CN102540140B - 局部定位系统中的一种加权三边测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种局部定位系统中的一种加权三边测量方法，步骤包括：测试并且拟合得到RSSI（或LQI）值对应的距离曲线；测试获得距离曲线在各个距离平均测距误差，并且采用其百分比的倒数做为权值；利用信号最强的3个点来确定移动节点所在的区域；利用三边测量的方法计算出移动节点的位置，其中两圆无交点时采用加权方法来获得移动节点位置，最后采用求交点重心的方式获得移动节点的位置。其优点是：采用这种定位技术可以解决现有RSSI和LQI定位技术存在容易受环境不一致性影响、精度不高的缺点。

Description

局部定位系统中的一种加权三边测量方法

技术领域

本发明属于一种移动目标定位方法，具体是局部定位系统中的一种加权三边测量方法。

背景技术

RSSI(Received Signal Strength Indicator)以及LQI(Link QualityIndicator)都是通过对于信道链路质量进行检测的。当信道的链路质量发生变化时，RSSI和LQI的值都会发生变化。一般来说，都是距离越大，RSSI和LQI值越小。因此，可以先通过测试来拟合RSSI(或LQI)值对应距离的曲线，然后，通过接收到的RSSI(或LQI)就能够得到对应的节点距离。

目前，无线网络设备大多具备RSSI(或LQI)检测功能。利用以上特点，在无线网络中，可先通过RSSI(或LQI)值的测量计算出多个参考节点到移动节点(待测节点)的距离，然后通过定位算法计算得出移动节点的位置信息。

目前，局部定位系统采用的定位算法一般有以下几种：质心算法、三边测量法、最大似然算法。但是上述算法都存在一定的缺陷，质心算法和三边测量法都无法实现高精度；最大似然算法比较复杂，又需要很大的计算量。

发明内容

本发明的目的在于克服以上算法的不足之处，提出一种局部定位系统中的一种加权三边测量方法，具体涉及无线网络中实现高精度定位的几何算法。方法中采用的发生概率加权方法可以很大程度的提高精度，特别是可以减小环境遮挡带来的影响。

按照本发明提供的技术方案，所述局部定位系统中的一种加权三边测量方法包括以下步骤：

步骤1、通过实测和曲线拟合的方式建立RSSI或LQI值对应的距离曲线，测试获得距离曲线在各个距离平均测距误差，并且采用误差的百分比的倒数做为权值；

步骤2、采集局部定位系统中的RSSI或LQI数据，选取RSSI或LQI最大的值来进行测距，即选取三个信号最强的点作为参考节点；

步骤3、采用步骤1中拟合的曲线来计算出RSSI或LQI对应的距离；

步骤4、采用步骤3获得的距离来进行三边定位，采用三边测量法求解，进行三边定位时如果两圆没有交点，则采用步骤1获得的各个距离的对应的权值来计算出交点位置；

步骤5、计算三边定位所获得三点的重心，即为待测节点的位置。

具体的，所述进行三边定位的方法为：已知3个最大RSSI或LQI值对应参考节点的坐标，并计算出待测节点到3个参考节点的距离后，以3个参考节点坐标为圆心，各自到待测节点的距离为半径，画3个圆，需要分3次分别求其中任意两圆的交点；设其中两圆为A、B，对应的半径为r₁、r₂；两圆圆心为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)；θ为圆心到两圆交点的直线与横坐标轴的夹角角度；两圆的交点(x，y)如下：

1)当有2个交点时

$\left\{\begin{array}{c}(Y-y1)\÷(X-x1)=(y2-y1)\÷(x2-x1)\\ {(X-x2)}^2+{(Y-y2)}^2={\left(r2\right)}^2\end{array}\right.$

2)当只有1个交点时

$\left\{\begin{array}{c}Y=r1\sin \mathrm{\θ}+y1\\ X=r1\cos \mathrm{\θ}+x1\\ {(X-x2)}^2+{(Y-y2)}^2={\left(r2\right)}^2\end{array}\right.$

3)当没有交点时，则利用分析平均测距误差得到的权值来获得交点的位置；首先，连接两圆A、B的圆心，交点的位置采用加权的方式在两圆的连线上选取；加权算法得出的交点位置到圆A和B的距离比是r₂∶r₁。

本发明的优点是：

1.实现方便：本发明提出的方法采用参考节点和移动节点的收发就可以直接完成。

2.提高精度：在三边定位算法求两圆交点时，如果两圆由于测距的误差导致相离，本发明提出的算法可以比采用距离加权的方式更精确的找到实际交点的位置，对于定位精度有很大提高。

附图说明

图1：定位系统组成。

图2：定位算法流程。

图3：距离对应RSSI(或LQI)值的曲线。

图4：各个距离的平均测距误差示例。

图5：各个距离对应的权值示例。

图6：三边测量算法中的圆交点求解示意图。

图7：两圆相离时采用加权方法求解示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做详细的说明。本发明是一种基于信号能量强度来定位的方法，信号可以是射频信号或者是水下声信号。

