CN102164406B - 用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置及其工作方法，属于通信信号处理技术领域。该方法首先对锚节点划分为四个一组，针对各分组及子分组，采用AML和LS联合的位置估计方法，建立残差检测方程，利用该方程更新初始分组，最终得到视距路径组合。该方法采用新的分组及子分组划分方法和新的分组更新方法，能以极低的计算量鉴别出视距信号，可满足低能耗、高定位精度的要求。

Description

用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置及其工作方法，属于通信信号处理技术领域。

背景技术

近年来，无线传感器自身节点的定位已经成为无线传感器网络系统的一个必要功能，并受到了广泛关注，并在诸如智能交通、医疗卫生、森林防火和环境检测等领域具有广泛的应用。

无线定位可分为基于几何关系和统计信息的两种方案。前一种方案包括基于到达时间(TOA)、基于到达时间差(TDOA)、基于到达角度(AOA)、基于信号强度指示(RSSI)或者联合的方法。后一种方案将到达信号看作一个与锚节点、未知节点及传播环境有关的变量，通过降低模型的参数误差或者根据先验信息求得未知节点的位置。

由于无线传感器网络应用环境复杂多变，模型参数或者网络的先验信息往往很难获得，而第一种方案不需要这些信息，且具有较高的定位精度，本发明仅考虑这种方案。由于这种方案假设信号来自视距传播，而非视距传播将严重影响定位精度。学者提出了多项式平滑、残差检测算法、残差加权算法等来消除或抑制非视距误差的影响。残差检测定位算法[Y.T.Chan，W.Y.Tsui，etc，“Time-of-Arrival BasedLocalization Under NLOS conditions”，2006]能成功的检测出视距信号，从而进行可靠得定位，但是其计算量太大，难以实际应用，为了改进这种方法的缺点，在文献[L.Jiao，Y.L.Frank，etc，“LCRT：A TOA Based Mobile Terminal LocalizationAlgorithm in NLOS Environment”，2009]中对非视距鉴别过程进行了改进，虽然计算量有所降低，但非视距鉴别正确率降低，视距定位鲁棒性受到影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置及其工作方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置，装置包括检测区域、汇聚节点和定位控制中心，检测区域通过汇聚节点与定位控制中心无线连接，定位控制中心是一台服务器。

用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置的工作方法，工作方法如下：

步骤1：在检测区域内随机部署传感器节点并确定节点标识码，位置可知的节点为锚节点，普通传感器节点为未知节点，并指定一个锚节点或未知节点为汇聚节点；

步骤2：传感器节点部署完毕后，锚节点周期性地发送并接收用于定位的信标信号，得到相对于未知节点的信标信号的往返传播时间；

步骤3：锚节点将锚节点坐标信息连同节点标识码和往返传播时间发送到汇聚节点并通过汇聚节点发送到定位控制中心；

步骤4：定位控制中心根据信标信号的往返传播时间，得到未知节点与锚节点的距离测量值，对距离测量值进行初始分组，每组包含四个距离测量值，并对各组划分子分组；

步骤5：定位控制中心利用锚节点的已知坐标信息和距离测量值，建立分组残差方程；

步骤6：根据分组残差方程，定位控制中心对各分组的距离测量值组成进行判决，统计子分组的残差大于判决门限的子分组的数目，若残差大于判决门限的子分组的数目与子分组总数的比例，小于既定比例，则更新初始分组；所述的判决门限为6.25，所述的既定比例为10％；

步骤7：更新初始分组，一直到符合：子分组的残差大于判决门限的子分组的数目与子分组总数的比例，不小于既定比例，则分组为视距路径组合；更新初始分组的判决门限为3.84。

