一种实现无线传感网节点定位的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现无线传感网节点定位的方法及装置，由于本发明提出的测距步骤仅通过三次单向通信就实现了高精度的距离测量，相对于现有测距协议，节省了通信过程，降低了测距开销；并且无需高精度的时间同步，降低了节点成本；又更多地考虑了两节点间时钟偏移对测距精度的影响，在测距计算过程中对时间偏移问题进行了处理，提高了测距精度；其次，本发明通过获得多次所述目标节点与所述锚节点之间的测距结果，利用最小值优化原则加权处理，得到一个精度更高的测距结果，相对于常见的多次测量求平均的方法精度更高；而且还可以利用传感器读数估算所述目标节点坐标来修正利用所述测距结果计算的所述目标节点坐标，进一步提高了节点定位精度。
【专利说明】一种实现无线传感网节点定位的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感领域，特别涉及一种实现无线传感网节点定位的方法及装置。
【背景技术】
[0002]无线传感网络的节点定位问题是无线传感网络应用中需要解决的一个基本问题，对于大多数应用而言，在不知道传感器节点位置的情况下获得的数据是没有意义的。无线传感节点通常随机布设在预定的区域中执行不同的监测任务，随机布设的节点无法事先知道自身的位置，因此必须能够在布设后实时进行定位。
[0003]目前，有无须测距技术的定位算法，该种算法无须距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现。典型的算法有DV-Hop、凸规划和MDS-MAP、APIT等，尽管无须测距技术的定位算法不需要额外的硬件设备，节点成本上有一定的优势，但是仍存在以下问题:
[0004]定位精度较差:由于无线传感器网络往往随机分布，节点分布不均匀，利用网络连通性来近似估算节点之间的距离，会造成比较严重的定位误差；
[0005]算法复杂度高:无线传感器节点的芯片处理能力一般比较弱，无法满足运算过程繁复、复杂度高的定位算法。
[0006]还有基于测距技术的定位算法，目前已有的该种定位算法在一定程度上解决了以上问题，例如，基于TOA和TDOA的测距技术、SDS-TffR测距技术、TffR测距协议，但是目前这些算法仍存在以下问题:
[0007]测距协议方面:在TOA测距过程中要求两节点之间保持严格的时间同步，因此需要硬件支持，增加了节点成本和制作难度，而且没有考虑到两节点间时钟偏移对测距的影响，使测距精度受到影响；在SDS-TWR测距过程中虽然在一定程度上减小了时钟偏移造成的测距误差，但是节点通信过于频繁，完成一次测距过程就需要节点之间五次通信，测距功耗大；
[0008]测距结果的后期修正方面:信号传播信道存在随机噪声、多径效应等误差影响，以及信号接收、处理等延时误差，虽然SDS-TWR测距协议针对这些影响，采取了多次测距将多个测距结果相加求平均的方法进行处理，但是最终测距结果相对于实际距离依然存在这比较大的误差，节点的天线一般都是全向的，信号传播可以通过反射、折射等多种方式在节点间传播，测距结果往往是大于实际距离的，因此仅仅通过求平均提高测距精度，误差仍然会比较大；
[0009]节点位置抖动方面:当目标节点静止在多个锚节点的通信半径内，分析定位结果可以发现，每次对这个目标节点进行定位的结果都是不相同的，而且当目标节点移动时，节点估计位置的抖动会更加明显，仅仅依靠测距技术进行定位不利于准确的估算节点位置。
【发明内容】
[0010]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现无线传感网节点定位的方法及装置，以实现对无线传感网络节点进行精度高、算法简单、功耗低的定位。
[0011]本发明提供了一种实现无线传感网节点定位的方法，该方法在基于测距技术的定位算法基础上提出了一种新的无线传感网节点定位算法，具体包括:
[0012]根据测距条件，通过以下测距步骤获得目标节点与锚节点之间的测距结果，所述测距条件包括所述目标节点的锚节点个数至少为3个:
[0013]从所述目标节点向所述锚节点发送测距包一，所述锚节点向所述目标节点返回确认包，再由所述锚节点向所述目标节点发送测距包二，由此获得所述目标节点与所述锚节点之间的时钟偏移量，信号在所述目标节点与所述锚节点之间的传输时间；
[0014]根据所述时钟偏移量，修正所述传输时间，计算得到所述目标节点与所述锚节点之间的测距结果；
[0015]根据所述测距结果和所述锚节点的坐标，利用多边定位法计算得到所述目标节点的第一类坐标。
[0016]所述测距条件还包括所述测距步骤按照预先设置次数执行，所述预先设置次数至少为五次，且获得预先设置次数个测距结果；
[0017]在利用多边定位法计算得到所述目标节点的第一类坐标之前，还包括:
[0018]将所述预先设置次数个测距结果利用最小值优化原则加权处理，得到一个最终的测距结果；
[0019]所述利用多边定位法计算得到所述目标节点的第一类坐标，所根据的测距结果具体为所述最终的测距结果。
