7.目标定位跟踪讲义(计算机学院刘亮).ppt

物联网信息处理 目标定位跟踪北京邮电大学计算机学院刘亮 自我介绍 主要研究方向 无线传感器网络物联网 姓名 刘亮办公室 教三楼911邮件 liangliu82 2000年09月 2004年09月 2009年07月 2007年10月 2008年12月 华南理工大学 北京邮电大学 导师 马华东教授 TexasA MUniversity 美国 目标定位跟踪 提纲 GPS目标定位传统传感器网络中的目标定位跟踪视频传感器网络中的目标定位跟踪 一 GPS目标定位 简介 1 GPS全球定位系统 GlobalPositioningSystem 一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统全球定位系统 GPS 是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 简介 2 GPS保证在任意时刻 地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星 以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度 以便实现导航 定位 授时等功能 GPS为陆 海 空三大领域提供实时 全天候和全球性的导航服务 并用于情报收集 核爆炸监测和应急通讯等一些军事目的 发展历程 1 子午仪 导航卫星系统 Transit 1958年研制 64年正式投入使用用5到6颗卫星组成的星网工作 每天最多绕过地球13次 发展历程 2 意义卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性对卫星定位取得了初步的经验 并验证了由卫星系统进行定位的可行性缺陷无法给出高度信息 在定位精度方面也不尽如人意存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷 发展历程 2 Tinmation 美国海军研究实验室 NRL 用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划 于67年 69年和74年各发射了一颗试验卫星初步试验了原子钟计时系统621 B 美国空军以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群 卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道以伪随机码 PRN 为基础传播卫星测距信号 信号密度低于环境噪声的 时也能将其检测出来 发展历程 3 1973年美国国防部将Tinmation与621 B合二为一由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局 JPO 领导办事机构设立在洛杉矶的空军航天处机构成员众多美国陆军 海军 海军陆战队 交通部 国防制图局北约澳大利亚 发展历程 4 俄罗斯全球导航卫星系统GLONASS欧洲GALILEO计划我国 北斗一号 系统 GPS原理 1 基本原理测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离 然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置 GPS原理 2 卫星位置 根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出用户到卫星的距离 通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间 再将其乘以光速得到由于大气层电离层的干扰 这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离 而是伪距 PR GPS原理 3 导航电文 伪随机码 简称伪码 导航电文包括卫星星历 工作状况 时钟改正 电离层时延修正 大气折射修正等信息从卫星信号中解调制出来 以50b s调制在载频上发射分类民用的C A码 C A码频率1 023MHz 重复周期一毫秒 码间距1微秒 相当于300m军用的P Y 码 P码频率10 23MHz 重复周期266 4天 码间距0 1微秒 相当于30m 而Y码是在P码的基础上形成的 保密性能更佳 GPS原理 4 用户接受到导航电文时 提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置 用户在WGS 84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步 所以除了用户的三维坐标x y z外 还要引进一个 t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数 然后用4个方程将这4个未知数解出来 GPS组成 1 空间部分由24颗工作卫星组成 位于距地表20200km的上空 均匀分布在6个轨道面上 每个轨道面4颗 轨道倾角为55 4颗有源备份卫星在轨运行卫星的分布使得在全球任何地方 任何时间都可观测到4颗以上的卫星 并能保持良好定位解算精度的几何图象 GPS组成 2 地面控制部分地面控制部分由一个主控站 5个全球监测站和3个地面控制站组成 监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机 监测站将取得的卫星观测数据 包括电离层和气象数据 经过初步处理后 传送到主控站 主控站从各监测站收集跟踪数据 计算出卫星的轨道和时钟参数 然后将结果送到3个地面控制站 