CN101547130B - 一种基于无线传感器网络的定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的定位方法，该方法包括：为各参考节点预置环境补偿因子；对于参考节点i，利用该参考节点i接收到的待定位目标的信号能量值P_i以及环境补偿因子，确定参考节点i与待定位目标的距离值；利用所有参考节点与待定位目标的距离值，确定所述待定位目标的位置。本发明实施例还公开了一种基于无线传感器网络的定位装置，通过本发明实施例，能够在复杂环境中建立更为准确的接收能量与距离关系的模型，考虑了待定位目标与参考节点的距离对定位精度的影响，并有选择地利用参考节点来进行跟踪定位估计，使得定位性能和定位精度得到提高。

Description

一种基于无线传感器网络的定位方法及装置 

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种基于无线传感器网络定位方法及装置。 

背景技术

在无线传感器网络中，位置信息对传感器网络的检测活动至关重要。事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点检测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的检测往往毫无意义。确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网路最基本的功能之一，对传感器网络应用的有效性起着关键作用。 

目前，无线传感器网络中定位的方法有很多种，其中比较常见的为基于信号衰减模型的定位方法。该方法进行定位的基本原理是：电磁波在空间中传播会产生能量衰减，其衰减的幅度与传播距离的远近有关。所以根据无线电波能量的衰减程度可以估算发射源和接收机之间的距离，如果接收机的位置已知，那么估算的距离就可以用来定位发射源。该方法使用的信号衰减模型为： 

        P(d_i)＝P(d₀)+10αlg(d_i/d₀)                (1) 

其中，P(·)为信号强度，d_i为发射机与接收机之间的距离，P(d₀)为距离发射节点参考距离d₀处的接收能量，通常d₀＝1m，α为衰减指数。在接收机测得的能量P(d_i)已知的条件下，只要确定参数P(d₀)和α的值，即可计算得到发射机与接收机之间的距离d_i。 

该现有技术虽然能够在实验室中取得良好的定位性能，但值得注意的是：在不同的环境下，温度、障碍物、传播模式等条件往往都是变化和不可预知的，简单地应用上述公式进行定位显然不够准确。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的定位方法及装置，以解决现有方案定位不准确的问题。 

为实现上述目的，本发明提供了如下方案： 

一种基于无线传感器网络的定位方法，所述无线传感器网络中包括待定位目标以及至少一个参考节点，包括： 

为各参考节点预置环境补偿因子； 

对于参考节点i，确定该参考节点i接收到的待定位目标的信号能量值P_i，利用P_i以及该参考节点i的环境补偿因子，确定参考节点i与待定位目标的距离值，具体实现为： 

[0012] P_i＝P₀+10αlgd_i+77_i

[0013] 其中： 

P₀：与待定位目标距离为1米处的信号能量； 

α：预先设定的衰减指数； 

η_i：为参考节点i确定的环境补偿因子； 

d_i：参考节点i与待定位目标的距离值； 

利用所有参考节点与待定位目标的距离值进行最大似然估计，确定所述待定位目标的位置。 

其中，通过比较各参考节点接收到的信号能量值确定各参考节点对应的环境补偿因子的数目及取值。 

其中，比较各参考节点接收到的信号能量值，为接收到的信号能量值较大的参考节点选取较少数目的环境补偿因子。 

其中，还包括： 

对所述待定位目标进行跟踪定位估计。 

其中，所述跟踪定位估计的步骤包括： 

选择参与跟踪定位估计的参考节点； 

为各参与跟踪定位估计的参考节点预置当前环境补偿因子； 

对于参与跟踪定位估计的参考节点j，确定该参考节点j接收到的待定位目标的当前信号能量值P_j，利用P_j以及该参考节点j的当前环境补偿因子，确定参考节点j与待定位目标的当前距离值； 

利用所有参与跟踪定位的参考节点得到的所有当前距离值，得到所述待定位目标的当前估计坐标值； 

判断所述当前估计坐标值是否满足跟踪定位估计要求，如果是，将所述当 前估计坐标值保留；如果否，将所述当前估计坐标值抛弃； 

对所述保留的当前估计坐标值进行统计处理，确定所述待定位目标的当前位置。 

其中，所述选择参与跟踪定位估计的参考节点的具体实现是： 

比较接收到待定位目标的信号的参考节点当前时刻与上一时刻所接收到的信号能量值，如果两者的差值不超过预设的门限值，则将所述接收到待定位目标的信号的参考节点确定为所述参与跟踪定位估计的参考节点。 