步骤4中，对各组划分子分组的方法，假设该组有M个锚节，则每个子分组含M-1个锚节点。

所述步骤5中建立分组残差方程包括下列步骤：

锚节点的的坐标分别为(x_i，y_i)，待定位未知节点的坐标为(x，y)，未知节点与锚节点间的距离测量值为r_i，则分组残差方程为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\χ}}^2{(j,k)}_x=\frac{{[\hat{x}(j,k)-\hat{x}\left(j\right)]}^2}{B_x\left(j\right)}\\ {\mathrm{\χ}}^2{(j,k)}_y=\frac{{[\hat{y}(j,k)-\hat{y}\left(j\right)]}^2}{B_y\left(j\right)}\end{array}\right.$

式中，

为分组对未知节点的位置估计，

为子分组对未知节点的位置估计，具体为初次分组采用最大似然估计，后续分组采用最小均方估计，B_x(j)、B_y(j)为误差最低下界估计。

步骤7中所述的更新初始分组方法如下：

针对每个分组，计算

选χ²(k)最小的分组，统计分组内χ²(j，k)_x和χ²(j，k)_y大于更新初始分组的判决门限的数目，如果不超过10％，该组内的锚节点与其余锚节点分别构成新分组，否则认为该分组内全为视距信号。

本发明的突出实质性特点和显著的进步主要体现在：能够根据锚节点的冗余度分别使用AML或LS估计，通过改进分组及子分组划分方案，采用新的分组更新方式，获得可靠的非视距路径鉴别结果，同时保证较低的运算量。特别适合于大尺度的无线网络定位与跟踪应用，如井下矿工管理系统、森林防火系统等。本发明为本领域的技术进步拓展了空间，实施效果好。

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行解释。该实施例仅是应用该发明技术方案的典型范例，凡采用同等替换或等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

附图说明

图1为本发明实施例中无线传感器网络节点示意图。

图2为用于无线传感器定位的非视距路径鉴别流程图。

其中，1、检测区域，2、汇聚节点，3、定位控制中心，4、锚节点，5、未知节点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例：

用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置，装置包括检测区域(1)、汇聚节点(2)和定位控制中心(3)，检测区域(1)通过汇聚节点(2)与定位控制中心(3)无线连接，定位控制中心(3)是一台服务器。

用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置的工作方法，工作方法如下：

步骤1：在检测区域内随机部署传感器节点并确定节点标识码，位置可知的节点为锚节点，普通传感器节点为未知节点，并指定一个锚节点或未知节点为汇聚节点；

步骤2：传感器节点部署完毕后，锚节点周期性地发送并接收用于定位的信标信号，得到相对于未知节点的信标信号的往返传播时间；

步骤3：锚节点将锚节点坐标信息连同节点标识码和往返传播时间发送到汇聚节点并通过汇聚节点发送到定位控制中心；

步骤4：定位控制中心根据信标信号的往返传播时间，得到未知节点与锚节点的距离测量值，对距离测量值进行初始分组，每组包含四个距离测量值，并对各组划分子分组；

步骤5：定位控制中心利用锚节点的已知坐标信息和距离测量值，建立分组残差方程；

步骤6：根据分组残差方程，定位控制中心对各分组的距离测量值组成进行判决，统计子分组的残差大于判决门限的子分组的数目，若残差大于判决门限的子分组的数目与子分组总数的比例，小于既定比例，则更新初始分组；所述的判决门限为6.25，所述的既定比例为10％；

步骤7：更新初始分组，一直到符合：子分组的残差大于判决门限的子分组的数目与子分组总数的比例，不小于既定比例，则分组为视距路径组合；更新初始分组的判决门限为3.84。

步骤4中，对各组划分子分组的方法，假设该组有M个锚节，则每个子分组含M-1个锚节点。

所述步骤5中建立分组残差方程包括下列步骤：

锚节点的的坐标分别为(x_i，y_i)，待定位未知节点的坐标为(x，y)，未知节点与锚节点间的距离测量值为r_i，则分组残差方程为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\χ}}^2{(j,k)}_x=\frac{{[\hat{x}(j,k)-\hat{x}\left(j\right)]}^2}{B_x\left(j\right)}\\ {\mathrm{\χ}}^2{(j,k)}_y=\frac{{[\hat{y}(j,k)-\hat{y}\left(j\right)]}^2}{B_y\left(j\right)}\end{array}\right.$