地面控制站在每颗卫星运行至上空时 把这些导航数据及主控站指令注入到卫星 这种注入对每颗GPS卫星每天一次 并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入 GPS组成 3 用户设备部分当接收机捕获到跟踪的卫星信号后 即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率 解调出卫星轨道参数等数据根据这些数据 接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算 计算出用户所在地理位置的经纬度 高度 速度 时间等信息 接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备 GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分 采用机内和机外两种直流电源 GPS主要特点 全天候全球覆盖三维定速定时高精度快速省时高效率应用广泛多功能 GPS主要用途 陆地应用包括车辆导航 应急反应 大气物理观测 地球物理资源勘探 工程测量 变形监测 地壳运动监测 市政规划控制等海洋应用包括远洋船最佳航程航线测定 船只实时调度与导航 海洋救援 海洋探宝 水文地质测量以及海洋平台定位 海平面升降监测等航空航天应用包括飞机导航 航空遥感姿态控制 低轨卫星定轨 导弹制导 航空救援和载人航天器防护探测等 二 传统传感器网络中的目标定位跟踪 目标定位与跟踪 1 无线传感器网络中的目标定位跟踪确定目标的位置预测目标的运动轨迹选择目标运动方向上的节点及时加入跟踪过程两方面需求定位跟踪精度与网络能耗的平衡性定位跟踪的可靠性 目标定位与跟踪 2 无线传感器网络中的目标跟踪按照跟踪对象的数量不同分为 单目标跟踪 节点协作跟踪同一目标多目标跟踪 同时对这多个目标进行跟踪按照跟踪对象的形状特征分为 点目标跟踪 目标自身所占空间相对于运动轨迹而言很小面目标跟踪 目标面积较大 目标定位与跟踪 3 无线传感器网络目标跟踪的研究集中在单个点目标上 双元检测协作跟踪 1 MechitovK SundreshS KwonY AghaG Cooperativetrackingwithbinary detectionsensornetworks Proceeding1stInt Conf onEmbeddedNetworkedSensorSystem SenSys03 LosAngeles CA November5 7 2003 双元检测协作跟踪 2 对于节点的侦测距离R 当目标传感器节点的距离在 R e 之内时总会被检测到当目标距节点距离在 R e 之外时不会被检测到当目标距节点距离在 R e 和 R e 之间时以一定的概率被检测到 双元检测协作跟踪 3 定位原理 双元检测传感器不能检测到目标的距离 只能判断目标是否在侦测范围内 当目标进入探测区域后 在节点足够密集的情况下 任何时刻都有多个节点同时侦测到目标的位置区域 这些节点探测范围的重叠区域是一个相对较小的区域 目标就处于这个重叠区域内 这样就能相对精确地确定目标位置 双元检测协作跟踪 4 跟踪基本过程 节点侦测到目标进入侦测区域 唤醒自身的通信模块并向邻居节点广播消息 消息包含节点ID和自身位置信息 如节点检测到目标出现 同时接收到两个或两个以上通告消息 则计算目标位置 计算时采用目标在节点侦测范围内的持续时间作权重 当目标离开侦测区域时 节点向汇聚节点发送自己的位置信息以及目标在自己侦测区域内的持续时间信息 汇聚节点根据已有历史数据和当前获得的最新数据进行线性拟合 计算运动轨迹 双元检测协作跟踪 5 基于双元检测的协作跟踪适用于简单低廉的传感器节点 并通过大量密集部署节点保证跟踪精度 基于双元检测的协作跟踪需要节点间的时钟同步 并要求节点知道自身的位置信息 信息驱动协作跟踪 1 M Chu H Haussecker F Zhao Scalableinformation drivensensorqueryingandroutingforadhocheterogeneoussensornetworks InternationalJournalonHighPerformanceComputingApplications 2002 16 3 293 313 F Zhao J Shin J Reich Information Drivendynamicsensorcollaborationfortrackingapplications IEEESignalProcessingMagazine 2002 19 2 61 72 信息驱动协作跟踪 2 协作跟踪对节点跟踪数据的融合能够有效地提高跟踪精度通过选择合适的节点进行协作能降低节点间的数据通信量从而节省节点能量和通信带宽由于目标运动轨迹没有规律 通过预先选定的一些传感器节点进行目标跟踪会产生一些问题 不能保证有效的跟踪跟踪效率较低 有些不在目标运动轨迹附近的节点也要参与跟踪 信息驱动协作跟踪 3 基于信息驱动的协作跟踪算法核心思想 传感器节点通过交换局部信息来选择合适的节点检测目标并传递信息 传感器节点利用自己侦测到的信息和接收到的其它节点的侦测信息判断目标可能的运动轨迹 唤醒合适的传感器节点在下一时刻参与跟踪活动 由于使用了合适的预测机制 信息驱动的协作跟踪能够有效地减少节点间的通信量 从而节省节点有限的能量资源和通信资源 信息驱动协作跟踪 4 目标进入传感器区域时 离目标最近的节点a获得目标位置的初始估计值计算出下一时刻节点b进行跟踪能够保证侦测数据的精度 使自己到节点b的通信代价在规定的范围内 则将获得的目标位置估算值传给节点b b使用相同的标准选择下一个跟踪节点c 