其中，所述跟踪定位估计要求是指： 

所述跟踪定位估计坐标值与上一时刻定位得到的所述待定位目标的位置之间的距离小于或等于预置的最大移动距离。 

其中，所述预置的最大移动距离，由所述待定位目标运动的最大移动速度和当前时刻与所述上一时刻的时间间隔来确定。 

一种基于无线传感器网络的定位装置，包括待定位目标以及至少一个参考节点，包括： 

设置单元，用于为各参考节点预置对应的环境补偿因子； 

能量值确定单元，用于确定参考节点i接收到的待定位目标的信号的能量值P_i； 

计算单元，用于利用所述P_i以及参考节点i的环境补偿因子，确定该参考节点i与待定位目标的距离值，具体实现为： 

P_i＝P₀+10αlgd_i+η_i

其中： 

P₀：与待定位目标距离为1米处的信号能量； 

α：预先设定的衰减指数； 

η_i：为参考节点i确定的环境补偿因子； 

d_i：参考节点i与待定位目标的距离值； 

目标位置确定单元，用于利用所有参考节点与待定位目标的距离值进行最大似然估计，确定所述待定位目标的位置。 

其中，还包括： 

参考节点选择单元，用于比较接收到信号的参考节点当前与上一时刻接收到的信号能量值，如果两者差值不超过预设的门限值，则将该参考节点确定为参与跟踪定位估计的参考节点； 

转换单元，用于利用所有参与跟踪定位估计的参考节点得到的所有当前距离值，得到所述待定位目标的当前估计坐标值； 

目标最大移动距离确定单元，用于确定当前与上一时刻定位的时间间隔内，待定位目标可移动的最大距离； 

当前估计坐标值选择单元，用于判断当前估计坐标值与上一时刻定位得到的待定位目标的位置之间的距离，是否小于或等于所述待定位节点可移动的最大距离，如果是，将所述当前估计坐标值保留；如果否，将所述当前估计坐标值抛弃； 

跟踪定位确定单元，用于对所述保留的当前估计坐标值进行统计处理，确定所述待定位目标的当前位置。 

通过本发明实施例，为各个接收到待定位目标信号的参考节点预置相应的环境补偿因子，能够在复杂环境中建立更为准确的接收能量与距离关系的模型，同时考虑了待定位目标与参考节点的距离对定位精度的影响，并有选择地利用参考节点来进行跟踪定位估计，使得定位性能和定位精度得到提高。 

附图说明

图1是本发明实施例提供的方法的流程图； 

图2是本发明实施例提供的方法中跟踪定位估计方法的流程图； 

图3是本发明实施例提供的装置的示意图； 

图4是本发明实施例提供的另一装置的示意图。 

具体实施方式

本发明提供了一种基于无线传感器网络的定位方法，该方法包括：为各参考节点预置环境补偿因子；对于参考节点i，利用该参考节点i接收到的待定位目标的信号能量值P_i以及环境补偿因子，确定参考节点i与待定位目标的距离值；利用所有参考节点与待定位目标的距离值，确定所述待定位目标的位置。本发明实施例还提供了一种基于无线传感器网络的定位装置，通过本发明实施 例，能够在复杂环境中建立更为准确的接收能量与距离关系的模型，考虑了待定位目标与参考节点的距离对定位精度的影响，并有选择地利用参考节点来进行跟踪定位估计，使得定位性能和定位精度得到提高。 

本发明提出参考节点和待定位目标的概念，其中，参考节点为网络中位置已知的节点，用来接收待定位目标发射的信号，并计算信号的能量值，将其传回控制中心；待定位目标是指需要确定位置的事件或网络中未知位置的节点，这里的事件是指网络外可发射无线信号的信号源，可能具有移动性，这些待定位目标以一定的功率发送无线信号。控制中心根据接收信号能量值，运用无线信号损耗模型计算待定位目标与各参考节点之间的距离，并最终实现对待定位目标的定位。 