[0020]优选地，还包括，利用传感器读数估算所述目标节点坐标来修正利用所述测距结果计算的所述目标节点坐标，具体实现为:
[0021]首先:
[0022]从传感器获得所述目标节点的当前加速度读数；
[0023]当所述当前加速度读数大于零时，执行以下步骤获得第二类坐标，所述第二类坐标为利用所述加速度读数估算所述目标节点当前所在位置的坐标:
[0024]利用所述当前加速度读数积分求所述目标节点相对于前一时刻的第二类位移，所述前一时刻为在此之前的任意时刻；
[0025]获取所述目标节点在前一时刻的位置坐标；
[0026]根据所述第二类位移和所述目标节点在前一时刻的位置坐标，估算所述目标节点当前位置坐标得到第二类坐标。
[0027]其次:
[0028]所述测距步骤具体在所述前一时刻时执行和所述当前时刻时执行；
[0029]计算所述测距步骤前一时刻执行所获得的第一类坐标与当前时刻执行所获得的第一类坐标的差值，获得所述目标节点相对于前一时刻的第一类位移；
1第-类位移I
[0030]判_值.,-麵_-MM呵是否超过允许麵，若超过允许范围，则
将所述第二类坐标与所述第一类坐标进行加权处理，得到第三类坐标，所述第三类坐标为所述目标节点最终的当前位置坐标；
[0031]若未超过允许范围，将所述第一类坐标作为第三类坐标。[0032]本发明还提供了一种实现无线传感网节点定位的装置，该装置具体包括:
[0033]测距单元:用于根据测距条件，通过以下测距步骤获得目标节点与锚节点之间的测距结果，所述测距条件包括所述目标节点的锚节点个数至少为3个，所述测距步骤为:从所述目标节点向所述锚节点发送测距包一，所述锚节点向所述目标节点返回确认包，再由所述锚节点向所述目标节点发送测距包二，由此获得所述目标节点与所述锚节点之间的时钟偏移量，信号在所述目标节点与所述锚节点之间的传输时间，根据所述时钟偏移量，修正所述传输时间，计算得到所述目标节点与所述锚节点之间的测距结果，将所述测距结果发送至坐标计算单元；
[0034]坐标计算单元:用于根据所述测距结果和所述锚节点的坐标，利用多边定位法计算得到第一类坐标，所述第一类坐标为利用测距结果估算的所述目标节点当前所在位置的坐标。
[0035]可见本发明具有如下有益效果:
[0036]由于本发明提出的测距步骤仅通过三次单向通信就实现了高精度的距离测量，相对于现有测距协议，本发明无需高精度的时间同步和硬件支持，很大程度上降低了节点成本；又更多地考虑了两节点间时钟偏移对测距精度的影响，在测距计算过程中对时间偏移问题进行了处理，提高了测距精度；其次，本发明提出最小值优化原则，通过获得多次所述目标节点与所述锚节点之间的测距结果，利用最小值优化原则加权处理，得到一个精度更高的测距结果，相对于常见的多次测量求平均的方法精度更高；而且还可以利用传感器读数估算所述目标节点坐标来修正利用所述测距结果计算的所述目标节点坐标，进一步提高了节点定位精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本发明一种实现无线传感网节点定位的方法步骤图例；
[0038]图2是本发明测距过程示意图例；
[0039]图3是本发明利用传感器读数估算目标节点坐标步骤图例；
[0040]图4是本发明利用传感器读数估算的目标节点坐标修正利用测距结果计算的目标节点坐标步骤图例；
[0041]图5是本发明一种实现无线传感网节点定位的装置组成图例。
【具体实施方式】
[0042]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明实施例作进一步详细的说明。
[0043]本发明提供了一种实现无线传感网节点定位的方法，该方法在基于测距技术的定位算法基础上提出了一种新的无线传感网节点定位算法，有针对性地解决定位精度较差、算法复杂度高、功耗相对较高等问题。
[0044]该方法实现步骤参见图1，具体为:
[0045]S11、根据测距条件，通过以下测距步骤获得目标节点与锚节点之间的测距结果，所述测距条件包括所述目标节点的锚节点个数至少为3个:
[0046]Sll.1、从所述目标节点向所述锚节点发送测距包一，所述锚节点向所述目标节点返回确认包，再由所述锚节点向所述目标节点发送测距包二，由此获得所述目标节点与所述锚节点之间的时钟偏移量，信号在所述目标节点与所述锚节点之间的传输时间；
[0047]Sll.2、根据所述时钟偏移量，修正所述传输时间，计算得到所述目标节点与所述锚节点之间的测距结果；
[0048]S12、根据所述测距结果和所述锚节点的坐标，利用多边定位法计算得到第一类坐标，所述第一类坐标为所述目标节点当前所在位置的坐标。
[0049]下面，针对所述测距步骤进行详细说明，具体测距过程共经历四个阶段:
[0050]其中步骤Sll.1经历第一阶段和第二阶段:
[0051]第一阶段:从所述目标节点向所述锚节点发送测距包一，所述锚节点经过处理时延T2,向所述目标节点返回确认包，当所述目标节点收到来自锚节点的确认后，所述目标节点得到从发出测距包一到收到确认包的时间Tl和所述锚节点处理时延T2 ；
