无线传感器网络原理及应用第4章-定位技术-课件.ppt
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1、第4章 定位技术 第4章 定位技术 4.1 定位技术简介定位技术简介 4.2 基于距离的定位基于距离的定位 4.3 与距离无关的定位算法与距离无关的定位算法 第4章 定位技术 4.1 定位技术简介定位技术简介4.1.1 定位技术的概念、常见算法和分类定位技术的概念、常见算法和分类1.无线传感器网络定位技术概念无线传感器网络定位技术概念在传感器网络节点定位技术中,根据节点是否已知自身的位置,把传感器节点分为信标节点(beacon node)和未知节点(unknown node)。信标节点在网络节点中所占的比例很小,可以通过携带GPS定位设备等手段获得自身的精确位置。信标节点是未知节点定位的参考点
2、。除了信标节点以外,其他传感器节点就是未知节点,它们通过信标节点的位置信息第4章 定位技术 来确定自身位置。在如图4-1所示的传感网络中,M代表信标节点,S代表未知节点。S节点通过与邻近M节点或已经得到位置信息的S节点之间的通信,根据一定的定位算法计算出自身的位置。第4章 定位技术 图4-1 传感器网络中信标节点和未知节点第4章 定位技术 2节点位置计算的常见方法节点位置计算的常见方法传感器节点定位过程中,未知节点在获得对于邻近信标节点的距离,或者获得邻近的信标节点与未知节点之间的相对角度后,通常使用下列方法计算自己的位置。第4章 定位技术 1)三边测量定位法(trilateration)三边
3、测量定位法是一种常见的目标定位方法,其理论依据是在二维空间中,当一个节点获得三个或者三个以上参考节点的距离时,就可以确定该节点的坐标。三边测量技术建立在几何学的基础上,它用多个点与目标之间的距离来计算目标的坐标位置。如图4-2所示,在二维空间中,最少需要得到三个参考点的距离才能唯一地确定一点的坐标。假设目标节点的坐标为(x,y),三个信标节点A、B、C的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3),以及它们到未知目标节点的距离分别为1、2、3,则根据二维空间距离计算公式,可以建立如下方程组:第4章 定位技术 图4-2 三边测量定位法第4章 定位技术 由公式(4-1)即可解出节点D的
4、坐标(x,y):232332222221211)()()()()()(yyxxyyxxyyxx(4-1)222323222322212333212321132323131)(2)(2)(2)(2yyxxyyxxyyxxyyxxyx第4章 定位技术 2)三角测量法(triangulation)三角测量法的原理如图4-3所示,已知A、B、C三个节点的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3),节点D到A、B、C的角度分别为ADB、ADC、BDC、假设节点D的坐标为(x,y)。对于节点A、C和ADC,确定圆心为O1(xO1,yO1)、半径为r1的圆,则cos22)()()()()()(
5、212123123112212211211211rryyxxryyxxryyxxOOOO(4-2)第4章 定位技术 图4-3 三角测量法原理图第4章 定位技术 由公式(4-2)能够确定圆心O1的坐标和半径r1。同理对A、B、ADB和B、C、BDC,也能够确定相应的圆心O2(xO2,yO2)、O3(xO3,yO3),半径r2、r3。最后利用三边测量法,由O1、O2、O3确定D节点的坐标(x,y)。第4章 定位技术 3)极大似然估计法(maximum likelihood estimation)如图4-4所示,已知获得信标节点1、2、3n的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)(
6、xn,yn),它们到待定位节点D的距离分别为1,2,3n,假设D的坐标为(x,y),则存在公式:222222221212121)()()()()()(nnnyyxxyyxxyyxx(4-3)第4章 定位技术 图4-4 极大似然估计法第4章 定位技术 公式(4-3)可表示为线性方程式AX=b,其中)(2)(2)(2)(2)(2)(2112211nnnnnnnnyyxxyyxxyyxxA212221221222222222212221221nnnnnnnnnnnnyyxxyyxxyyxxbyxX使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点D的坐标为bAAAXT1T)(第4章 定位技术 4.1.2 定位
7、算法分类定位算法分类在传感器网络中,根据定位过程中是否测量实际节点间的距离,把定位算法分为基于距离的(range-based)定位算法和与距离无关的(range-free)定位算法,前者需要测量相邻节点间的绝对距离或方位,并利用节点间的实际距离来计算未知节点的位置;后者无需测量节点间的绝对距离或方位,而是利用节点间估计的距离计算节点位置。第4章 定位技术 4.2 基于距离的定位基于距离的定位基于距离的定位机制(range-based)是通过测量相邻节点间的实际距离或方位进行定位的。具体过程通常分为三个阶段:第一个阶段是测距阶段,首先测量未知节点到邻居节点的距离或角度,然后进一步计算到邻近信标节
