无线网络中的分布式定位算法研究

发布时间：2017-09-19 20:32

  本文关键词：无线网络中的分布式定位算法研究

  更多相关文章： 分布式定位 协作定位 目标跟踪 高斯消息传递 无线网络

【摘要】：位置感知能力已成为无线网络的重要特征之一，无线定位技术已被广泛应用于军事、商业和公共服务等各方面。无线定位技术主要包括两类，分别基于空间卫星系统和地面无线网络。其中，基于空间卫星系统的定位技术适于室外开阔环境，而基于地面无线网络的定位技术更适于室内、城市峡谷、林地等复杂环境。在定位过程中，参考节点的位置模糊和数目不足会导致很大的定位误差，甚至无法定位。传统定位技术通过布置高密度或高发射功率的参考节点来改善定位误差；而新型协作定位技术则通过建立待定位节点间的对等通信和测量来提高定位精度，同时提高定位可用性和可靠性。此外，集中式定位方法在大型网络中通信开销大、扩展性差，，对节点故障敏感；而分布式定位方法具有更好的可扩展性和鲁棒性，在协作定位技术中更具吸引力。 本文对无线网络中的分布式定位算法展开深入研究。首先研究了传统定位技术中参考节点位置模糊下的分布式定位，进而研究了新型协作定位技术中基于消息传递的分布式定位，最后扩展至分布式联合定位与跟踪。本文主要创新与贡献如下： 1.针对定位网络中参考节点存在位置模糊问题，提出了一种基于期望最大算法的分布式定位方法。通过期望最大算法实现了待定位节点位置的最大似然估计。采用最小化Kullback-Leibler距离方法将参考节点位置误差的后验概率分布转化成圆对称高斯分布，获得了E-step的闭式表达式。采用泰勒级数对第一类超几何流函数进行展开，并推导出了M-step在一阶和二阶展开下的闭式解。最后，对提出算法的性能和计算复杂度进行了分析。 2.针对传统定位技术中由于参考节点数量少、发射功率低造成的待定位节点无法定位问题，提出了两种基于高斯消息传递算法的分布式协作定位方法。根据网络中所有节点位置变量的联合后验概率分布，建立其对应的因子图表示，并通过消息传递算法获得位置后验概率分布。从非线性模型下的消息近似和线性化模型两方面，分别推导得到了因子图上各消息和各节点位置后验概率分布的高斯表达式，有效降低了网络的通信开销和计算复杂度，提高了协作定位在实际工程应用中的可行性。两种提出方法具体如下： （1）第一种方法是非线性模型下的高斯消息传递分布式协作定位。引入位置变量各维的独立性约束，并通过对包含观测的因式节点到变量节点这类消息的近似，推导出该类消息的高斯闭式表达式，进而推导出从变量节点到因式节点消息及位置后验概率分布的高斯表达式。本文分别推导了参考节点准确和模糊两种情况下的消息更新表达式，并分析了算法在准确消息传递和广播消息传递两种消息传递方案下的性能、通信开销及计算复杂度。 （2）第二种方法是模型线性化下的高斯消息传递分布式协作定位。节点的位置变量被当成向量。采用状态空间模型对节点的位置状态变化进行建模，并对非线性观测方程进行线性化近似，得到线性的节点位置状态空间模型。基于线性状态空间模型，建立对应的因子图表示，并推导因子图上的各消息和位置的后验概率分布，其结果均为多维高斯分布。最后，分析了算法在动态网络、静态网络，以及在准确消息传递和广播消息传递两种消息传递方案下的性能、通信开销及计算复杂度。 3.针对网络中定位与跟踪问题，提出了一种基于高斯消息传递的分布式联合定位与跟踪方法。建立网络中所有节点位置联合后验概率分布的因子图表示。借助于广播消息传递方案下的高斯消息传递协作定位方法，更新因子图上的所有消息和位置后验概率分布。由于目标节点的被动性和非协作性，与目标节点相关局部因子图上的消息计算和传输需要通过其他非目标节点来完成。然而，每个非目标节点通常无法获得因子图上所有与目标节点相关的消息。所以，非目标节点通过采用平均consensus算法分布式计算目标节点位置后验概率分布的均值和方差，同时完成整个因子图上的消息传递。最后，分析了该分布式联合定位与跟踪算法的性能。
【关键词】：分布式定位 协作定位 目标跟踪 高斯消息传递 无线网络
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题研究背景与意义12-14
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势14-17
• 1.3 本文研究内容与章节安排17-20
• 第2章 参考节点位置模糊情况下的分布式定位20-37
• 2.1 引言20
• 2.2 基于最大似然估计的分布式定位20-23
• 2.2.1 基于位置误差分布硬判决的最大似然估计22-23
• 2.2.2 基于位置误差分布粒子化表示的最大似然估计23
• 2.3 基于期望最大算法的最大似然估计23-36
• 2.3.1 算法描述23-31
• 2.3.2 性能分析31-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第3章 基于高斯消息传递的分布式协作定位37-73
• 3.1 引言37
• 3.2 协作定位技术与因子图上的消息传递37-40
• 3.2.1 协作定位技术的概念37-38
• 3.2.2 因子图表示38-39
• 3.2.3 和积算法39-40
• 3.3 非线性模型下的高斯消息传递分布式协作定位40-57
• 3.3.1 算法描述40-51
• 3.3.2 性能分析51-57
• 3.4 线性化模型下的高斯消息传递分布式协作定位57-72
• 3.4.1 算法描述57-65
• 3.4.2 性能分析65-72
• 3.5 本章小结72-73
• 第4章 基于高斯消息传递的分布式联合定位与目标跟踪73-85
• 4.1 引言73
• 4.2 算法描述73-80
• 4.3 性能分析80-84
• 4.4 本章小结84-85
• 第5章 总结与展望85-88
• 5.1 本文主要贡献与创新85-86
• 5.2 未来研究展望86-88
• 参考文献88-94
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单94-96
• 致谢96-97

