，易于統(tǒng)計(jì)目標(biāo) 數(shù)量。但該方法的缺點(diǎn)是需要目標(biāo)攜帶設(shè)備，不符合面向野生動(dòng)物保護(hù)的設(shè)備無(wú)關(guān)需求。
[0011] 第二類：以張顛等為代表的基于學(xué)習(xí)的被動(dòng)式目標(biāo)定位。如圖2(b)所示，傳感器 節(jié)點(diǎn)均勻部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域中，相鄰的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，物體在區(qū)域內(nèi)活動(dòng)會(huì)對(duì)兩個(gè)通信的節(jié) 點(diǎn)造成干擾。通過(guò)對(duì)物體在不同位置處受到的無(wú)線電信號(hào)RSSI干擾進(jìn)行量化標(biāo)定，建立位 置與RSSI值干擾之間的關(guān)系。當(dāng)被干擾的節(jié)點(diǎn)收到一組變化的RSSI值時(shí)，可以推出物體 所在的位置。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備無(wú)關(guān)，不需要物體攜帶設(shè)備也能對(duì)目標(biāo)定位。但該方 法的缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)部署密集，成本高，不符合面向野生動(dòng)物保護(hù)的稀疏部署需求。
[0012] 第三類：以Jos印h Wilson等為代表提出的RTI系統(tǒng)。如圖2(c)所示，傳感器節(jié) 點(diǎn)均勻部署在定位區(qū)域兩側(cè)，所有節(jié)點(diǎn)兩兩之間洪范通信。物體在區(qū)域內(nèi)活動(dòng)會(huì)對(duì)兩個(gè)通 信的節(jié)點(diǎn)造成干擾。與第二類方法類似，物體在不同位置處對(duì)無(wú)線電信號(hào)RSSI干擾不同， 建立位置與RSSI值之間的關(guān)系。當(dāng)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到一組變化的RSSI值時(shí)，可以推出物體所 在的位置。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)稀疏部署。缺點(diǎn)是需要全網(wǎng)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，若全 網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為2M，則通信鏈路數(shù)為M(2M-1)，網(wǎng)絡(luò)能耗高，對(duì)于能量有限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái) 說(shuō)并不適用。
[0013] 第四類：以張顛等為代表的可擴(kuò)展的被動(dòng)式定位。如圖2(d)所示，在定位區(qū)域中 將節(jié)點(diǎn)部署成六邊行，六邊形的中心部署一個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)同各個(gè)頂點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)通信。與 第二類方法類似，物體在不同位置處對(duì)無(wú)線電信號(hào)RSSI干擾不同，建立位置與RSSI值之間 的關(guān)系。當(dāng)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到一組RSSI變化值時(shí)，可以推出物體所在的位置。由于部署采用移 動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的六邊形部署，因此在更大的定位區(qū)域中可以用多個(gè)六邊形部署實(shí)現(xiàn)區(qū)域的 無(wú)縫覆蓋，每個(gè)六邊形采用同樣的定位方法，從而實(shí)現(xiàn)定位的可擴(kuò)展性。該方法的缺點(diǎn)是對(duì) 多目標(biāo)定位不夠精確。如圖2(d)所示，當(dāng)多個(gè)目標(biāo)不在同一個(gè)三角形內(nèi)（如物體1和物體 2或者物體1與物體3)時(shí)，該算法可以給出多個(gè)目標(biāo)的位置，但當(dāng)多個(gè)目標(biāo)在同一個(gè)三角形 內(nèi)（如物體2和物體3)時(shí)，該算法誤將多個(gè)目標(biāo)等效成一個(gè)物體，且只給出該等效物體的 位置，即將2個(gè)目標(biāo)定位成一個(gè)并不存在的目標(biāo)，并且該方法的多目標(biāo)定位精度依賴于三 角形的大小。為了稀疏部署，三角形一般選取的比較大（2m至3m)，因此該方法的多目標(biāo)定 位誤差一般在2m至3m，誤差較大。
