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WSNs节点定位中不适定问题的研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 WSNs概述

1.2 WSNs的体系结构及特点

1.2.1 WSNs体系结构

1.2.2 WSNs特点

1.3 WSNs定位研究的重要性

1.4 文章结构安排

第2章 WSNs定位问题概述

2.1 WSNs定位的相关术语

2.2 WSNs定位的基本分类

2.2.1 集中式与分布式计算

2.2.2 基于测距和无需测距的算法

2.2.3 绝对定位和相对定位

2.2.4 松散耦合与紧密耦合

2.3 测距算法

2.3.1 TOA(Time of Arrival)到达时间法的测距算法

2.3.2 TDOA(Time Difference of Arrival)到达时间差的测距算法

2.3.3 RSSI(Received Signal Strength Indicator)测距算法

2.3.4 AOA(Angle of Arrival)到达角法

2.4 基于测距的定位方法

2.4.1 三边测量法

2.4.2 极大似估计法(Maximum likelihood estimation)

2.4.3 三角测量法

2.5 与距离无关的定位算法

2.5.1 APIT算法(Approximate Point-in-triangulation Test,APIT)

2.5.2 质心定位算法

2.5.3 在距离向量-跳段(Distance Vector-Hop,DV-HOP)算法

2.5.4 凸规划

2.5.5 Amorphous法

2.5.6 SPA(self-positioning algorithm)相对定位算法

2.6 定位算法性能衡量指标

2.7 小结

第3章 三维节点定位模型

3.1 三维节点定位模型

3.2 基于RSSI的测距方法

3.2.1 信号传播的理论模型

3.2.2 拟合

3.2.3 带误差的定位模型

3.3 小结

第4章 不适定性问题

4.1 实际应用中遇到的问题

4.2 测量中不适定问题的概念与理论推导

4.3 实际测量中不适定问题的产生原因

4.4 不适定问题的诊断

4.4.1 特征分析法

4.4.2 条件数法

4.4.3 条件指标方差分解比法

4.5 小结

第5章 不适定性的克服

5.1 增加信息量

5.2 有偏估计

5.2.1 Stein估计

5.2.2 岭估计

5.2.3 广义岭估计

5.3 直接解算方法

5.4 WSNs定位算法实验

5.4.1 WSNs实验准备

5.4.2 最小二乘法(LS估计)计算下的定位结果与误差

5.4.3 增加锚节点数量

5.4.4 岭估计法

5.4.5 广义岭估计法

5.4.6 直接解算方法(TSVD)

5.5 定位算法的流程

5.6 小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究工作于发表的学术论文

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摘要

无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs)作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物,在军事、环境监测、家居、空间探测、医疗等多个领域拥有着巨大的潜能和广阔的前景。该技术实现了物理世界、计算世界和人类社会三元世界的连通。无线传感器网络定位技术强调的是传感器节点在接收到信息的同时必需明确自身的位置,即:在什么位置发生了什么事件,从而实现系统对目标的定位和追踪。因此,WSNs定位技术是无线传感器网络技术的基础之一。
  本文首先综述了无需测距的定位方法和基于测距的定位算法的优劣性。然后基于RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)的测距方法,利用无线信号衰减模型计算锚节点与未知节点间的距离,最后提出了克服定位中不适定性的方法,大幅度提高了定位精度。
  在三维空间定位中,由于测距误差和锚节点分布的病态性,节点定位存在着不适定问题,导致传感器节点在对自身进行位置计算时会出现严重的偏差。通过研究最小二乘估计法的计算公式发现,不适定问题是法矩阵的复共线性导致的。据此,本文提出使用条件数法诊断不适定性的强弱程度,对于不适定问题较弱的法矩阵,直接采用运算量较小的最小二乘估计法定位。而对于不适定问题程度较为严重的法矩阵,采用了增加节点信息法、岭估计法和直接解算法三种方法来削弱病态法矩阵的不适定程度。
  实验研究表明,(1)通过增加节点信息的方法可以削弱不适定性的严重程度,再利用最小二乘估计进行计算,但是由于选取增加节点的随机性,可能会增加多个锚节点方能削弱不适定性,且削弱不适定性的程度较弱。(2)岭估计是一种通过修正接近于零的法矩阵的特征值的方法来克服法矩阵的复共线性问题,从而达到克服不适定问题的方法。选择岭参数是使用岭估计法的关键,通过对比L曲线法和拟最优准则法,本文提出采用拟最优准则法选择岭参数。实验表明,选择合适的岭参数可以更有效地削弱不适定问题的病态程度,使定位结果更加贴近真实值,效果最好的定位误差可以由81.3814米减小为修正后的2.3893米。(3)TSVD(TruncatedSingularValueDecomposition,TSVD)是直接对设计矩阵进行奇异值分解,对接近于零的特征值采取截断的方式,以此来计算定位信息。实验表明,该方法在法矩阵条件数大于1000时可以取得比岭估计法更高的精确度,最小误差可达1.4648米;而在条件数处于100到1000范围内时岭估计的定位更加精确。

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