基于检测信号波长信息的锚节点布局及其测距定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线传感器网络节点定位技术领域，特别是复杂信道环境下的定位问 题。
【背景技术】
[0002] 随着无线传感器网络技术的不断进步，基于节点位置的服务的越来越引起人们的 重视，而位置信息的准确获取则成为下一代技术发展的关键环节。目前已有的定位技术包 括GPS，蓝牙，超声波，超宽带，Wi-Fi，计算机视觉，超高频射频识别（UHFRFID)等技术。其 中，GPS已经成为应用最为广泛的室外定位技术，而UHFRFID凭借其非接触、高效、低功耗， 造价低的优势，成为了近来年室内定位研宄的热点以及难点。
[0003]目前定位技术中可利用的测量信息包括能量（RSS)和相位（Phase)两种信息。大 量研宄表明这两种测量信息有着自身的优点和不足，基于能量的定位方法，其优势在于能 量信息获取简单，但不足在于能量信息极易受到传播环境和标签天线方向的影响，想要建 立信号能量衰减与传播距离之间的通用数学模型是非常困难的，因此通过能量信息直接估 计信号传播距离的精度是非常不理想的。对于能量信息目前比较经典的用法就是引入锚节 点，通过比较锚节点与待定标签能量的近似度来获得目标的定位信息。传统锚节点的布局 为网格式均匀分布，为了提高定位精度，在经济条件允许的前提下要求锚节点部署的密度 越大越好。但由于锚节点之间会产生相互影响，密度过高时又会降低定位精度，因此通过增 加锚节点的部署密度提高定位精度是存在局限性的。相对于能量信息，已有研宄表明，即使 在复杂信道环境下，窄带信号的相位信息仍然可以比较准确的获得，但存在周期模糊问题 (或称为卷叠相位问题），使得基于相位信息的定位技术存在很大的测距误差。目前也有研 宄将锚节点引入相位法中，但其布局原理类同于能量法。
【发明内容】
[0004] 为了改善锚节点在定位方法中的局限性，提出了基于检测信号波长信息的锚节点 布局方法。该布局方法能够在保证定位精度的前提下减少锚节点间的相互影响，克服了以 往锚节点布局密度过高对定位精度的负面影响，还可以提高处于检测边缘位置处的节点的 定位精度。由于锚节点与待定位节点处于同样的传播环境，因此该方法对动态环境因素具 有很好的鲁棒性。利用本布局在基于相位信息的协同测距应用方法中获得较好的测距精度 且硬件设备简单易实现。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于检测信号波长信息的锚节点布局 方法，是将信号发射/接收器布置到待检测空间内，计算所述发射/接收器发射出的存在有 卷叠相位wrappedphase的发射信号的波长，建立一组包含有正有理数倍波长的递增序列， 以信号发射/接收器为圆心，分别以该序列为半径由近及远建立同心球，过同心球圆心的 水平面与同心球的表面截交形成多条同心圆弧线，在每一个圆弧线上布置有任意数量的锚 节点。
[0006] 进一步讲，若锚节点之间发生相互干扰，则在每一个圆弧线上布置一个锚节点。
[0007] 本发明提出的基于检测信号波长信息的锚节点布局的测距定位方法，包括下列步 骤：
[0008] 步骤一、按照本发明中的上述锚节点布局方法进行锚节点布局；
[0009] 步骤二、待测节点进入检测空间，获得所有待测节点和锚节点的用于测距的测量 信息：
[0010] 信号发射/接收器发送的信号一部分用以测量接收信号的卷叠相位wrapped phase，另一部分用以测量接收信号的非卷叠相位unwrappedphase;信号传播过程接收与 发射的相位差为：
[0011]
【主权项】
1. 一种基于检测信号波长信息的锚节点布局方法，其特征在于，将信号发射/接收器 布置到待检测空间内，计算所述发射/接收器发射出的存在有卷叠相位wrapped phase的 发射信号的波长，建立一组包含有正有理数倍波长的递增序列，以信号发射/接收器为圆 心，分别以该序列为半径由近及远建立同心球，待检测空间的定位水平面与同心球截交后 形成一组同心圆弧线，每一条圆弧线上布置有任意数量的锚节点。
2. 根据权利要求1所述基于检测信号波长信息的锚节点布局方法，其中，若锚节点之 间存在相互干扰，则在每一个圆弧线上布置一个锚节点。
3. -种基于检测信号波长信息的锚节点布局的测距定位方法，其特征在于，包括下列 步骤： 步骤一、根据权利要求1或2所述基于检测信号波长信息的锚节点布局方法进行锚节 点布局； 步骤二、待测节点进入检测空间，获得所有待测节点和锚节点的用于测距的测量信 息： 信号发射/接收器发送的信号一部分用以测量接收信号的卷叠相位wrapped phase， 另一部分用以测量接收信号的非卷叠相位unwrapped phase ;信号传播过程接收与发射的 相位差为：
(1) (2) 式（1)和式（2)中，％为接收信号的卷叠相位，单位为rad，.为接收信号的非卷叠相 位，单位为rad，％为发射信号的初始相位，单位为rad ; 步骤三、确定一待测节点和锚节点的非卷叠相位升序排序为：
式（3)中，M表示锚节点的个数，f巧-代),_表示第j个锚节点的非卷叠相位差值，乂 表示该待测节点的非卷叠相位差值； 根据步骤一中的正有理数倍确定该待测节点所在的整周期区间（2Pj，2pj+1)，Pj表示第 j个锚节点所在圆弧线半径为p/咅的载波波长；P μ表示第j+Ι个锚节点所在圆弧线半径 为Pj+l倍的载波波长； 定义第j个锚节点非卷叠相位差和第j+Ι个锚节点非卷叠相位差之间的区间等分间隔 为：
(4) 根据上述等分间隔建立一虚拟锚节点非卷叠相位差序列，如下：
将该待测节点在上述虚拟锚节点非卷叠相位差序列中排序，得到如下式（6):
式（6)中，η为正整数，从而得到该待测节点至信号发射/接收器正整周期k:
(7) 式⑵中，L·」表示下取整运算； 利用提取的卷叠相位差计算距离1
(8) 式（8)中，f。为存在有卷叠相位wrapped phase的发射信号的频率，单位Hz，c为电磁 波的传播速度，单位为m/s，距离1的单位为m ; 该待测节点至信号发射/接收器的直射距离1
单位为m ; 以此类推，得到进入检测空间中所有待测节点至信号发射/接收器的直射距离。
【专利摘要】本发明公开了一种基于检测信号波长信息的锚节点布局方法，其特征在于，将信号发射/接收器布置到待检测空间内，计算所述发射/接收器发射出的存在有卷叠相位的发射信号的波长，建立一组包含有正有理数倍波长的递增序列，以信号发射/接收器为圆心，分别以该序列为半径由近及远建立同心球，待检测空间的定位水平面与同心球截交后形成一组同心圆弧线，每一条圆弧线上布置有任意数量的锚节点。该布局方法能够在保证定位精度的前提下减少锚节点间的相互影响，克服了以往锚节点布局密度过高对定位精度的负面影响，还可以提高处于检测边缘位置处的节点的定位精度，利用本布局在基于相位信息的协同测距中能获得较好的测距精度。
【IPC分类】G01S5-02
【公开号】CN104678353
【申请号】CN201510051668
【发明人】赵阳, 刘开华
【申请人】天津大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月30日