[发明专利]基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法

摘要

本发明涉及一种基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，对信标节点和干涉节点进行调频；对无线传感器节点和干涉节点进行部署；规划自主飞行信标节点的移动路径；自主飞行信标节点、干涉节点和传感器节点在MSK调制解调方式和OOK调制解调方式之间切换，使传感器节点采集得到RSS数据；计算传感器节点N自航点1向航点2方向的位置y_N和自航点3向航点4方向的位置x_N，并构建矩阵，通过非线性最小二乘拟合分别计算出y_N和x_N。本发明无需将信号强度转换成距离，有效避免将信号强度转换成距离带来的误差；同时不受射频信号多径传播、天线辐射特性等因素的影响，因此具备更高的定位精度。

主权项

1.一种基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，其特征在于：步骤1：部署前，关闭信标节点和干涉节点的载波频率同步自校正功能，对信标节点和干涉节点进行调频；对无线传感器节点进行部署，构成一个无线传感器部署区域，将干涉节点部署到无线传感器部署区域中心位置；步骤2：根据无线传感器部署区域规划自主飞行信标节点的移动路径：将无线传感器部署区域的四个边界点设置为航点1/航点2/航点3/航点4，其中航点1设为起飞点，航点4设置为结束点，将航点1/航点2/航点3/航点4依次连接，形成一个行程轨迹，航点1和航点2的连线与航点3和航点4的连线都经过无线传感器部署区域中心点且相互垂直；步骤3：自主飞行信标节点以速度v定高沿行程轨迹飞行，每飞行d距离设为一个信标广播位置；步骤4：自主飞行信标节点、干涉节点和各传感器节点采用MSK调制解调方式，在默认情况下均处于接收状态，每到达一个信标广播位置时：4.1自主飞行信标节点发送一个包含信标节点位置、速度、飞行方向的信标信号，在发送完信标信号后，自主飞行信标节点切换到OOK调制解调方式，并发送0xff的字节数据；干涉节点在收到信标信号后切换到OOK调制解调方式并发送0xff的字节数据；各传感器节点在收到信标信号后暂存信标信号，同时切换到OOK调制解调方式并以20KHz的频率在0.1秒内采样传感器节点寄存器中的RSS数据，得到干涉频率f，此时保存一组包括信标节点位置、速度、飞行方向、干涉频率f的定位信息；4.2自主飞行信标节点、干涉节点、传感器节点在切换到OOK调制解调方式0.1秒后，均切换回到MSK调制解调方式，其中干涉节点和传感器节点进入接收状态，一次信标广播结束，每一次信标广播通过OOK调制解调方式发送0xff的字节数据：4.2.1从信标节点到一个传感器节点共存在m条路径，则每条路径到达该传感器节点的电场为：其中：为信标节点发射信号受材料特性影响的反射系数，P_t^B为信标节点的发射功率，为受辐射特性影响的信标节点发射天线增益，为信标节点到该传感器节点第i条路径的距离，f^B为信标节点的载波频率，为相应的相位；4.2.2从干涉节点到该传感器节点存在n条路径，则每条路径到达该传感器节点的电场为：其中：为干涉节点发射信号受材料特性影响的反射系数，P_t^I为干涉节点的发射功率，为受辐射特性影响的干涉节点发射天线增益，为干涉节点到该传感器节点第j条路径的距离，f^I为干涉节点的载波频率，为相应的相位；4.2.3该传感器节点接收的总电场E_TOT是上述所有电场的矢量和，相应的接收功率可表示为：其中：G_r为接收天线增益；λ为2.4GHz电磁波的波长；由上式可知，该传感器节点的接收功率中包含大小为f＝f^B‑f^I的频率特征；4.2.4传感器节点检测到的信标节点在沿途各信标广播位置发射的虚拟信标信号的干涉频率可表示为：其中：为信标节点静止时的载波频率；为信标节点相对传感器节点运动引起的多普勒频移；θ_i为航点1到航点2的连线与传感器节点到虚拟信标节点的连线的夹角；c为光速；为传感器节点到航点1到航点2连线的垂直距离；步骤5：信标节点完成航点1到航点2的信标广播后，各传感器节点获得l个虚拟信标对应的位置(x,y_i)、干涉频率f_i及相应的速度v信息后，其中i＝1～l，计算自身航点1向航点2方向的位置y_N：5.1 y_N初始化为无线传感器部署区域中心点的航点1朝向航点2方向的位置；f⁰初始化为l个虚拟信标干涉频率的平均值，即初始化为无线传感器部署区域航点3到航点4两点间距离的四分之一的平方；5.2构建1×l的Z_y矩阵和3×l的A_y矩阵：；其中为信标节点的载波频率；c为光速；5.3构建参数矩阵K：进行非线性最小二乘拟合：f⁰＝f⁰+K(1)；y_N＝y_N+K(2)；通过迭代，如果K(1)²+K(2)²+K(3)²>0.09且步骤5.3的执行次数少于5次，则重复步骤5.2；否则结束迭代过程，最终的y_N即为传感器节点N自航点1向航点2方向的位置；同理算得传感器节点N自航点3向航点4方向的位置x_N。