[发明专利]一种基于RSSI测距的水质监测网络定位方法

权利要求书

1.一种基于RSSI测距的水质监测网络定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据公式(1)建立RF通信建模；

式中，n为路径损耗指数；d₀为信号传播参考距离；P_R(d₀)是信号发射后d₀处的接收信号强度，X_σ是均值为0、标准差范围4～10的高斯随机变量；

步骤二：根据公式(2)获得无线信号经过参考距离d₀后的路径损耗P_L(d₀)；

式中，G_t是节点发射天线增益，单位dBi；G_r是接收天线增益，单位dBi；L是系统损耗系数；λ是RF信号波长，单位m；

步骤三：周期性测量待定位节点与其邻居参考节点间的接收信号强度RSSI，然后利用RF无线信号传播模型，计算出当前监测区域内的路径损耗指数n，具体步骤如下：

S11，使PX＝P_R(d₀)+X_σ，将其代理入公式(2)中可获得公式(3)；

S12，根据公式(4)计算参考节点R₃与参考节点R₁间的的RSSI值P_R(d₁)；根据公式(5)计算参考节点R₃与参考节点R₂间的的RSSI值P_R(d₂)；

式中，d₁为参考节点为R₃到附近的另外参考节点R₁间的实际距离，d₂为参考节点为R₃到附近的另外参考节点R₂间的实际距离；

S13,使d₀＝1m，联立公式(4)和公式(5)得到公式(6)；

S14，通过参考节点间的无线通信得到的RSSI值，代入公式(6)并获得符合实际监测区域环境特性的路径损耗指数n；

步骤四：根据已知参考节点坐标，对参考节点间的测量距离与实际距离进行比较，获得RSSI的相对测距误差，具体步骤如下：

S21，设参考节点为R_i(x_i，y_i)到其他参考节点的实际距离为r_ik，k＝1，2，…，n，k≠i，其中n为参与校正计算的参考节点个数；参考节点R_i至其他参考节点的测量距离记为d_ik，k＝1，2，…，n，k≠i；

S22，根据公式(7)获得有参考节点R_i处实际距离与测量距离的距离平均相对误差μ_i，并作为参考节点R_i处的基于RSSI的距离测量相对误差系数；

S23，设置阈值τ，并通过控制τ值来调节网络定位的性能；当|μ_i|≥τ时，参考节点位置异常，不能参与监测节点的定位，否则可以参与定位计算；

S24，在监测节点接收到参考节点的广播消息时，将P_r(d)通过公式(1)的模型进行计算并获得监测节点与其通信范围内参考节点间的测量距离，然后依据各个参考节点的相对误差系数由公式(8)对测量距离进行校正；

式中，d_ui是监测节点和参考节点R_i之间的测量距离，单位m；是监测节点和参考节点R_i之间的校正距离，单位m；

步骤五：对监测节点进行定位，具体步骤如下：

S31，设网络中的未知节点为U(x₁，y₁)，参考节点为R_i(x_i，y_i)到未知节点为U(x₁，y₁)的测量距离为d_i，i＝1，2，…，N；并根据公式(9)建立水质监测无线网络中的监测节点的距离方程；

S32，设初始坐标为(x₀，y₀)，并使再在(x₀，y₀)处对进行进行泰勒级数展开，并忽略二阶及以上分量得到公式(10)；

f(x，y)＝f(x₀，y₀)+f_x(x₀，y₀)Δx+f_y(x₀，y₀)Δy (10)；

S33，整理公式(10)得到公式(11)；

式中，

a_x＝f_x(x₀，y₀)；a_y＝f_y(x₀，y₀)；

S34，整理公式(11)得到公式(12)；

h＝GΔ+ε(d2) (12)；

式中，Δ＝[Δx Δy]^T；

S35，采用加权最小二乘算法WLS处理公式(12)得到公式(13)；

Δ＝(G^TWG)^-1G^TWh (13)；

式中，W为测量误差ε的协方差矩阵；

S36，令W＝cov^-1(ε)，得到公式(14)以更新参数矢量；

θ(k+1)＝θ(k)+Δ (14)。

2.根据权利要求1所述的一种基于RSSI测距的水质监测网络定位方法，其特征在于，在步骤二中，路径损耗指数取值n在2～4之间，且障碍物数量及遮挡越多n值越大。