由于无线信号在传播过程中的损耗与温度、湿度等自然环境有关，而且还会由于反射、衍射等因素而造成多径衰落，这些问题使得准确刻画无线信号能量与传播距离之间的关系成为一个技术上的难题。本发明中，针对无线传感器网络中无线信道传输的特性，引入环境补偿因子，利用补偿机制建立一种能够比较精确反映接收信号能量与距离之间的关系的统计模型，并在此基础上确定待定位目标的位置。所述环境补偿因子由经验值得到，在不同环境以及参考节点与信号发射点的不同距离的情况下，所述环境补偿因子的取值都有所不同，同时考虑到经验值本身所具有的不确定性，为了保证定位估计的精确性，本发明实施例中，对每个参考节点选取一组环境补偿因子，对于每个参考节点分别得出各环境补偿因子对应的估计距离值，最后利用各个节点得到的各个估计距离值来确定待定位目标的位置。 

下面首先对本发明利用补偿机制建立统计模型的过程进行详细描述。 

在无线传感器网络中，设有K(K≥1)个参考节点接收到待定位目标发射的信号，要利用这K个节点接收信号的强度来确定待定位目标的位置。在本发明实施例中，设P_k为第k个参考节点接收到的信号能量，η_k为所述第k个参考节点对应路径上的环境补偿因子，建立接收信号能量与距离之间的关系： 

            P_k＝f(d_k)+g(η_k)                (2) 

其中d_k为待定位目标与第k个参考节点间的距离，f(·)和g(·)表示某种 函数关系式。在本发明实施例中，可以将其建立如下： 

            P_k＝P₀+10αlg d_k+η_k                (3) 

其中，P₀为距离发射源即待定位目标1m处的信号能量，α为衰减指数，η_k的值可针对不同的环境由以往的经验值预先设置，如前文所述，对于每个参考节点都选取一组η_k值，又考虑到距离待定位目标越近，信号强度衰减模型越准确，因此根据距离待定位目标远近的不同，对于每个参考节点选取的η_k 的数目和取值是不同的，距离待定位目标较近，即接收到的能量值较大的参考节点，可以选取较少数目的η_k。 

至此，建立起了基于补偿机制的衰减模型，在对某一待定位目标进行定位估计的具体过程中，参照图1，本发明实施例提供的实现本发明实施例的方法包括以下步骤： 

S101：为各参考节点预置环境补偿因子； 

S102：对于参考节点i，确定该参考节点i接收到的待定位目标的信号能量值P_i利用P_i以及该参考节点i的环境补偿因子，确定参考节点i与待定位目标的距离值； 

在本发明实施例中，利用公式(3)提供的模型即可确定所述距离值； 

由于每个参考节点选取多个环境补偿因子，因此对于每个参考节点会产生多个距离值，其个数与选取的环境补偿因子的个数相等； 

S103：利用所有参考节点与待定位目标的距离值进行最大似然估计，确定所述待定位目标的位置。 

所述最大似然估计的具体过程可以如下进行，每次从每个参考节点得到的距离值中选取一个距离值进行组合，每个组合可以得到一个坐标值，最后得到与组合数目相同多个坐标值，然后对这些坐标值进行几何平均或加权平均确定一个平均值，作为所述待定位目标的位置。 

上述步骤完成了对待定位目标的定位，在实际应用中，由于事件可能具有移动性，事件发生的位置在不同的时刻可能是不同的，因此当待定位目标为某一事件时，往往还包括跟踪定位估计的过程，利用此次定位结果和下一时刻接 收到的信号的能量值，确定该待定位目标下一时刻的位置，本发明也可以实现所述跟踪定位估计，下面对所述跟踪定位估计的步骤进行详细的描述。 

参见图2，本发明实施例所提供的实现对待定位目标进行跟踪定位估计的方法包括以下步骤： 

S201：选择参与跟踪定位估计的参考节点； 

由于待定位目标发射的信号在向参考节点传输的过程中，可能会存在一些不可靠因素，使得参考节点接收到的信号发生畸变，这必然会影响到定位的精确性，因此在定位估计时，应先除去这些参考节点。 

