CN101442823B - 基于波达方向估计的wsn分布式节点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波达方向估计的WSN分布式节点定位方法，首先建立一个无线网络架构，包括一个移动锚节点和若干个随机散布的待定位目标节点，目标节点采用单天线系统；移动锚节点装载于移动载体中，利用GPS获得自身地理位置；其次，锚节点将其多通道天线校正为同相状态；接着，锚节点的阵列天线发射多个相互正交的信号，各目标节点对该正交信号进行多次“伪快拍”，并利用快拍结果估计来波方向；最后，锚节点移动至多个地点重复上述过程，各目标节点得到若干组来波方向信息，结合锚节点发射正交信号所处地理位置以及阵列天线的姿态，各目标节点最终得到自身位置估计结果。

Description

基于波达方向估计的WSN分布式节点定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点定位方法，特别涉及一种基于DOA(Direction of Arrival波达方向)估计的无线传感器网络分布式节点定位方法。

背景技术

在无线传感器网络(WSN)的众多应用中，节点的定位扮演着至关重要的角色。传感信息总是和采集信息的地理位置伴随在一起，没有位置信息的监测消息往往是毫无意义的。除此之外，许多路由协议、网络管理算法等也都依赖于节点的定位。采用GPS是获取位置信息的一种手段，但是将其应用于WSN中却存在着许多缺陷，由于能耗、成本、应用环境等因素的制约，使得它不适用于低成本、自组织的传感器网络。随着WSN研究日益深入，WSN节点定位技术层出不穷。

美国专利US6816437和US7319428分别提出了基于超声信号和射频信号的多天线波达方向角(DOA)测量定位系统，但均要求接收端具备阵列天线系统，从而很难在结构简单、能量受限的WSN中得以实用。

文献Precise Localization with Smart Antennas in Ad-hoc Networks(IEEE GLOBECOM 2007)提出了基于阵列天线到达角度(AOA)估计的定位方法，待定位节点向周边锚节点发射信号，各锚节点利用阵列天线估计来波方向，并将估计结果反馈给待定位节点，节点最终利用多组AOA信息进行位置估计。该方法虽然不要求节点具备阵列天线系统，但是由于锚节点的一次AOA估计只能服务一个节点，从而，为了实现全网的定位服务，需要锚节点先后为每一个节点提供AOA估计。因此该方法不是一种分布式的节点定位方法，随着网络规模的扩大，由于普通节点的通信半径有限，要求锚节点遍历整个网络区域，为每个节点单独提供一次定位服务，从而导致网络定位的成本和复杂度的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于DOA(波达方向)估计的无线传感器网络分布式节点定位方法，使节点仅需利用常规的单天线无线通信设备，不需要其他辅助测量设备，独立地通过对来自不同参考地点的射频来波方向进行估计，得到与参考点之间的方位角和俯仰角信息，结合参考点的地理位置，融合多组定位角度信息得到最佳的位置估计。该定位方法是一种基于距离的方法，各节点通过测量到多个参考点之间的角度信息进行定位，其定位精度远高于距离无关的定位方法，而且定位过程中，各节点独立进行位置估计，不需要相邻节点的辅助，也不需要集中式处理，是一种分布式的定位方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种基于波达方向估计的WSN分布式节点定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1，建立一个无线传感器网络，包括辅助定位的移动锚节点和待定位的目标节点，目标节点配备常规单天线通信设备，随机地分布于网络中，移动锚节点装载于移动设备中，依据GPS获得自身地理位置，并且装备具有二维DOA估计能力的阵列天线系统；

步骤2，锚节点首先向全网广播定位服务的调度安排，将发射正交信号的时间段通知给目标节点，然后将其阵列天线的多通道校正为同相状态；

步骤3，锚节点的各天线阵元在预定的时间段内发射正交信号；目标节点接收该信号下变频至基带，并利用信号间的正交性，获得对应各天线阵元的接收基带复信号，将该过程称为目标节点对正交信号的一次“伪快拍”；

步骤4，锚节点保持位置以及阵列天线的姿态不变，重复步骤2-3的测量过程，各目标节点便得到了多次“伪快拍”结果；从而，目标节点基于伪快拍结果进行DOA估计，获得与锚节点天线阵之间的二维角度信息，包括目标节点相对于天线阵的方位角和俯仰角；

步骤5，锚节点将自身所处的三维地理位置，即经度、纬度、高度以及此刻天线阵的所处姿态作为定位辅助信息广播通知给网络的目标节点，各目标节点利用天线阵的姿态对估计的二维来波角度信息进行修正，得到其与锚节点之间的方位角和俯仰角；

