[发明专利]一种三维空间中的基于时间测距的定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络和基于时间到达的定位技术，属于无线传感器网络定位技术领域。

背景技术

无线传感器网络是指由部署在监测区域内大量的传感器组成，通过无线通信方式形成的一个网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息。节点定位技术作为无线传感器网络的关键技术之一，不仅对无线传感器网络的基本应用有重要作用，也是目标监测和追踪的基础。

目前无线传感器网络节点定位算法主要分为两大类：基于测距的定位算法和无需测距的定位算法。基于测距的定位算法通过测量节点间的距离或角度信息，使用三边测量、三角测量或最大似然估计定位法计算节点的位置。常用的测距技术有基于信号强度的测距方法、基于到达时间的测距方法、基于到达时间差的测距方法和基于到达角度的测距方法；无需测距定位算法则不需要距离和角度信息，根据网络连通性等信息实现节点定位，相比之下，基于距离的定位算法测量精度较高，距离无关的定位算法对硬件要求较低。

基于到达时间的测距方法是已知信号的传播速度，根据传播时间来计算节点间距离，得到的结果精度高，但要求节点保持精确时间同步，对节点硬件和功耗提出了较高要求。基于到达时间的定位算法多是建立在二维坐标空间下的，不能在三维空间中直接使用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种三维空间中的基于时间测距的定位方法，能够避免基于到达时间测距中整个系统中信号发射源点与各接收端要有精确地时间同步这一制约条件，将信号发射时间作为未知量与移动台位置同时进行估算，最终通过计算得到信号发射时间，从而解决了基于到达时间测距定位算法的实现难度，且计算量小，易于实现。

本发明的解决方案是：一种三维空间中的基于时间测距的定位方法，所述方法包括以下步骤：

A.在三维坐标系下确定基站坐标，将基站坐标确定在原点、X轴、Y轴、Z轴和空间中一点；

B.基于步骤A中将基站坐标确定在原点、X轴、Y轴、Z轴和空间中一点上，将基于时间到达的测距方法中的信号发射时间作为一个未知量代入后面步骤C得到的方程组中必有解，信号发射时间为基站和移动台的时间差，这一步骤避免了要求信号源点和各接收端要有精确的时间同步这一约束条件；

C.利用基于时间到达的测距方法中的圆周模型建立非线性测距方程，并将步骤B中的未知量信号发射时间代入该非线性方程组；

D.通过数学变换将步骤C中得到的非线性方程组转换为线性方程组解得步骤B中的未知量信号发射时间，将信号发生时间代入方程中即可获得移动台在步骤A中建立的坐标系中的具体坐标位置。

所述步骤A中，选择原点和坐标轴上的点作为基站的坐标位置。

所述步骤B中，将信号发射时间作为一个未知量时，能够避免要求系统中信号源点和各接收端要有精确地时间同步这一约束条件。

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)本发明将信号发射时间作为一个未知量与移动台位置同时进行估计，避免了时间同步这一制约条件，不必要求源点和各接收端精确的时间同步，简化了实现过程，降低了系统对硬件的要求，更利于操作实现；

(2)本发明将信号发射时间作为一个未知量可以减少该算法的实现难度和提高定位精度，传统的基于时间到达的测距方法中要求系统中信号源点和各移动台的接收端要有精确地时间同步，对时间同步的限制要求较高且不易实现，本发明避免了这一约束条件；

(3)本发明是建立在三维空间坐标系下的，可以在三维空间中进行应用，适用性强。

附图说明

图1是本发明实现流程图；

图2是本发明中基于到达时间测距的圆周模型示意图；

图3是本发明中信号接收端的示意图；

图4是本发明提供的案例实施流程图。

具体实施方式

以下包括术语的简单词汇，将有助于理解下面的实施例的详细描述，但这些细节并不是为了限制本发明。本领域的技术人员显然可以在偏离这些具体细节的其他实施方案中实践本发明。术语“基站”表示已知具体坐标位置的信号接收端；术语“移动台”表示未知具体位置待定位的信号发射端。

如图1所示，本发明一种三维空间中的基于时间测距的定位方法，包括下列步骤：