[0014] 其次，第二類、第三類、四類方法中為了表示目標(biāo)位置，都采用以特定大小的方格 將定位區(qū)域網(wǎng)格化的方法。網(wǎng)格大小直接影響定位精度，上述3類方法為獲得較高定位精 度，網(wǎng)格一般選取一個(gè)比較小的特定值。上述3類方法均是小規(guī)模場(chǎng)景區(qū)域下的劃分，對(duì)于 大規(guī)模場(chǎng)景（如野生動(dòng)物生存環(huán)境），采用這種固定值嘗試的劃分方法勢(shì)必會(huì)浪費(fèi)許多精 力和資源。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 針對(duì)上述現(xiàn)有定位方法存在的缺陷或不足，本發(fā)明提出一種基于壓縮感知的無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)軌跡測(cè)繪方法，對(duì)野生動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)繪。
[0016] 為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：
[0017] 一種基于壓縮感知的被動(dòng)式目標(biāo)軌跡測(cè)繪方法，包括以下步驟：
[0018] 步驟一，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署與配置
[0019] 將需要部署的監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分成多個(gè)網(wǎng)格，在監(jiān)測(cè)區(qū)域相對(duì)的兩條邊上對(duì)應(yīng)的部署 發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，且一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)只能與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射節(jié)點(diǎn)通信；
[0020] 步驟二，建立目標(biāo)跟蹤模型
[0021] 在監(jiān)測(cè)區(qū)域中無(wú)移動(dòng)物體時(shí)，每一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)收到其對(duì)應(yīng)的發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送的多個(gè) 數(shù)據(jù)包，并計(jì)算出這些數(shù)據(jù)包的平均信號(hào)強(qiáng)度值；然后在監(jiān)測(cè)區(qū)域中設(shè)置一個(gè)活動(dòng)的定位 物體，并令該物體依次經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域中每一個(gè)網(wǎng)格，計(jì)算物體處于每一個(gè)網(wǎng)格時(shí)，每個(gè)接收 節(jié)點(diǎn)接收到的多個(gè)數(shù)據(jù)包的平均信號(hào)強(qiáng)度值；根據(jù)兩次計(jì)算的平均信號(hào)強(qiáng)度值的差值，構(gòu) 建感知矩陣A :
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓縮感知的被動(dòng)式目標(biāo)軌跡測(cè)繪方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署與配置 將需要部署的監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分成多個(gè)網(wǎng)格，在監(jiān)測(cè)區(qū)域相對(duì)的兩條邊上對(duì)應(yīng)的部署發(fā)射 節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，且一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)只能與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射節(jié)點(diǎn)通信； 步驟二，建立目標(biāo)跟蹤模型 在監(jiān)測(cè)區(qū)域中無(wú)移動(dòng)物體時(shí)，每一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)收到其對(duì)應(yīng)的發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送的多個(gè)數(shù)據(jù) 包，并計(jì)算出這些數(shù)據(jù)包的平均信號(hào)強(qiáng)度值；然后在監(jiān)測(cè)區(qū)域中設(shè)置一個(gè)活動(dòng)的定位物體， 并令該物體依次經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域中每一個(gè)網(wǎng)格，計(jì)算物體處于每一個(gè)網(wǎng)格時(shí)，每個(gè)接收節(jié)點(diǎn) 接收到的多個(gè)數(shù)據(jù)包的平均信號(hào)強(qiáng)度值；根據(jù)兩次計(jì)算的平均信號(hào)強(qiáng)度值的差值，構(gòu)建感 知矩陣A:
