[发明专利]基于波达方向歧义消除的定位方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络定位技术领域，具体而言，涉及一种基于波达方向歧义消除的定位方法及装置。

背景技术

近年来，无线传感器网络被广泛地应用于民用及军用场景中，特别是物联网，其中有诸多应用场景都需要获取目标的位置信息。所以作为无线传感器网络的一种主要应用，对未知节点或者自然环境中的目标进行定位引起了广泛地关注。传统的定位算法可以根据测量手段而分为几类，包括全球定位系统(GPS)，基于接受信号强度(RSS)的方法，基于到达时间(TOA)或者到达时间差(TDOA)的方法，基于波达方向(DOA)的方法，以及综合上述手段的方法。

GPS定位方法需要昂贵的硬件设备作为基础，并且在封闭的环境如室内或隧道会失效。基于RSS的方法需要已知环境的信道传输模型，这一点对其应用范围产生极大限制。而基于TOA/TDOA的方法则需要网络中各节点之间苛刻的时间同步，同样限制其只适用于部分特殊的应用场景中。与上述方法不同的是，基于DOA的定位方法由于其简单、节能、以及较好的鲁棒性而可以更好地适用于无线传感器网络应用场景中。

但是，由于两个相同的关于平面阵列对称的信号会产生完全相同的空间频率响应即阵列流形，所以平面阵列上的DOA估计本质上会产生歧义，导致其定位失准。如何消除DOA估计中的歧义是业界目前亟待解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于波达方向歧义消除的定位方法及装置。

本发明较佳实施例提供一种基于波达方向歧义消除的定位方法，该方法包括：

获取每一个预设传感器节点所接收到的源节点发射的信号，其中每个所述传感器节点包括预设数目元素的平面天线阵列；

通过空间谱估计算法分别计算每个所述传感器节点接收到的信号的MUSIC谱中两个谱峰所对应的角度参量，所述角度参量包括该传感器节点相对所述源节点的方位角及俯仰角；

根据计算得到的各个角度参量，分别确定由该角度参量所对应的传感器节点的平面天线阵列中心指向所述源节点的射线；

对所有所述射线按照其对应的传感器节点进行排列组合，并根据预设代价函数计算每种组合中各个射线间的紧密程度；及

对具有最小代价函数值的射线组合进行最小二乘法估计，得到所述源节点的位置坐标。

本发明另一较佳实施例提供一种基于波达方向歧义消除的定位装置，该装置包括：

数据获取模块，用于获取每一个预设传感器节点所接收到的源节点发射的信号，其中每个所述传感器节点包括预设数目元素的平面天线阵列；

角度参量计算模块，用于通过空间谱估计算法分别计算每个所述传感器节点接收到的信号的MUSIC谱中两个谱峰所对应的角度参量，所述角度参量包括该传感器节点相对所述源节点的方位角及俯仰角；

射线确定模块，用于根据计算得到的各个角度参量，分别确定由该角度参量所对应的传感器节点的平面天线阵列中心指向所述源节点的射线；

代价函数计算模块，用于对所有所述射线按照其对应的传感器节点进行排列组合，并根据预设代价函数计算每种组合中各个射线间的紧密程度；及

位置坐标估计模块，用于对具有最小代价函数值的射线组合进行最小二乘法估计，得到所述源节点的位置坐标。

本发明提供的基于波达方向歧义消除的定位方法及装置，无需复杂的硬件设备作为基础，仅根据传感器节点上的信息融合来进行三维空间中波达方向估计的歧义消除，实现无线传感器网络中的目标准确定位。另外，通过增加每个传感器节点中的天线阵列的阵元数目以提高阵列的灵敏度，或者增大传感器节点的数目均可以有效降低本实施例提供的定位方法的误差，进一步确保实现目标的精准定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明较佳实施例提供的一种无线传感器网络源节点定位系统的示意性结构框图；

图2是本发明较佳实施例提供的一种基于波达方向歧义消除的定位方法的流程图；

图3是本发明较佳实施例提供的一种无线传感器网络源节点定位系统中源节点与传感器节点的相对位置分布示意图；

图4是本发明较佳实施例提供的一种基于波达方向歧义消除的定位装置的功能模块框图；