[发明专利]基于WSN技术的室内三维精确定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感网的精确定位方法。

背景技术

全球定位系统GPS (global position system)是目前应用得最广泛最成熟的定位、导航方法。通过卫星的授时和测距对用户节点进行定位，具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是GPS定位、导航仅适应于无遮挡的室外环境，用户节点通常能耗高体积大，成本也比较高，需要固定的基础设施等。

无线传感器网络WSN（wireless sensor network）不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点。可以通过网络内部节点之间的相互测距和信息交换，形成一套全网节点的坐标，可以形成经济可行的定位方案。

部署在三维空间的无线传感器网络相比于二维空间中的无线传感器网络具有更丰富的位置信息。通过三维定位算法获得移动节点的三维位置信息。因此，在区域与建筑物内以及地下坑道等应用的导航中，采用计算机图形学为基础的虚拟现实（VR）技术与无线传感网（WSN）三维定位技术相结合的方法，可以解决在没有外部设施(如基站和卫星)的情况下确定传感节点的三维位置定位与移动节点的导航问题。

当无线信号在大气环境中传播时，由于多种因素影响，信号强度会随着其传播距离的增加而衰减。这表明，信号强度变化与传播距离间存在着某种函数关系，且通常情况下传感节点均可很容易配置测定接收信号强度的模块。因此研究人员将RSSI技术用于传感器节点定位中：RSSI是指通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术，如无线传感的ZigBee网络CC2431芯片的定位引擎就采用的这种技术、算法。

近年来，国际上出现了很多抑制和消除非视距误差的文献,提出了很多非视距环境下的定位算法,主要可概括为三类:第一类是视距重构算法,即根据测量参数的某些特征,判断是否为视距传输,如果不是视距传输,利用某种规则,重构视距环境下的测量值。第二类是非视距加权,即对测量值进行非视距判别,然后对接收信号进行加权,加权规则是对视距信号添加大的权值,对非视距信号添加小的权值,从而减小非视距误差对定位精度的影响。第三类是对接收信号进行判决,选出视距传播信号,采用视距信号进行定位。

1992年AT&T Laboratories Cambridge开发出室内定位系统Active Badge至今,研究者们一直致力于这一领域的研究。

2004年，中国科学技术大学的马祖长和孙怡宁，针对无线传感器网络节点定位问题进行了研究，提出了一种新的节点定位算法，该算法不需要任何额外的硬件支持，节点间通信开销少。其对节点每跳距离的计算有利于解决节点的故障问题，提高节点的探测性能。

现有技术存在以下问题：

1、现有技术的定位精度一般为3—5米范围，不能满足应用要求。

2、对于传感器网络中的低能耗要求，没有得到很好的解决。因为每次定位都要进行大量的重复计算，致使计算量较大，浪费时间和资源。

发明内容

本发明目的是：为了以低成本的方法，解决GPS等定位方法所难以解决的室内或区域的定位问题。可以应用在大型商场导购、大型建筑群（寻找特定办公场所）以及专题区域、旅游景点导航等。其他如地下坑道定位，军事、医疗、娱乐、制造业、教育、航天、通信、灾害报警等领域都具有良好的应用前景。

本发明的技术方案是：基于WSN技术的室内三维精确定位方法，其特征是

通过以下方法实现WSN三维精确定位问题：

1）在特定区域（或建筑物内部、坑道内部）按照一定规则部署已知位置的传感网节点；

2）将已知位置的传感网节点规划在一个三维相对坐标系内；

3）预先建立信号强度和坐标值对应的三维哈希表，生成查表用KEY值；

4）将特定区域（或建筑物内部、坑道内部）地图按照可能的行走路线生成简易三维路线图；

5）应用无线传感网时间同步算法使各个节点的时间同步；

6）通过不断移动的传感网节点与已部署的固定传感网锚节点之间不断交换信息，确定移动节点的三维位置；

7）多次接受锚节点信号并查三维哈希表后得到坐标值后进行数据融合；

8）通过已知位置的传感网锚节点在三维相对坐标系的位置与移动节点的三维位置的计算得出计算结果的误差；

9）对于所测出的三维位置结果，通过已知节点多次定标修正、数据融合以及路径回归等方法来提高定位精度。

10）根据简易三维路线图将定位结果修正到三维路线图中的路线上；