《電子技術應用》
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NLOS環境下基于WSN的救援人員定位系統研究
2020年電子技術應用第12期
王欽銳1,黃越洋1,石元博2,張吉祥1,左梓邑1
1.遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院,遼寧 撫順113001; 2.遼寧石油化工大學 計算機與通信工程學院,遼寧 撫順113001
摘要: 在大型建筑災難發生過程中,由于受到有毒煙霧、噪聲、大火、漏電、光線等不利因素影響,加上大型建筑內部結構復雜,很多救援人員難以獲得可靠的信息。針對上述情況,無線傳感器網絡在室內復雜環境定位方面可以發揮其優勢作用,但目前面臨的挑戰就是在LOS環境下其定位精度非常高,然而在NLOS環境下其測量可能會受到非視距傳播的污染,從而導致定位精度下降。針對這一現象,提出一種改進的無跡卡爾曼濾波(MKF)定位方法。首先,采用檢驗統計方法識別移動節點和信標節點之間的傳播狀態。然后,利用線性卡爾曼濾波器(LKF)平滑測量距離,在此基礎上利用MKF削弱NLOS對于測量產生的影響。之后,采用無跡卡爾曼濾波(UKF)方法來確定未知移動節點的位置信息。最后通過數值仿真實驗驗證了所提算法的有效性。
中圖分類號: TN911.23
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200409
中文引用格式: 王欽銳,黃越洋,石元博,等. NLOS環境下基于WSN的救援人員定位系統研究[J].電子技術應用,2020,46(12):78-82,88.
英文引用格式: Wang Qinrui,Huang Yueyang,Shi Yuanbo,et al. Research on the location system of rescuers based on WSN in NLOS environment[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(12):78-82,88.
Research on the location system of rescuers based on WSN in NLOS environment
Wang Qinrui1,Huang Yueyang1,Shi Yuanbo2,Zhang Jixiang1,Zuo Ziyi1
1.The School of Information and Control Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China; 2.The School of Computer and Communication Engineering, Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China
Abstract: During the process of large building disaster, due to the adverse effects of toxic smoke, noise, fire, electricity leakage, light and other factors, as well as the complex internal structure of large buildings, it is difficult for many rescuers to obtain reliable information. Considering the above situation, wireless sensor networks can play their advantages in positioning indoor complex environments. But there is a challenge. Although their positioning accuracy is very high in the LOS environment, their measurement may be polluted by non-line-of-sight propagation in the NLOS environment, which results in a decrease in positioning accuracy. To solve this problem, we propose an improved location method based on unscented Kalman filter(UKF). Firstly, the propagation state between mobile node and beacon node is identified by means of test statistics. Secondly, the linear Kalman filter(LKF) is used to measure the distance smoothly. On this basis, a modified Kalman filter(MKF) is used to weaken the influence of NLOS on the measurement. Then, the UKF method is used to determine the location information of the unknown mobile node. Finally, the effectiveness of the proposed algorithm is verified by numerical simulation.
Key words : wireless sensor network;nonline-of-sight;unscented Kalman filter;location;rescue

0 引言

    隨著中國城市化進程速度的加快,高建筑物密度區域也在不斷增加。因此,這些城市化區域在面臨大型災難應對方面遭受著巨大壓力[1-2]。GPS在空曠的環境下定位能夠發揮巨大優勢,可對于復雜的室內環境則顯得力不從心,而無線傳感器因其網絡自組織能力強、易部署、低能耗等特點在室內定位中有著較為良好的應用前景[3]。目前最為普遍的基于距離的定位方法有到達時間(TOA)定位方法、到達時間差(TDOA)定位方法、接收信號強度(RSS)定位方法和到達角(AOA)[4-5]定位方法等。

    由于NLOS定位方法傳播誤差被認為是定位系統的主要誤差來源之一,因此在無線傳感器網絡定位中,識別NLOS傳播和削弱NLOS的影響非常重要。在過去的十幾年中,關于NLOS識別和削弱的研究方法層出不窮。在文獻[6]中,作者采用二元假設檢驗來識別測量的LOS狀態;在文獻[7]中,提出了似然比檢驗的方法;在文獻[8-9]中,作者提出了統計分析方法。這些方法被廣泛應用于NLOS的鑒定。對于運動目標跟蹤問題,文獻[10]采用卡爾曼濾波算法的線性回歸模型生成測量值的殘差,然后對殘差進行篩選;文獻[11]采用多項式擬合和基于KF統計分析的方法進行NLOS識別,然后采用極大似然法進行定位;文獻[12]提出了采用偽測量位置來檢測LOS或NLOS的測量信息,然后利用KF對所選的LOS偽測量位置求平均的方法進行運動目標定位;文獻[13]采用兩個平行的卡爾曼濾波器對測量進行濾波,之后用擴展卡爾曼的方法進行定位;文獻[14]提出了基于UKF的IMM方法來估計移動目標的位置。

    然而,這些算法需要大量的計算、高錨節點(ANs)密度和大量的信息等。基于以上分析,本文采用基于距離的測量方法TOA進行測距,并對此進行平滑,之后利用假設檢驗的方法辨識傳播狀態,并采用MKF來削弱NLOS帶來的偏置誤差。最后采用UKF來確定移動節點的位置。




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作者信息:

王欽銳1,黃越洋1,石元博2,張吉祥1,左梓邑1

(1.遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院,遼寧 撫順113001;

2.遼寧石油化工大學 計算機與通信工程學院,遼寧 撫順113001)

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