步骤6，锚节点移动至不同地理位置的多个参考点，重复步骤2-5的测量过程，经过多次测量，各目标节点便可以获得与多个已知参考点之间的二维角度信息。结合参考点的地理位置，目标节点融合多组定位角度信息，得到自身的最佳位置估计。

上述方案中，所述步骤3中的正交信号可基于时分、频分或码分方式实现，从而使得目标节点基于单天线接收便可以区分各天线阵元发射的正交信号。

所述步骤4中，目标节点基于伪快拍结果进行DOA估计是指，目标节点根据正交信号到达自身的传输相位差，估计得到其相对于锚节点阵列天线的方位角和俯仰角，具体估计算法采用常规的二维DOA估计算法。

所述步骤5中，天线阵的所处姿态表征了锚节点的阵列天线在“大地坐标系”中的偏转程度；目标节点利用多次伪快拍估计得到的两维角度信息其实是相对于锚节点阵列天线的，因此目标节点为了得到自身相对于锚节点的两维角度信息，需要结合阵列天线的姿态利用几何关系对DOA估计结果进行修正，得到在大地坐标系中与锚节点之间的俯仰角和方位角。

所述步骤6中，目标节点将多组定位角度信息融合得到自身的最佳位置估计，其具体方法为：假设锚节点选择N(N≥2)个参考地点，其坐标分别记为(l_i，b_i，h_i)，i＝1…N，在每个参考点，锚节点均进行一次定位服务，从而位于大地坐标(l，b，h)的目标节点便得到N个两维角度估计结果，包括方位角θ_i和俯仰角

从而目标节点可得到N个下述用于位置估计的方程组：

其中i＝1…N

由于每次角度估计的测量环境不尽相同，定义角度估计的加权因子μ_i，其中μ_i与目标节点信噪比、两维角度信息等因素相关。从而目标节点的位置估计可基于以下最小加权均方误差准则表达式：

由此，目标节点可依据最小二乘法得到最终的位置估计结果。

本发明方法提出的节点DOA估计模式与常规阵列信号处理中的来波方向的估计过程截然不同。如果基于传统的DOA模式，则需要在各目标节点上安装阵列天线，通过估计锚节点发射信号的来波方向，结合锚节点的参考坐标，目标节点可得到自身的位置估计。但是这种方式不可避免地存在固有弊端，目标节点由于体积、成本等制约因素，通常不具备多天线。我们注意到角度信息对于上行(目标节点到锚节点)和下行(锚节点到目标节点)是互易的。因此，通过在锚节点配备多天线，发射多个相互正交的信号(例如通过时分、频分或码分)，而目标节点根据这些信号到达自身的相位差，计算出与锚节点之间的方向角。通过锚节点在多个不同参考点的定位服务，各目标节点利用估计的多组角度信息结合参考点坐标得到自身位置的最佳估计。

本发明方法会带来以下有益效果：

1、该方法仅利用无线通信设备进行定位，不需要额外的辅助测量装置，而且目标节点不需要配备阵列天线，降低了硬件成本和系统复杂度。

2、定位过程中，目标节点只需接收信号不需发射信号，锚节点只需发射信号不需接收信号，避免了各目标节点协调工作带来的额外开销。

3、该方法是一种分布式定位方法，定位的位置估计不需要相邻节点的辅助，每个目标节点单独计算各自的位置，不需要进行集中处理，从而，支持的节点数目可以任意多，系统的扩展性好。

4、目标节点的定位过程中不需要信息交互，目标节点的位置隐私将得到很好的保护。

附图说明

以下结合附图及实例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明网络结构一个具体实例的示意图。

图2为本发明目标节点DOA估计的原理示意图。

图3为本发明目标节点进行来波角度校正的示意图。

图4为本发明目标节点定位的实例示意图。

具体实施方式

参见图1，大量目标节点随机分布于网络区域中，移动锚节点装载于飞行器中可以在网络上空自主移动。锚节点依靠GPS可获得自身地理位置，同时为了辅助目标节点的DOA估计，锚节点装备阵列天线系统，而目标节点只需装备常规的单天线系统。由于处于高空俯视状态，锚节点向网络的发射信号基本处于视距(LOS)环境，因此可以认为由多径带来的影响非常小。

参见图2，锚节点的各阵元发射相互正交的信号，可基于时分、频分、码分等手段获得，使得目标节点处仅利用单天线接收便可以区分各阵元的发射信号。基于各阵元的发射信号到目标节点的传播路径长度不同，射频信号到达目标节点处存在有规律的相位差，从而各目标节点可基于此相位差进行来波方向的估计。图2中，阵列天线采用均匀面阵，以阵列平面作为X-Y平面构建阵列天线的本地坐标系，各阵元分布于X-Y平面中，坐标为(x_m，y_m)，m＝1，2，…M。假设锚节点各阵元的正交信号基于时分实现，从而在阵元之间同步的前提下，各阵元分时发射单音信号，以阵元m为例，其单音信号可以表示为其中ω为单音频率，