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 任小伟;;载波相位差分相对定位的模糊度求解[J];导航定位学报;2014年01期

2 闻长远;岳富占;仇跃华;;高轨GPS信号可用性分析[J];电子设计工程;2014年02期

3 万红霞;巩应奎;刘炳成;;基于转发体制的卫星导航定位性能仿真与分析[J];电子设计工程;2014年01期

4 郇浩;陶选如;陶然;程小康;董朝;李鹏飞;;多普勒频率变化率快速最大似然估计辅助的高动态载波跟踪环路[J];电子与信息学报;2014年03期

5 余宜珂;王萌;郭伟;马利华;魏照;;GNSS接收机中频带通滤波器群时延对伪距测量影响的研究[J];电子测量技术;2014年03期

6 庄新庆;邹绪平;应士君;;北斗船用接收机电磁兼容电路设计与研究[J];电子设计工程;2014年05期

7 袁海义;周浚哲;郝永平;王磊;;GPS卫星可见性预测与接收机的快速定位[J];成组技术与生产现代化;2014年01期

8 崔留争;高思远;贾宏光;储海荣;姜瑞凯;;神经网络辅助卡尔曼滤波在组合导航中的应用[J];光学精密工程;2014年05期

9 孙福余;张鹏;徐亚明;邹进贵;;载波相位测量原理及在GPS软件接收机上的实现[J];测绘通报;2014年04期

10 李健;邹浩杰;陈杰;;多星座卫星导航接收机跟踪通道结构改进[J];电讯技术;2014年05期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 来欣;武旭光;张磊;;一种基于卡尔曼滤波的GNSS/WSN融合定位算法[A];2014第二届中国指挥控制大会论文集（上）[C];2014年

2 韩宗延;钱伟康;何福玉;;基于二维平面内智能小车定位系统的设计[A];2014航空试验测试技术学术交流会论文集[C];2014年

3 赵新曙;王前;;压制式干扰对GNSS接收机的影响及应对策略[A];第五届中国卫星导航学术年会论文集-S2 卫星导航信号体制及兼容与互操作[C];2014年

4 胡铁乔;张宝玲;姜雪瑶;;基于盲波束形成的GPS弱信号捕获方法[A];第五届中国卫星导航学术年会论文集-S7 北斗/GNSS用户终端技术[C];2014年

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1 郭文飞;抗干扰GPS接收系统关键技术研究与实现[D];武汉大学;2011年

2 崔留争;MEMS-SINS/GPS组合导航关键技术研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年

3 李智奇;时频信号的相位比对与处理技术[D];西安电子科技大学;2012年

4 李洋;地图信息识别和地图匹配算法的研究[D];北京交通大学;2013年

5 苏先礼;GNSS完好性监测体系及辅助性能增强技术研究[D];上海交通大学;2013年

6 曹晓倩;面向病态场景图像对的立体匹配算法研究[D];中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）;2014年

7 曲博;BOC和CBOC调制信号伪码跟踪方法研究[D];华中科技大学;2014年

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1 卓强辉;基于S3C6410的北斗手持终端显控系统设计[D];西北大学;2013年

2 张鹏;基于无偏灰色模糊马尔可夫理论对边坡位移预测的研究[D];武汉理工大学;2013年

3 付建勋;基于智能天线的GPS信号采集与处理实验系统[D];华中科技大学;2013年

4 黄少锐;GNSS软件接收机中室内微弱卫星信号捕获技术的研究[D];华中科技大学;2013年

5 马晓玉;导航信号波形性能综合评估方法研究[D];华中科技大学;2013年

6 黄其祥;基于舵机控制的新型摆线推进器研究[D];浙江大学;2014年

7 蒋莹莹;基于局域陆基导航系统接收机的基带信号处理设计[D];南京理工大学;2014年

8 黄海涛;基于VxWorks的双GPS测向系统设计[D];南京理工大学;2014年

9 单童;深组合系统中惯性辅助GPS基带技术研究[D];南京理工大学;2014年

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本文编号：883810