[发明专利]一种基于置信水平的加权三边定位方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器节点对目标节点定位技术领域，具体涉及一种基于置信水平的加权三边定位法，该方法能应用于工业、农业、军事、商业以及室内定位领域。

背景技术

近年来，随着物联网概念的普及，无线传感器网络(Wireless sensor network,WSN)和无线局域网(Wireless Local Network,WLAN)等面向区域的定位技术越来越被工业、农业、军事、商业等领域的研究者关注。WSN的目标是通过无线方式使分散而独立的传感器节点互联，组成分布式无线传感器网络，从而针对实时采集的环境信息进行处理，以实现用户和环境的交互。环境信息中很重要的一点就是空间位置信息，基于位置的估计，即定位技术应用于现实生活中的方方面面，如医院病人无线监控系统、博物馆智能导航系统等。此外，室内定位技术也有着十分广阔的发展前景，目前提出的无线家庭自动网络(Wireless Home Automation Networks,WHANs)就是专门为智能家居提供的无线传感器网络相关技术，现有的基于IEEE 802.15.4相关协议标准的Zigbee、Z-wave、INSTEON、Wavenis和IP的技术都围绕相关硬件标准和协议提供了技术支持。

超宽带(Ultra wideband,UWB)技术自2006年由美国联邦通讯委员会正式通过了将其用于民用的议案后，大大应用于无线传感器网络定位领域。它通过从时间上分割信号代替从波段或频率来分割信号，避免了无限细分频谱遇到物理实现上不可逾越的技术瓶颈。超宽带工作频率为3.1～10.6GHz，系统带宽与系统中心频率之比大于20％或系统带宽至少为500MHz，与传统无限电探测系统相比，无需载波信号，能够直接产生窄脉冲去激励天线。超宽带技术具有低功耗、抗干扰能力强、对信道衰减不敏感、隐蔽性好、穿透能力强、定位精度高的特点。近年来，利用亚纳秒级超窄脉冲做近距离精确定位技术大大发展，如Multispectral Solutions公司和美国海军设施工程服务中心联合开发的UWB精确定位系统、清华大学研发的LocalSense无线定位系统和唐恩科技有限公司的iLocate^TM系统。

根据定位过程是否测量实际节点的距离，把定位算法分为：基于测距(range-based)定位算法和无需测距(range-free)的定位算法。基于测距算法通过测量节点间点到点距离或角度信息，使用三边测量(trilateration)、三角测量(triangulation)或最大似然估计等估计算法减小测距误差对定位测量的影响；无需测距算法根据网络连通性等信息即可实现定位。相比于无需测距算法，基于测距算法更易于硬件实现，而且得到广泛应用。

基于测距定位算法常用测距技术有TOA、TDOA、TOF和AOA等等。TOA(Time of Arrival)算法需要节点精确地时间同步，无法用于松散耦合定位系统；TDOA(Time difference of Arrival)技术受限于超声波传播距离有限和NLOS问题对超声波等信号的传播影响，超声波通常传播距离为6-9米；AOA(Angle of Arrival)也受外界环境影响，而且需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上可能无法用于传感器节点；TOF(Time of Flight)技术是指通过测量单一节点对目标的信号发送和接收时间差，计算出与目标的距离。该算法无需精确时间同步，且实现简单，消耗硬件资源较少，适用于能量优先的传感器网络，本发明采用TOF技术进行测距。

三边定位法是通过测量目标点和三个已知坐标点之间的距离确定目标点的决定或相对位置的过程。目前常用的方法是最小二乘估计和基于几何重心的方法。基于最小二乘估计的思想是使位置的联合估计均方差最小，通过对其偏导，确定目标的估计值，然而在实际定位中，由于量测距离与真实距离之间存在较大误差，因而并不能真正让三个圆交于一点，从而导致定位存在较大的误差。基于几何重心的方法是指通过求解三个圆两两相交的交点，对其连线构建一个几何多边形，然后求其几何多边形的几何重心即为目标空间坐标估计值，如图1-2所示。