無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究方案和實(shí)現(xiàn)-文庫(kù)吧資料
2025-05-16 12:07本頁(yè)面
【正文】 14=28 P 與L3之間的距離：d2=4*14=56 假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X，Y)，L1 坐標(biāo)為(X1，Y1)，L2 坐標(biāo)為(X2，Y2)，L3 坐標(biāo)為(X3，Y3)，那么未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息計(jì)算公式如下所示： (27） 凸集規(guī)劃定位算法首先需要完成整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)互通性，使得各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成幾何約束關(guān)系，從而使得傳感器網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)凸集的幾何圖形。： 圖 DVHop 原理示意圖，節(jié)點(diǎn)LL2和L3是已知的錨節(jié)點(diǎn)，并且它們之間的距離和跳數(shù)也是已知的。將最小跳數(shù)乘以平均跳距，得到未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離。 DVHop定位算法 DVHop 定位算法的原理是錨節(jié)點(diǎn)向所有的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信號(hào)，未知節(jié)點(diǎn)收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信號(hào)后存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)，最后目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)都接收該廣播信號(hào)。但同時(shí)，該算法以錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射的廣播信號(hào)按照理想的無(wú)線信號(hào)模型進(jìn)行傳播，對(duì)于目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境干擾因素考慮不夠全面，信號(hào)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下會(huì)在傳播過(guò)程中出現(xiàn)反射、折射、干擾等現(xiàn)象，無(wú)法按照理想的無(wú)線信號(hào)傳輸模型進(jìn)行傳播。： 圖 質(zhì)心定位算法的原理示意圖 ，質(zhì)心算法的關(guān)鍵在于未知節(jié)點(diǎn)能否接受到全部錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信號(hào)，對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)性特別強(qiáng)。 （26）其中(Xi，Yi)表示未知節(jié)點(diǎn)，(X1，Y1)第三，質(zhì)心定位。未知節(jié)點(diǎn)每接收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信息就自動(dòng)存儲(chǔ)，并將計(jì)數(shù)器加1。在發(fā)送廣播信號(hào)之前，需要設(shè)置錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)的發(fā)射周期，然后將自身的標(biāo)識(shí)號(hào)與所在的位置信息存入廣播數(shù)據(jù)包中，將數(shù)據(jù)包以設(shè)置的發(fā)射周期發(fā)送出去。常用的非測(cè)距算法包括質(zhì)心定位算法DVHop（distance vectorhop）算法、凸規(guī)劃定位算法及 APIT （approximate pointintriangulation test）定位算法等。在非測(cè)距算法中，不需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離及角度關(guān)系，根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性來(lái)計(jì)算或者估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。利用 RIP 方法的優(yōu)點(diǎn)在于其不受多徑反射的影響而且并不增加普通傳感節(jié)點(diǎn)的成本。發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)射不同波長(zhǎng)的射頻，可以得到多個(gè)如式25的方程。Maroti 等證明當(dāng)兩個(gè)射頻的頻率相近，它們的疊加信號(hào)的包絡(luò)的頻率可以被低成本的傳感節(jié)點(diǎn)所測(cè)量到。無(wú)線電干涉測(cè)量方法很早就被用于天文學(xué)等相關(guān)研究，但直到 2005 年，Maroti 等第一次提出了射頻干涉定位系統(tǒng) (Radio Interferometric Positioning System，RIPS) 將信號(hào)干涉方法應(yīng)用到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中來(lái)[3]。不過(guò)由于需要測(cè)量錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的角度，所以需要多個(gè)接收器輔助完成定位。根據(jù)AB直線和其測(cè)量出的夾角就可以畫(huà)出C點(diǎn)的具體位置，然后就可以計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)C點(diǎn)的坐標(biāo)。： 圖 基于AOA的定位算法示意圖，A，B表示兩個(gè)已知的錨節(jié)點(diǎn)，C表示未知節(jié)點(diǎn)。 基于AOA的定位算法是利用未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的角度關(guān)系來(lái)進(jìn)行定位的一種算法。假設(shè)圖中錨節(jié)點(diǎn)3的坐標(biāo)表示為A(x1，y1)，B(x2，y2)，C(x3，y3)，未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)p表示為(x，y)。