8、点的距离或方位,在计算到邻近信标节点的距离时,可以计算未知节点到信标节点的直线距离,也可以用二者之间的跳断距离作为直线距离的近似;第二个阶段是定位阶段,计算出未知节点到达三个或三个以上信标节点的距离或角度后,利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标;第三个阶段是修正阶段,对求得的节点的坐标进行求精,提高定位精度,减少误差。第4章 定位技术 基于距离的定位算法通过获取电波信号的参数,如接收信号强度(RSSI)、信号传输时间(TOA)、信号到达时间差(TDOA)、信号到达角度(AOA)等,再通过合适的定位算法来计算节点或目标的位置。4.2.1 基于基于TOA的定位的定位在TOA
9、方法中,主要利用信号传输所消耗的时间预测节点和参考点之间的距离。系统通常使用慢速信号(如超声波)测量信号到达的时间,原理如图4-5所示。超声信号从发送节点传递到接收节点,而后接收节点再发送另一个信号给发送节点作为响应。通过双方的“握手”,发送节点即能从节点的周期延迟中推断出距离为第4章 定位技术 式中,V代表超声波信号的传递速度。这种测量方法的误差主要来自信号的处理时间(如计算延迟以及在接收端的位置延迟T2-T1)。基于TOA的定位精度高,但要求节点间保持精确的时间同步,因此对传感器的硬件和功能提出了较高的要求。2)()(1203VTTTT第4章 定位技术 图4-5 TOA测量原理图第4章 定
10、位技术 4.2.2 基于基于TDOA的定位的定位TDOA测距技术被广泛应用在WSN定位方案中。一般是在节点上安装超声波收发器和RF收发器。测距时,在发射端两种收发器同时发射信号,利用声波与电磁波在空气中传播速度的巨大差异,在接收端通过记录两种不同信号到达时间的差异,基于已知信号传播速度,则可以直接把时间转化为距离。该技术的测距精度较RSSI高,可达到厘米级,但受限于超声波传播距离有限和非视距(NLOS)问题对超声波信号的传播影响。第4章 定位技术 如图4-6所示,发射节点同时发射无线射频信号和超声波信号,接收节点记录两种信号分别到达的时间为T1和T2,已知无线射频信号和超声波的传播速度分别为c
11、1和c2,那么两点之间的距离为(T2-T1)S,其中S=c1c2/(c1-c2)。在实际应用中,TDOA的测距方法可以达到较高的精度。第4章 定位技术 图4-6 TDOA定位原理图第4章 定位技术 4.2.3 基于基于AOA的定位的定位另外一种方法是利用角度估算代替距离估计。估算邻居节点发送信号方向的技术,可通过天线阵列或多个接收器结合来实现。信标节点发出较窄的旋转波束,波束的旋转度数是常数,并且对所有节点都是已知的。于是节点可以测量每个波束的到达时间,并计算两个依次到达信号的时间差。如图4-7所示,接收节点通过麦克风列阵,通知发射节点信号的到达方向。下面以每个节点配有两个接收机为例,简单阐述
12、AOA测定方位角和定位的实现过程。第4章 定位技术 图4-7 AOA定位图 第4章 定位技术 1.相邻节点之间方位角的测定相邻节点之间方位角的测定如图4-8所示,节点A的两个接收机R1、R2间的距离是L,接收机连线中点的位置代表节点A的位置。将两个接收机连线的中垂线作为节点A的轴线,该轴线作为确定邻居节点方位角度的基准线。在图4-9中,节点A、B、C互为邻居节点,节点A的轴线方向为节点A处箭头所示方向,节点B相对于节点A的方位角是,节点C相对于节点A的方位角是。在图4-9中,节点A的两个接收机收到节点B的信号后,利用TOA技术测量出R1、R2到节点B的距离x1,x2,再根据几何关系,计算节点B
13、到节点A的方位角,它对应图4-8中的方位角,实际中利用天线阵列可获得精确的角度信息。同样再获得方位角,最后得到。第4章 定位技术 图4-8 节点结构图 第4章 定位技术 图4-9 方位角图 第4章 定位技术 2.相对信标节点的方位角测量相对信标节点的方位角测量在图4-10中,L节点是信标节点,A、B、C节点互为邻居。计算出A、B、C三点之间的相对方位信息。假定已经测得信标节点L、节点B和节点C之间的方位信息,只需要确定信标节点L相对于节点A的方位即可。第4章 定位技术 图4-10 方位角测量 第4章 定位技术 3.利用方位信息计算节点的位置利用方位信息计算节点的位置如图4-11所示,节点D是未
14、知节点,在节点D计算出n(n3)个信标节点相对于自己的方位角度后,从个信标节点中任选三个信标节点A、B、C。的值是信标节点A和B相对于节点D的方位角度之差,同理可计算出和的角度值,这样就确定了信标节点A、B、C和节点D之间的角度。第4章 定位技术 当信标节点数目n为3时,利用三角测量算法直接计算节点D坐标。当信标节点数目大于3时,将三角测量算法转化为极大似然算法来提高定位精度,如图4-12所示,对于节点A、B、D,能够确定以点O为圆心,以OB或OA为半径的圆,圆上的所有点都满足的关系,将点O作为新的信标节点,OD长度就是圆的半径。因此,从n个信标节点中任选两个节点,可以将问题转化为有个信标节点
15、的极大似然估计算法,从而确定D点坐标。AOA定位不仅能够确定节点的坐标,还能提供节点的方位信息。但AOA测距技术易受外界环境影响,且AOA需要额外硬件,在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络。2nC第4章 定位技术 图4-11 三角测量法图示 第4章 定位技术 图4-12 三角测量法转化为三边测量法 第4章 定位技术 4.2.4 基于基于RSSI的定位的定位RSSI随着通信距离的变化而变化,通常是节点间距离越远,RSSI值相对越低。一般来说,利用RSSI来估计节点之间的距离需要使用的方法是:已知发射节点的发射功率,在接收节点处测量接收功率;计算无线电波的传播损耗,再使用理论或经验的无线电
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