这个过程不断重复直到目标离开传感器网络侦测区域 传送树跟踪算法 1 W Zhang G Cao DCTC Dynamicconvoytree basedcollaborationfortargettrackinginsensornetworks IEEETransactionsonWirelessCommunications 2004 3 5 1689 1701 传送树跟踪算法 2 基于传送树的跟踪算法是一种分布式算法 节点只在本地收集数据并通过局部节点交换信息以完成目标跟踪 传送树是一种由移动目标附近的节点组成的动态树型结构 并且会随着目标的移动动态地添加或者删除一些节点 移动目标附近的节点通过传送树结构进行协作跟踪 在保证对目标进行高效跟踪的同时减少节点间的通信开销 传送树跟踪算法 3 目标进入侦测区域时 在探测到目标的传感器节点中选举一个根节点 并构造出初始传送树传送树上每个节点周期性发出侦测信息 并传送到根节点 根节点收集传送树上所有节点的侦测报告 进行数据融合处理 并将处理结果发送到汇聚节点 传送树跟踪算法 3 随着目标的移动 传送树删除那些距离目标越来越远的节点 并且唤醒目标移动方向上的节点将其加入传送树当目标与根节点的距离超过一定阈值时 需要重新选举根节点并重新构造传送树 三 视频传感器网络中的目标定位跟踪 视频传感器网络 1 采集温度 湿度 光强等环境数据单值数据的简单处理 传输 融合 无线传感器网络 无线多媒体传感器网络 采集信息量丰富的音频 图像 视频等媒体数据复杂数据的处理 传输 融合与场景再现 视频传感器网络 以可视信息为主的无线多媒体传感器网络主要传感器类别 摄像头传感器 资源受限分布式数据感知与处理自组织网络多跳通信方式 41 Traditionalwirelesssensornetworks Traditionalvideosurveillancesystem 视频传感器网络 视频传感器网络 2 感知媒体丰富处理任务复杂网络能力增强 感知媒体丰富处理任务复杂网络能力增强 视频传感器节点原型 1 42 iCast CMU SensEye UMASS Multi tierCameraSensorNetwork 43 Theprototypeofcamerasensordevelopedbyourgroup 视频传感器节点原型 2 视频传感器网络 3 视频传感器网络研究内容 硬件平台设计 网络拓扑结构与覆盖控制 流媒体传输 视频信息处理 应用支撑技术 视频传感器网络 4 视频传感器网络应用智能交通环境监测公共安全紧急救援战场监测 研究内容 1 目标定位跟踪的典型阶段 部署阶段 研究内容 2 目标定位跟踪的典型阶段 探测阶段 研究内容 3 目标定位跟踪的典型阶段 定位阶段 研究内容 4 目标定位跟踪的典型阶段 跟踪阶段 传感器节点感知模型 传感器节点感知模型刻画传感器网络信息感知的特点合理感知模型是研究传感器网络的基础常见感知模型全向感知模型 Omni DirectionalSensingModel 有向感知模型 DirectionalSensingModel 投影影射模型 1 视频传感器投影影射模型 投影影射模型 2 两种成像情况目标部分成像目标完全成像 面向定位感知模型 观测模型X视频传感器节点观测值目标水平偏移理论值 背景差分 协作定位方法 1 基于贝叶斯估计的协作定位方法 探测节点集 目标T能够被k个视频传感器节点同时探测到 称这k个视频传感器节点为T的探测节点集 设 是k维取值空间 中的任意一点 协作定位方法 2 由贝叶斯公式 设 目标位置的估计值 目标位置的估计误差 MSE最小的估计值 为 覆盖含义 覆盖含义传统传感器网络覆盖一个点称为被覆盖 需要存在至少一个传感器节点 使得该点到该传感器节点的距离小于传感器节点的感知半径覆盖更加广泛的含义感知模型相关应用相关 面向定位的覆盖 1 无线视频传感器网络中的L覆盖问题L覆盖的感知模型是基于投影映射模型和视频传感器节点的误差模型 且是非线性的L覆盖是目标定位的度量L覆盖应用部署 推导合适的部署节点数目 以保证部署区域的大部分都能够被定位动态调整 衡量该区域的相关定位质量 建议下一步的部署方案或重构策略 面向定位的覆盖 2 L覆盖定义利用的平均值度量点T能够被定位的精确程度面向定位覆盖 L覆盖 当一个点能够被k个节点同时感知 且这k个节点进行协同估计时平均估计误差满足则称该点被L覆盖根据定位应用的精度需求来决定 面向定位的覆盖 3 L覆盖实例 1000mm 实例1实例2实例3 2953mm 1607mm 261mm L覆盖率分析 1 随机部署方式节点位置能够使用密度为的2维泊松过程进行建模视频传感器节点的感知方向满足在均匀分布 L覆盖率分析 2 L覆盖率 部署区域S中 平均L覆盖区域面积与S面积的比例 其中 节点状态模式 视频传感器节点三种状态模式 休眠模式 周期性地侦听是否存在唤醒信息探测模式 判定是否出现可能的目标定位模式 将与目标相关的观测值发送到融合节点 融合中心节点通过这些观测值估计目标位置 节点选择问题 探测阶段使所有的传感器节点处于探测模式将消耗过多能量从部署节点中选择部分节点处于探测模式 使得保障探测质量的同时最小化探测节点的数目定位阶段定位精度与能量消耗的矛盾定位质量将随着不同节点观测值数目的增加而提高大量视频传感器节点获取并传输观测值将减少视频传感器网络的寿命两个问题需要解决如何确定能够观测到目标的视频传感器节点从能够观测到目标的节点中 如何选择最优节点集参与目标定位 探测阶段的节点选择 1 基于探查机制的密度控制算法 PEAS 在节点被部署后均处于休眠模式休眠节点经过一段时间后唤醒 唤醒率为唤醒节点在探查范围内广播一个探查信息PRB如果在范围内存在一个处于探测模式的节点 则该探测节点将广播一个回复信息RPY如果唤醒节点没有