如图1所示，其中黑色的圆代表移动节点，空心的圆代表参考节点，双向的箭头表示无线通信。系统的最基本组成可分为：(1)不少于3个参考节点，每个参考节点具有无线接收和发射功能，相互之间可以通过某种协议通信，其接收天线为各向同性，参考节点的位置是已知的。(2)待测的一个或多个移动节点具有无线发射功能，发射频率、通信协议和参考节点一致，其发射天线为各向同性。(3)至少需要一个基站，用于收集各个参考节点发送过来的移动节点的RSSI(或LQI)信息，计算出移动节点到各个参考节点的距离，然后计算出移动节点位置。

具体的工作流程参见图2。

1.参考节点就绪，准备接收无线信号。

2.移动节点开始工作。

3.软件端选取3个接收到移动节点信号最强的参考节点。

4.采用三边测量法计算出移动节点的位置。

软件中测距等函数需要进行前期的工作。首先需要进行的工作如以下的细化步骤：

步骤1，如图3，其中展示的是采用测试拟合的方式能够获得的RSSI(或LQI)值对应距离的曲线。

步骤2，通过多次测试获得各个距离对应的平均误差数值，其误差百分比的倒数可以作为该距离的权值。图4显示的是在空旷地带采用RSSI(或LQI)测试获得的各个距离的误差。通过计算获得其对应权值如图5所示。

步骤3，选取3个最大的RSSI(或LQI)值，计算出其对应的距离。

步骤4，如图6所示，已知3个最大RSSI(或LQI)值对应参考节点的坐标，并计算出到3个参考节点的距离后，以3个参考节点坐标为圆心，各自到待测节点的距离为半径，画3个圆，需要分3次分别求其中任意两圆的交点。设其中两圆为A、B，对应的半径为r₁、r₂；两圆圆心为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，θ为圆心到交点的直线与横坐标的角度。两圆交点可以用下面的两个公式求解。

1)当两圆有2个交点时：

$\left\{\begin{array}{c}(Y-y1)\÷(X-x1)=(y2-y1)\÷(x2-x1)\\ {(X-x2)}^2+{(Y-y2)}^2={\left(r2\right)}^2\end{array}\right.$

2)当两圆只有1个交点时：

$\left\{\begin{array}{c}Y=r1\sin \mathrm{\θ}+y1\\ X=r1\cos \mathrm{\θ}+x1\\ {(X-x2)}^2+{(Y-y2)}^2={\left(r2\right)}^2\end{array}\right..$

当两圆没有交点时，则采用图7所示的方法，利用分析平均测距误差得到的权值来获得交点的位置。首先，连接两圆圆心，其交点的位置将采用加权的方式在两圆的连线上选取。如果圆A、B对应的半径为r₁、r₂；则加权算法得出的交点位置到圆A和B的距离比是r₂∶r₁。

步骤5，如果3个圆分别为A、B、C，任意两圆中如果有2个交点则选取到第2个圆圆心较近的点，如果没有交点，则采用图7所示的方法获得一个交点。最终，计算3个交点的重心，得出移动节点的坐标。

Claims (1)

1. 局部定位系统中的一种加权三边测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、通过实测和曲线拟合的方式建立RSSI或LQI值对应的距离曲线，测试获得距离曲线在各个距离平均测距误差，并且采用误差的百分比的倒数做为权值；

步骤2、采集局部定位系统中的RSSI或LQI数据，选取三个信号最强的点作为参考节点；

步骤3、采用步骤1中拟合的曲线来计算出RSSI或LQI对应的距离；

步骤4、采用步骤3获得的距离来进行三边定位，采用三边测量法求解，进行三边定位时如果两圆没有交点，则采用步骤1获得的各个距离的对应的权值来计算出交点位置；

步骤5、计算三边定位所获得三点的重心，即为待测节点的位置；

所述进行三边定位的方法为：已知3个最大RSSI或LQI值对应参考节点的坐标，并计算出待测节点到3个参考节点的距离后，以3个参考节点坐标为圆心，各自到待测节点的距离为半径，画3个圆，需要分3次分别求其中任意两圆的交点；设其中两圆为A、B，对应的半径为r₁、r₂；两圆圆心为（x₁，y₁），(x₂，y₂)；θ为圆心到两圆交点的直线与横坐标轴的夹角角度；两圆的交点（x, y）如下：

当有2个交点时

当只有1个交点时

3）当没有交点时，则利用分析平均测距误差得到的权值来获得交点的位置；首先，连接两圆A、B的圆心，交点的位置采用加权的方式在两圆的连线上选取；加权算法得出的交点位置到圆A和B的距离比是r₂ : r₁。

Images