一种基于置信水平的加权三边定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于传感器节点对目标节点定位技术领域，具体涉及一种基于置信水平的 加权三边定位法，该方法能应用于工业、农业、军事、商业以及室内定位领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着物联网概念的普及，无线传感器网络（Wireless sensor network, WSN)和无线局域网（Wireless Local Network, WLAN)等面向区域的定位技术越 来越被工业、农业、军事、商业等领域的研宄者关注。WSN的目标是通过无线方式使分散而 独立的传感器节点互联，组成分布式无线传感器网络，从而针对实时采集的环境信息进行 处理，以实现用户和环境的交互。环境信息中很重要的一点就是空间位置信息，基于位置的 估计，即定位技术应用于现实生活中的方方面面，如医院病人无线监控系统、博物馆智能导 航系统等。此外，室内定位技术也有着十分广阔的发展前景，目前提出的无线家庭自动网 络（Wireless Home Automation Networks, WHANs)就是专门为智能家居提供的无线传感 器网络相关技术，现有的基于IEEE 802. 15. 4相关协议标准的Zigbee、Z-wave、INSTE0N、 Wavenis和IP的技术都围绕相关硬件标准和协议提供了技术支持。
[0003] 超宽带（Ultra wideband, UWB)技术自2006年由美国联邦通讯委员会正式通过 了将其用于民用的议案后，大大应用于无线传感器网络定位领域。它通过从时间上分割信 号代替从波段或频率来分割信号，避免了无限细分频谱遇到物理实现上不可逾越的技术瓶 颈。超宽带工作频率为3. 1~10. 6GHz，系统带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带 宽至少为500MHz，与传统无限电探测系统相比，无需载波信号，能够直接产生窄脉冲去激励 天线。超宽带技术具有低功耗、抗干扰能力强、对信道衰减不敏感、隐蔽性好、穿透能力强、 定位精度高的特点。近年来，利用亚纳秒级超窄脉冲做近距离精确定位技术大大发展，如 Multispectral Solutions公司和美国海军设施工程服务中心联合开发的UWB精确定位系 统、清华大学研发的LocalSense无线定位系统和唐恩科技有限公司的iLocate?系统。
[0004] 根据定位过程是否测量实际节点的距离，把定位算法分为：基于测距 (range-based)定位算法和无需测距（range-free)的定位算法。基于测距算法通过测量节 点间点到点距离或角度信息，使用三边测量（trilateration)、三角测量（triangulation) 或最大似然估计等估计算法减小测距误差对定位测量的影响；无需测距算法根据网络连通 性等信息即可实现定位。相比于无需测距算法，基于测距算法更易于硬件实现，而且得到广 泛应用。
[0005] 基于测距定位算法常用测距技术有TOA、TDOA、TOF和AOA等等。TOA (Time of Arrival)算法需要节点精确地时间同步，无法用于松散親合定位系统；TDOA(Time difference of Arrival)技术受限于超声波传播距离有限和NLOS问题对超声波等信号的 传播影响，超声波通常传播距离为6-9米；AOA(Angle of Arrival)也受外界环境影响，而 且需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上可能无法用于传感器节点；T0F(Time of Flight)技 术是指通过测量单一节点对目标的信号发送和接收时间差，计算出与目标的距离。该算法 无需精确时间同步，且实现简单，消耗硬件资源较少，适用于能量优先的传感器网络，本发 明采用TOF技术进行测距。
[0006] 三边定位法是通过测量目标点和三个已知坐标点之间的距离确定目标点的决定 或相对位置的过程。目前常用的方法是最小二乘估计和基于几何重心的方法。基于最小二 乘估计的思想是使位置的联合估计均方差最小，通过对其偏导，确定目标的估计值，然而在 实际定位中，由于量测距离与真实距离之间存在较大误差，因而并不能真正让三个圆交于 一点，从而导致定位存在较大的误差。基于几何重心的方法是指通过求解三个圆两两相交 的交点，对其连线构建一个几何多边形，然后求其几何多边形的几何重心即为目标空间坐 标估计值，如图1-2所示。
[0007] 以上这两种算法都面临由于测距不准而造成的两圆无法相交，定位不准甚至算法 报错的问题。在测距误差对三边定位算法影响方面，主要集中在两点：1.从方程求解角度， 使用不同方法对非线性方程组求最优解；2.对测距信息依据一定的原则赋予与误差信息 相关的权值，减小误差大的测距对定位结果的影响。这两种方法主要考察如何减小测距误 差对定位结果的影响，虽然对测距误差引起的定位误差有所改进，但对于较大误差测量值， 上述方法不能去除该定位结果的影响，尤其是两圆无法相交导致的定位不准情况。本发明 围绕这一问题，提出了基于置信水平的加权三边定位法。
[0008] 综上所述，目前定位主要问题还是基于现有硬件基础，实现廉价的高精度低功耗 的定位算法。
【发明内容】
[0009] 有鉴于此，本发明针对的问题是受限于信号的多径传播、视距等因素造成的测距 不准而带来的两圆交点很可能与目标点相差太远，从而利用传统三边定位法带来较大的定 位误差，以至于无法满足现实生活中定位的精度需求；本发明提出了一种基于置信水平的 三边定位法，该方法在两圆相交不上的情况，采用基于置信水平的距离补偿法，在一定置信 水平下，能通过增大半径值实现两圆相交；该方法操作简单，易于实现，能够在不造成计算 负担的情况下，很好达到提高定位精度的目的。
[0010] 实现本发明的技术方案如下：
[0011] 一种基于置信水平的三边定位方法，具体过程为：
[0012] (一）从空间布设的N个锚节点中选择3个作为参考节点；
[0013] (二）针对每一参考节点，以其所处位置为圆心，以其与所需定位的标签节点之间 的距离为半径设圆；判断任意两个圆之间是否相交，针对相交的两圆，执行步骤（四），针对 不相交的两圆，执行步骤（三）；
[0014] (三）同时逐渐增大互不相交的两圆所对应的距离值（即增大两圆的半径），若两 圆相交时，所增加的距离在预设置信水平α对应的距离偏差范围内，此时执行步骤（四）， 否则，结束该方法；
[0015] (四）从相交两圆的交点中选定一个作为三角形的一个顶点；
[0016] (五）将由步骤（四）选定的顶点构成的三角形重心作为标签节点的位置估计值；
[0017] (六）重新选择3个锚节点作为参考节点，按照