式中，

为分组对未知节点的位置估计，为子分组对未知节点的位置估计，具体为初次分组采用最大似然估计，后续分组采用最小均方估计，B_x(j)、B_y(j)为误差最低下界估计。

步骤7中所述的更新初始分组方法如下：

针对每个分组，计算

选χ²(k)最小的分组，统计分组内χ²(j，k)_x和χ²(j，k)_y大于更新初始分组的判决门限的数目，如果不超过10％，该组内的锚节点与其余锚节点分别构成新分组，否则认为该分组内全为视距信号。

Claims (3)

1.一种用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置的工作方法，所述用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置，包括检测区域、汇聚节点和定位控制中心，检测区域通过汇聚节点与定位控制中心无线连接，定位控制中心是一台服务器；其特征在于，该装置的工作方法如下：

步骤1：在检测区域内随机部署传感器节点并确定节点标识码，位置可知的节点为锚节点，普通传感器节点为未知节点，并指定一个锚节点或未知节点为汇聚节点；

步骤2：传感器节点部署完毕后，锚节点周期性地发送并接收用于定位的信标信号，得到相对于未知节点的信标信号的往返传播时间；

步骤3：锚节点将锚节点坐标信息连同节点标识码和往返传播时间发送到汇聚节点并通过汇聚节点发送到定位控制中心；

步骤4：定位控制中心根据信标信号的往返传播时间，得到未知节点与锚节点的距离测量值，对距离测量值进行初始分组，每组包含四个距离测量值，并对各组划分子分组；

步骤5：定位控制中心利用锚节点的已知坐标信息和距离测量值，建立分组残差方程；所述步骤5中建立分组残差方程包括下列步骤：

锚节点的坐标分别为(x_i,y_i)，待定位未知节点的坐标为(x,y)，未知节点与锚节点间的距离测量值为r_i，则分组残差方程为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\χ}}^2{(j,k)}_x=\frac{{[\hat{x}(j,k)-\hat{x}\left(j\right)]}^2}{B_x\left(j\right)}\\ {\mathrm{\χ}}^2{(j,k)}_y=\frac{{[\hat{y}(j,k)-\hat{y}\left(j\right)]}^2}{B_y\left(j\right)}\end{array}\right.$

式中，

为分组对未知节点的位置估计，

为子分组对未知节点的位置估计，具体为初次分组采用最大似然估计，后续分组采用最小均方估计，B_x(j)、B_y(j)为误差最低下界估计；

步骤6：根据分组残差方程，定位控制中心对各分组的距离测量值组成进行判决，统计子分组的残差大于判决门限的子分组的数目，若残差大于判决门限的子分组的数目与子分组总数的比例，小于既定比例，则更新初始分组；所述的判决门限为6.25，所述的既定比例为10%；

步骤7：更新初始分组，一直到符合：子分组的残差大于判决门限的子分组的数目与子分组总数的比例，不小于既定比例，则分组为视距路径组合；更新初始分组的判决门限为3.84。

2.根据权利要求1所述的用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置的工作方法，其特征在于，步骤4中，对各组划分子分组的方法，假设该组有M个锚节点，则每个子分组含M-1个锚节点。

3.根据权利要求1所述的用于无线传感器节点定位的非视距路径鉴别装置的工作方法，其特征在于，步骤7中所述的更新初始分组方法如下：

针对每个分组，计算 ${\mathrm{\χ}}^2\left(k\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{\χ}}^2{(j,k)}_x+{\mathrm{\χ}}^2{(j,k)}_y),$ 选χ²(k)最小的分组，统计分组内χ²(j,k)_x和χ²(j,k)_y大于更新初始分组的判决门限的数目，如果不超过10%，该组内的锚节点与其余锚节点分别构成新分组，否则认为该分组内全为视距信号。

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