：圖 TDOA 原理圖（二），r12表示錨節(jié)點(diǎn)1到未知節(jié)點(diǎn)的距離減去錨節(jié)點(diǎn)2到未知節(jié)點(diǎn)的距離。與第一種方式最大的不同在于這種方式只需要發(fā)送一種無(wú)線信號(hào)，對(duì)于硬件成本有所降低。通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)a的發(fā)送時(shí)間To、未知節(jié)點(diǎn)b接收時(shí)間T錨節(jié)點(diǎn)a的發(fā)送時(shí)間T2和未知節(jié)點(diǎn)b接收時(shí)間 T3 以無(wú)線電信號(hào)的傳播速度VRF和超聲波的傳播速度VUS就可以計(jì)算出錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離。該算法的原理如圖所示，錨節(jié)點(diǎn)a在 To時(shí)刻發(fā)送無(wú)線電波，未知節(jié)點(diǎn)b在T1時(shí)刻接收到a發(fā)送的無(wú)線電波。 圖 TDOA 原理圖（一）基于TDOA的定位算法與TOA方法相似，但是該算法有兩種方式進(jìn)行定位計(jì)算，第一種就是采用發(fā)送兩種無(wú)線信號(hào)，并利用未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行定位，常用的無(wú)線信號(hào)包括無(wú)線電波和超聲波?；?TDOA的定位算法最大的特點(diǎn)是定位的精度高、誤差小。在該算法中，錨節(jié)點(diǎn)首先設(shè)置兩種不同頻率的無(wú)線信號(hào)，然后同時(shí)廣播出去。測(cè)量的距離可以表示為如下： （22）將上三條公切弦屮任意兩條組合求交點(diǎn)，即可得到待測(cè)點(diǎn)P的估計(jì)坐標(biāo)。C表示無(wú)線信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度，C是常數(shù)。： 圖 基于 TOA 的定位算法原理示意圖此外，從二維平面角度來(lái)研究節(jié)點(diǎn)到達(dá)時(shí)間定位算法需要至少在通訊半徑之內(nèi)的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。首先錨節(jié)點(diǎn)將發(fā)送時(shí)間設(shè)置在廣播信號(hào)中，并發(fā)送廣播信號(hào)，未知節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信號(hào)并確定信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，最終通過(guò)發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間來(lái)計(jì)算信號(hào)傳播的時(shí)間，然后在利用信號(hào)傳播速度來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，最后利用三邊測(cè)量法來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。室內(nèi)環(huán)境因子的經(jīng)驗(yàn)值在 之間。在環(huán)境因子和遮蔽因子已知的前提下，通過(guò)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)接收功率的測(cè)量及其兩點(diǎn)之間的距離計(jì)算，其RSSI ：圖 RSSI 信號(hào)傳輸模型示意圖 由于不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的應(yīng)用環(huán)境的不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境因子和干擾因子也不盡相同。本公式的計(jì)算單位為dB，PL(d)表示距離錨節(jié)點(diǎn)d處接收到的信號(hào)的功率；PL(d0)表示一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，d0表示一個(gè)參考距離，即距離為d0接收到的信號(hào)功率。這種信號(hào)衰減會(huì)存在一定的規(guī)律性，通過(guò)測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)強(qiáng)度能夠估算錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離。圖 基于 RSSI 的定位算法原理示意圖如圖 所示，無(wú)線傳感器已知三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，U表示未知節(jié)點(diǎn)的真實(shí)位置信息，U’表示通過(guò)RSSI測(cè)量計(jì)算出來(lái)的位置信息?；?RSSI 的定位算法利用信號(hào)傳輸過(guò)程中的衰減模型來(lái)計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后利用所測(cè)量的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位。雖然在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中RSSl定位方法表現(xiàn)出良好的特性。 RSSI定位算法RSSI定位算法是已知節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收到的該信號(hào)的強(qiáng)度，并計(jì)算傳播過(guò)程中的損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播衰減模型將傳播損耗轉(zhuǎn)換為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。利用描節(jié)點(diǎn)本身的坐標(biāo)即可進(jìn)一步得出目標(biāo)點(diǎn)的位置。DVHop算法能夠通過(guò)多跳傳輸獲取到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)無(wú)線覆蓋范圍之外的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而獲取到更多的有用信息。目前常用的無(wú)需測(cè)距的定位算法有質(zhì)心算法，DVHop算法，APIT定位算法。無(wú)需測(cè)距的定位算法則無(wú)需通信頻率較快，提高了定位能耗，但是卻犧牲了一定的定位精度。TDOA根
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