本发明实施例中，将所述参考节点此时刻与上一时刻所接收到的信号能量值作比较，如果两个信号能量值相差较大，则认为此参考节点是不可靠的，不选择此参考节点参与跟踪定位估计的过程，否则，选择其作为参与此次跟踪定位估计的参考节点； 

S202：为各参与跟踪定位估计的参考节点预置当前环境补偿因子； 

由于待定位目标的位置相对上一时刻可能已经发生变化，使得参考节点与所述待定位目标之间的距离也随之发生了变化，因此为了保证定位的精确性，还要重新为各参与跟踪定位估计的参考节点选择环境补偿因子； 

S203：对于参与跟踪定位估计的参考节点j，确定该参考节点j接收到的待定位目标的信号能量值P_j，利用P_j以及该参考节点j的当前环境补偿因子，确定参考节点j与待定位目标的当前距离值； 

这里同样可以由公式(3)来确定； 

S204：利用所有参与跟踪定位估计的参考节点得到的所有当前距离值，得到所述待定位目标的当前估计坐标值； 

S205：判断各所述当前估计坐标值是否满足跟踪定位估计要求，如果是，将所述当前估计坐标值保留；如果否，将所述当前估计坐标值抛弃； 

由于目标运动的最大速度已知，当前与上一次定位的时间间隔也可确定，因此可以确定目标移动的最大距离，这里将跟踪定位估计要求设为小于等于所述目标移动的最大距离，若当前估计坐标值与上一时刻确定的目标位置之间的 距离超过了此最大距离，则认为这个估计坐标值是不可信的，并将其抛弃，否则，认为是可信的，并将其保留，这样可以进一步提高跟踪定位估计的性能； 

S206：对所述保留的当前估计坐标值进行统计处理，确定所述待定位目标的当前位置。 

可以从将所述保留的坐标值作几何平均，也可以作加权平均等其他方式，得到的平均值作为所述待定位目标的位置。 

与上述本发明实施例提供的方法相对应，本发明实施例还提供了一种基于无线传感器网络的定位装置，参照图3，该装置包括： 

设置单元U301，用于为各参考节点预置对应的环境补偿因子； 

能量值确定单元U302，用于确定参考节点i接收到的待定位目标的信号的能量值P_i； 

计算单元U303，用于利用所述P_i以及参考节点i的环境补偿因子，确定该参考节点i与待定位目标的距离值； 

节点位置确定单元U304，用于利用所有参考节点与待定位目标的距离值进行最大似然估计，确定所述待定位目标的位置。 

其中，参照图4，为完成跟踪定位估计的步骤，该装置还包括： 

参考节点选择单元U305，用于比较接收到信号的参考节点当前与上一时刻接收到的信号能量值，如果两者差值不超过原先设置的门限值，则将该参考节点确定为参与跟踪定位估计的参考节点； 

转换单元U306，用于利用所有参与跟踪定位估计的参考节点得到的所有当前距离值，将所述距离值转化为待定位目标的估计坐标值； 

节点最大移动距离确定单元U307，用于确定当前与上一时刻定位的时间间隔中，待定位目标可移动的最大距离； 

当前估计坐标值选择单元U308，用于判断当前估计坐标值与上一时刻定位得到的待定位目标的位置之间的距离，是否小于等于所述待定位目标可移动的最大距离，如果是，将所述当前估计坐标值保留；如果否，将所述当前估计坐标值抛弃。 

跟踪定位估计确定单元U309，用于对所述保留的当前估计坐标值进行统计处理，确定所述待定位目标的当前位置。 

综上所述，本发明提供了一种基于无线传感器网络的定位方法，该方法包括：为各参考节点预置环境补偿因子；对于参考节点i，利用该参考节点i接收到的待定位目标的信号能量值P_i以及环境补偿因子，确定参考节点i与待定位目标的距离值；利用所有参考节点与待定位目标的距离值，确定所述待定位目标的位置。本发明实施例还提供了一种基于无线传感器网络的定位装置，通过本发明实施例，能够在复杂环境中建立更为准确的接收能量与距离关系的模型，考虑了待定位节点与参考节点的距离对定位精度的影响，并有选择地利用参考节点来进行跟踪定位估计，使得定位性能和定位精度得到提高。 