为综合考虑了本振初相和发射通道响应的相位偏移。该射频单音信号经过传输路径d_m时延到达某一目标节点S。目标节点S将接收射频信号下变频，得到的基带复信号可以表示为

其中Δω为目标节点与锚节点之间的本振频偏，

为综合考虑了目标节点本振和接收通道响应的相位偏移，λ为射频信号波长。通过常规的频偏补偿手段(如锁相环)可以抵消收发之间本振频偏的影响，从而目标节点S得到恒定不变的基带复信号

锚节点的M个阵元分时地发射上述单音信号。在各阵元的发射时间段，目标节点S采样基带复信号，可以得到以下一组M维复信号矢量：

如果将第一个阵元发射时的基带复信号作为参考，结合俯仰角

和方位角θ，上述接收矢量演变为：

我们将上述目标节点对正交信号采样得到一个M维复信号矢量的过程称为一次“伪快拍”。在常规的DOA估计模式中，接收端利用阵列天线在同一时刻对来波信号进行的一次采样称为一次空域快拍，最终可基于多次快拍的结果进行DOA估计。而经过分析便可以发现，本发明中提出的目标节点仅利用单天线对多个正交信号的采样与常规的空域快拍是等价的。从而，目标节点在多次“伪快拍”的基础上，仍然可以沿用传统的DOA估计算法进行二维角度

和θ的估计。因此，借助于发射机阵列天线的辅助，接收端仅需普通的单天线系统便可以进行DOA估计，这是本发明的创新之处。

需要注意的是，目标节点利用多次“伪快拍”得到的二维角度是相对于阵列天线的，并不是相对于锚节点本身的。图3给出了目标节点角度校正的示意图，在大地坐标系中，任一目标节点S坐标表示为(l，b，h)，其中l表示经度，b表示纬度，h表示高度信息，L-B平面即为水平面。当锚节点阵列天线的姿态与大地坐标系存在一定扭转时，目标节点S需要对DOA估计得到的两维角度进行一定的校正。为方便分析，我们假设天线阵列的本地坐标系的z轴与大地坐标系的H轴重合，只是本地坐标系的X-Y平面相对于大地坐标系的L-B平面存在Δθ的旋转。如果目标节点S估计出自身相对于天线阵列的俯仰角和方位角θ_DOA，那么通过简单几何关系，目标节点便可以得到与锚节点之间在大地坐标系中的俯仰角

和方位角θ_DOA+Δθ。

图4给出了目标节点定位的一个具体实例示意图。在一个无线传感器网络中，包括辅助定位的移动锚节点和待定位的目标节点，目标节点配备常规单天线通信设备，随机地分布于网络区域中，移动锚节点装载于飞行器中，依据GPS获得自身地理位置，并且装备具有二维DOA估计能力的阵列天线系统；任一目标节点S的地理位置为(l，b，h)，其定位过程描述如下：

第一步，锚节点首先静止于参考位置(l₁，b₁，h₁)，向全网广播定位服务的调度安排，将发射正交信号的时间段通知给目标节点S，然后将其阵列天线的多通道校正为同相状态；

第二步，锚节点的各天线阵元在预定的时间段内分时地发射正交信号；目标节点S接收该信号下变频至基带，并利用信号间的时间正交性，获得对正交信号的一次“伪快拍”；

第三步，锚节点保持位置以及阵列天线的姿态不变，重复N(N＝128)次第一到第二步的测量过程，目标节点S便得到了N次“伪快拍”结果；从而，目标节点S基于伪快拍结果依据MUSIC算法进行DOA估计，获得与锚节点天线阵之间的二维角度信息，包括目标节点S相对于天线阵的方位角和俯仰角；

第四步，锚节点将自身所处的三维地理位置(l₁，b₁，h₁)以及此刻天线阵的所处姿态作为定位辅助信息广播通知给网络的目标节点，目标节点S利用天线阵的姿态对估计的二维来波角度信息进行修正，得到在大地坐标系中与锚节点之间的方位角θ₁和俯仰角