上式中，M為發(fā)射節(jié)點(diǎn)或接收節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，N為監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分成的網(wǎng)格個(gè)數(shù)，ARab =Raib-Fa，心b為物體處于第b個(gè)網(wǎng)格時(shí)，對(duì)于第a個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收到的平均信號(hào)強(qiáng)度值， Fa為監(jiān)測(cè)區(qū)中無(wú)物體時(shí)，第a個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收到的平均信號(hào)強(qiáng)度值；a= 1，2, ...，M，b= I, 2,. . . ,N； 步驟三，移動(dòng)物體的跟蹤 監(jiān)測(cè)區(qū)域中有移動(dòng)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，移動(dòng)物體經(jīng)過(guò)的K個(gè)網(wǎng)格用目標(biāo)軌跡向量Θ表示： ? = [θ"···，ΘΝ]Τ (公式 2) 記Θ』eΘ,je{1，2,...，Ν};當(dāng)目標(biāo)經(jīng)過(guò)第j個(gè)網(wǎng)格時(shí)，Θ』=1，否貝1」，Θ』=〇 ; 根據(jù)壓縮感知理論有如下表達(dá)式： Υ=Α·Θ+η(公式 3) 式中，η為高斯白噪聲； 對(duì)向量Y進(jìn)行如下處理： Z=Ω·Y(公式 4) 其中，Ω=ΦΑ-1，Φ=orth(AT)T，orth(A)代表矩陣A的正交化； 將公式3代入公式4有： Z=Ω(ΑΘ+η) =ΦΑ_1ΑΘ+η=ΦΘ+η(公式 5) 向量Θ/ι;|ΦΘ-Ζ? 的約束下，通過(guò)I1范數(shù)求解，表達(dá)式為： min|,4sx|ΦΘ-Ζ? (公式 6) 公式6中，ε約束噪聲量的大小，取值為3dBm;s.t.表示約束關(guān)系山為1-范數(shù)，12為 2_范數(shù)； 步驟四，對(duì)目標(biāo)軌跡向量求解 記?為待恢復(fù)軌跡向量，用殘差r代表真實(shí)測(cè)量值與估計(jì)觀測(cè)值的差，Q表示人為觀 測(cè)的測(cè)量次數(shù)，集合Isrt代表待恢復(fù)軌跡向量Θ的索引號(hào)集合，Isrt= {1，..，N};變量C代 表索引號(hào)，其取值從1到|isrt|，IisrtI是集合Isrt的大?。凰惴ň唧w過(guò)程如下： (1) 初始令殘差r等于個(gè)M接收節(jié)點(diǎn)收到RSSI均值構(gòu)成的向量Y的真實(shí)測(cè)量值Ytl，即 r=Ytl ;令索引號(hào)c= 1 ; (2) 把Isrt索引號(hào)為c的元素賦值給變量α，執(zhí)行步驟（3); (3) 將待恢復(fù)軌跡向量〇的索引號(hào)c等于α的元素θα取值由0遍歷至Q， 尋找使得殘差值r與估計(jì)觀測(cè)值A(chǔ)·Θ之差的2-范數(shù)最小的α的取值θα，即 argmin||〃A?|k，并記錄此時(shí)θ。的取值，然后執(zhí)行步驟⑷； I#.-. 其中，?, =|γ-士?|，arg表示尋找范圍； (4) 在步驟⑶遍歷了Q次后，形成了Q個(gè)Kl1,Q1),...(ξα，θα)，···（ξ0，0Q)} 組合，尋找Q個(gè)組合中ξα最小的組合（ξα，θα)，然后將待恢復(fù)軌跡向量Θ的索引號(hào)c 等于α的元素替換為θα，執(zhí)行步驟（5); (5) 將殘差值r更新為步驟（4)中尋找出的最小的ξα，執(zhí)行步驟（6); (6) 去掉索引號(hào)集合Isrt中，步驟（4)中尋找出的最小的€。對(duì)應(yīng)的索引值為c等于 α的索引號(hào)，然后判斷，如此時(shí)滿足公式（7)的條件：
則將索引號(hào)c加1并執(zhí)行步驟（2)，否則執(zhí)行步驟（7); (7) 得到待恢復(fù)軌跡向量〇,即為步驟（3)中更新后的待恢復(fù)軌跡向量〇,算法結(jié)束。
【文檔編號(hào)】H04W4/02GK104270713SQ201410456238
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】房鼎益, 王舉, 湯戰(zhàn)勇, 寇迦南, 常儷瓊, 陳曉江, 劉晨, 聶衛(wèi)科, 邢天璋, 任宇輝 申請(qǐng)人:西北大學(xué)