以上对本发明所提供的一种基于无线传感器网络的定位方法及装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的定位方法，所述无线传感器网络中包括待定位目标以及至少一个参考节点，其特征在于，包括：

为各参考节点预置环境补偿因子；

对于参考节点i，确定该参考节点i接收到的待定位目标的信号能量值P_i，利用P_i以及该参考节点i的环境补偿因子，确定参考节点i与待定位目标的距离值，具体实现为：

P_i＝P₀+10αlgd_i+η_i

其中：

P₀：与待定位目标距离为1米处的信号能量；

α：预先设定的衰减指数；

η_i：为参考节点i确定的环境补偿因子；

d_i：参考节点i与待定位目标的距离值；

利用所有参考节点与待定位目标的距离值进行最大似然估计，确定所述待定位目标的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过比较各参考节点接收到的信号能量值确定各参考节点对应的环境补偿因子的数目及取值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，比较各参考节点接收到的信号能量值，为接收到的信号能量值较大的参考节点选取较少数目的环境补偿因子。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述待定位目标进行跟踪定位估计。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述跟踪定位估计的步骤包括：

选择参与跟踪定位估计的参考节点；

为各参与跟踪定位估计的参考节点预置当前环境补偿因子；

对于参与跟踪定位估计的参考节点j，确定该参考节点j接收到的待定位目标的当前信号能量值P_j，利用P_j以及该参考节点j的当前环境补偿因子，确定参考节点j与待定位目标的当前距离值；

利用所有参与跟踪定位估计的参考节点得到的所有当前距离值，得到所述待定位目标的当前估计坐标值；

判断所述当前估计坐标值是否满足跟踪定位估计要求，如果是，将所述当前估计坐标值保留；如果否，将所述当前估计坐标值抛弃；

对所述保留的当前估计坐标值进行统计处理，确定所述待定位目标的当前位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述选择参与跟踪定位估计的参考节点的具体实现是：

比较接收到待定位目标的信号的参考节点当前时刻与上一时刻所接收到的信号能量值，如果两者的差值不超过预设的门限值，则将所述接收到待定位目标的信号的参考节点确定为所述参与跟踪定位估计的参考节点。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述跟踪定位估计要求是指：

所述跟踪定位估计坐标值与上一时刻定位得到的所述待定位目标的位置之间的距离小于或等于预置的最大移动距离。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预置的最大移动距离，由所述待定位目标运动的最大移动速度和当前时刻与所述上一时刻的时间间隔来确定。

9.一种基于无线传感器网络的定位装置，包括待定位目标以及至少一个参考节点，其特征在于，包括：

设置单元，用于为各参考节点预置对应的环境补偿因子；

能量值确定单元，用于确定参考节点i接收到的待定位目标的信号的能量值P_i；

计算单元，用于利用所述P_i以及参考节点i的环境补偿因子，确定该参考节点i与待定位目标的距离值，具体实现为：

P_i＝P₀+10αlg d_i+η_i

其中：

P₀：与待定位目标距离为1米处的信号能量；

α：预先设定的衰减指数；

η_i：为参考节点i确定的环境补偿因子；

d_i：参考节点i与待定位目标的距离值；

目标位置确定单元，用于利用所有参考节点与待定位目标的距离值进行最大似然估计，确定所述待定位目标的位置。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：

参考节点选择单元，用于比较接收到信号的参考节点当前与上一时刻接收到的信号能量值，如果两者差值不超过预设的门限值，则将该参考节点确定为参与跟踪定位估计的参考节点；

转换单元，用于利用所有参与跟踪定位估计的参考节点得到的所有当前距离值，得到所述待定位目标的当前估计坐标值；

目标最大移动距离确定单元，用于确定当前与上一时刻定位的时间间隔内，待定位目标可移动的最大距离；

当前估计坐标值选择单元，用于判断当前估计坐标值与上一时刻定位得到的待定位目标的位置之间的距离，是否小于或等于所述待定位节点可移动的最大距离，如果是，将所述当前估计坐标值保留；如果否，将所述当前估计坐标值抛弃；

跟踪定位估计确定单元，用于对所述保留的当前估计坐标值进行统计处理，确定所述待定位目标的当前位置。

Images