第五步，锚节点移动至另一个参考点(l₂，b₂，h₂)，重复第一到第四步的测量过程，目标节点S得到与参考点(l₂，b₂，h₂)之间的方位角θ₂和俯仰角

从而经过上述测量，目标节点S便获得与两个已知参考点(l₁，b₁，h₁)和(l₂，b₂，h₂)之间的二维角度信息，如果目标节点S的DOA估计不存在偏差，那么从两个参考点出发，按照所估角度做出的两条三维空间中的射线必然相交于一点，交点便是目标节点S的地理位置(l，b，h)。在实际中，目标节点S的DOA估计必然存在一定的偏差，两条射线成为不相交的异面直线，目标节点S可得到两个下述用于位置估计的方程组：

其中i＝1，2

由此，目标节点S可依据本发明前述最小加权均方误差准则得到最佳的位置估计结果，其中为简单起见，加权因子μ_i均取为1。

Claims (5)

1.一种基于波达方向估计的WSN分布式节点定位方法，其中WSN为无线传感器网络，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1，建立一个无线传感器网络，包括辅助定位的移动锚节点和待定位的目标节点，目标节点配备常规单天线通信设备，随机地分布于网络中，移动锚节点装载于移动设备中，依据GPS获得自身地理位置，并且装备具有二维DOA估计能力的阵列天线系统，其中DOA表示波达方向；

步骤2，锚节点首先向全网广播定位服务的调度安排，将发射正交信号的时间段通知给目标节点，然后将其阵列天线的多通道校正为同相状态；

步骤3，锚节点的各天线阵元在预定的时间段内发射正交信号；目标节点接收该信号后将该信号下变频至基带，并利用信号间的正交性，获得对应各天线阵元的接收基带复信号，将该过程称为目标节点对正交信号的一次“伪快拍”；

步骤4，锚节点保持位置以及阵列天线的姿态不变，重复步骤2-3的测量过程，各目标节点便得到了多次“伪快拍”结果；从而，目标节点基于伪快拍结果进行DOA估计，获得与锚节点天线阵之间的二维角度信息，包括目标节点相对于天线阵的方位角和俯仰角；

步骤5，锚节点将自身所处的三维地理位置，即经度、纬度、高度以及此刻天线阵的所处姿态作为定位辅助信息广播通知给网络的目标节点，各目标节点利用天线阵的姿态对估计的二维来波角度信息进行修正，得到其与锚节点之间的方位角和俯仰角；

步骤6，锚节点移动至不同地理位置的多个参考点，重复步骤2-5的测量过程，经过多次测量，各目标节点便可以获得与多个已知参考点之间的二维角度信息，结合参考点的地理位置，目标节点融合多组定位角度信息，得到自身的最佳位置估计。

2.如权利要求1所述的基于波达方向估计的WSN分布式节点定位方法，其特征在于，所述步骤3中的正交信号可基于时分、频分或码分方式实现，从而使得目标节点基于单天线接收便可以区分各天线阵元发射的正交信号。

3.如权利要求1所述的基于波达方向估计的WSN分布式节点定位方法，其特征在于，所述步骤4中，目标节点基于伪快拍结果进行DOA估计是指，目标节点根据正交信号到达自身的传输相位差，估计得到其相对于锚节点阵列天线的方位角和俯仰角，具体估计算法采用常规的二维DOA估计算法。

4.如权利要求1所述的基于波达方向估计的WSN分布式节点定位方法，其特征在于，所述步骤5中，天线阵的所处姿态表征了锚节点的阵列天线在“大地坐标系”中的偏转程度；目标节点利用多次“伪快拍”估计得到的二维角度信息其实是相对于锚节点阵列天线的，因此目标节点为了得到自身相对于锚节点的二维角度信息，需要结合阵列天线的姿态利用几何关系对DOA估计结果进行修正，得到在“大地坐标系”中与锚节点之间的俯仰角和方位角。

5.如权利要求1所述的基于波达方向估计的WSN分布式节点定位方法，其特征在于，所述步骤6中，目标节点将多组定位角度信息融合得到自身的最佳位置估计，其具体方法为：假设锚节点选择N(N≥2)个参考地点，其坐标分别记为(l_i，b_i，h_i)，i＝1…N，l_i、b_i、h_i分别表示锚节点第i个参考点的经度、纬度和高度；在每个参考点，锚节点均进行一次定位服务，从而位于大地坐标(l，b，h)的目标节点便得到N个二维角度估计结果，包括方位角θ_i和俯仰角

l、b和h分别表示目标节点的经度、纬度和高度；从而目标节点可得到N个下述用于位置估计的方程组：

其中i＝1…N

由于每次角度估计的测量环境不尽相同，定义角度估计的加权因子μ_i，其中μ_i与目标节点信噪比、二维角度信息相关。从而目标节点的位置估计可基于以下最小加权均方误差准则表达式：

由此，目标节点可依据最小二乘法得到最终的位置估计结果。

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