[0052]第二阶段:所述锚节点在向所述目标节点返回完确认包后，经过时间T3向所述目标节点发送测距包二，当所述目标节点收到来自锚节点的测距包二后，所述目标节点得到从接收确认包到收到测距包二的时间T4 ；
[0053]其中步骤Sll.2经历第三阶段和第四阶段:
[0054]第三阶段:经过上述第一，第二阶段后，参见图2，在所述目标节点端得到时间值Tl和T4，在所述锚节点端得到时间值T2和T3，如图所示，信号在所述目标节点与锚节点之间的传输时间是(T1-T2)/2，但是这个传输时间受所述目标节点与锚节点之间时钟偏移量的影响，如图所示，所述目标节点与所述锚节点之间时钟偏移量为(T4-T3)；
[0055]利用所述时钟偏移量，按照如下计算步骤修正信号在所述目标节点与锚节点之间的传输时间:
[0056]假设待求的T为排除了时钟偏移量的传输时间，则得到式子一如下
【权利要求】
1.一种实现无线传感网节点定位的方法，其特征在于，该方法包括: 根据测距条件，通过以下测距步骤获得目标节点与锚节点之间的测距结果，所述测距条件包括所述目标节点的锚节点个数至少为3个: 从所述目标节点向所述锚节点发送测距包一，所述锚节点向所述目标节点返回确认包，再由所述锚节点向所述目标节点发送测距包二，由此获得所述目标节点与所述锚节点之间的时钟偏移量，信号在所述目标节点与所述锚节点之间的传输时间； 根据所述时钟偏移量，修正所述传输时间，计算得到所述目标节点与所述锚节点之间的测距结果； 根据所述测距结果和所述锚节点的坐标，利用多边定位法计算得到所述目标节点的第一类坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述测距条件还包括所述测距步骤按照预先设置次数执行，所述预先设置次数至少为五次，且获得预先设置次数个测距结果； 在利用多边定位法计算得到所述目标节点的第一类坐标之前，还包括: 将所述预先设置次数个测距结果利用最小值优化原则加权处理，得到一个最终的测距结果; 所述利用多边定位法计算得到所述目标节点的第一类坐标，所根据的测距结果具体为所述最终的测距结果。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将预先设置次数个测距结果按照最小值优化原则加权处理得到一个最终的测距结果具体为按照最小值优化原则，利用以下公式加权处理得到一个最终的测距结果:
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括: 从传感器获得所述目标节点的当前加速度读数； 当所述当前加速度读数大于零时，执行以下步骤获得第二类坐标，所述第二类坐标为利用所述加速度读数估算所述目标节点当前所在位置的坐标: 利用所述当前加速度读数积分求所述目标节点相对于前一时刻的第二类位移，所述前一时刻为在此之前的任意时刻；获取所述目标节点在前一时刻的位置坐标； 根据所述第二类位移和所述目标节点在前一时刻的位置坐标，估算所述目标节点当前位置坐标得到第二类坐标。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述测距步骤具体在所述前一时刻时执行和所述当前时刻时执行； 还包括: 计算所述测距步骤前一时刻执行所获得的第一类坐标与当前时刻执行所获得的第一类坐标的差值，获得所述目标节点相对于前一时刻的第一类位移；判断比值
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将第二类坐标与所述第一类坐标进行加权处理具体为利用以下公式加权处理得到第三类坐标:
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述允许范围具体为
8.一种实现无线传感网节点定位的装置，其特征在于，该装置包括: 测距单元:用于根据测距条件，通过以下测距步骤获得目标节点与锚节点之间的测距结果，所述测距条件包括所述目标节点的锚节点个数至少为3个，所述测距步骤为:从所述目标节点向所述锚节点发送测距包一，所述锚节点向所述目标节点返回确认包，再由所述锚节点向所述目标节点发送测距包二，由此获得所述目标节点与所述锚节点之间的时钟偏移量，信号在所述目标节点与所述锚节点之间的传输时间，根据所述时钟偏移量，修正所述传输时间，计算得到所述目标节点与所述锚节点之间的测距结果，将所述测距结果发送至坐标计算单元； 坐标计算单元:用于根据所述测距结果和所述锚节点的坐标，利用多边定位法计算得到第一类坐标，所述第一类坐标为利用测距结果估算的所述目标节点当前所在位置的坐标。
【文档编号】H04W64/00GK103686991SQ201210326659
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2012年9月6日
【发明者】张大龙, 刘广怡, 李青, 张效义, 于宏毅, 鲁旭阳, 张瑞琴 申请人:中国人民解放军信息工程大学