CN102932912A - 一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法 - Google Patents

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杨国瑞
赵宾华
洪浩
许书彬
孙少鹏
王继阳
周靖博
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Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法。针对监测区域布设无线传感网电磁信号传感器节点、汇聚节点和信息处理中心节点。所部署的传感器节点都配备了GPS，负责电磁信号数据采集和传输，传感器节点采集到电磁信号后将其传送到汇聚节点，再通过多跳组网传输到信息处理中心节点。信息中心节点根据信号到达同一节点的连续多个到达时刻之间的差值，采用时差定位体制完成对电磁信号源的定位。本发明的优点在于：传统的台站式信号监测仪器设备体积过大不利于室外部署，而本发明的无线传感器网络体积很小，容易布设；将无线传感器网络应用到电磁信号定位当中，使得监测节点可以更加接近信号源，增加了定位的准确度和精度。

Description

一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络定位技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法。
背景技术
无线传感器网络(WSN)是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络技术具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、环境监测、抢险救灾、防空反恐、微型区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值。
电磁频谱空间是最复杂的空间之一，自然界的各种物理现象都会产生不规则的干扰频率，而且干扰的种类，频率范围，持续时间都没有规律。随着科技的发展，在各行各业及军事场景下，无线射频技术应用的日益增多，空间电磁信号变得更加拥挤和复杂，这给区域内电磁信号的监测、管理、分配和使用带来了诸多问题。
为保障频谱资源合理有序的使用和无线通信网络的正常运行，需要运用先进的技术手段和设施，针对空间电磁环境状况进行分析与评估，对影响正常通信的杂乱信号源进行定位。传统的集中式台站电磁信号监测设备体积过大，不利于室外监测定位，造价过高，当监测设备距离信号源超过一定距离时会造、成定位结果不准确。利用无线传感器网络进行分布式定位有着诸多优点，价格较为低廉、由于体积小便于布设，传感器节点可以距离信号源更近，定位结果准确性和精度更高。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法，实现对空间内电磁频谱信号的分布式定位，提升定位的准确性和精度。
一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法，其特征在于包括以下步骤：
(A)在监测区域内部署配备GPS的传感器节点、汇聚节点、信息处理中心节点，构建基于无线传感器网络的电磁信号定位系统；
(B)系统开始工作后，传感器节点通过携带的探头对空间电磁信息进行监测，并将接收到电磁频谱信号发送到汇聚节点；
(C)汇聚节点将电磁频谱信号通过多跳通信转发到信息处理中心节点；
(D)信息处理中心节点通过分析传感器节点上报的定位数据，并根据时差定位算法对数据进行处理，确定电磁信号源的位置。
更进一步的，步骤(A)中所述的电磁信号定位系统包括电磁信号监测层、信息汇聚层和信息处理中心层；电磁信号监测层是电磁信号定位系统的最底层，由采集电磁信号的传感器节点组成；所述的信息汇聚层由汇聚节点组成，接收并转发传感器节点上报的电磁信号数据；所述的信息处理中心层由中心节点组成，用于电磁信号数据分析处理。
更进一步的，所述步骤(B)中传感器节点将电磁信号发送到汇聚节点是通过簇内通信进行传输的。
更进一步的，所述步骤(D)包括以下步骤：
(1)信息处理中心节点根据时差节点选择策略，将接收到电磁信号能量强度最高的三个传感器节点作为时差定位节点；
(2)信息处理中心节点对所选择的时差定位节点上报数据进行时差估计和时差配对；
(3)信息处理中心节点对时差估计和时差配对后的数据进行分析，确定电磁信号源所发射的信号到达上述三个时差定位节点的时间差，并根据TDOA算法，利用速度约束、误差约束和假设检验，确定电磁信号源的位置。
本发明的优点在于：传统的台站式信号监测仪器设备体积过大不利于室外部署，而本发明的无线传感器网络体积很小，容易布设；将无线传感器网络应用到电磁信号定位当中，使得监测节点可以更加接近信号源，增加了定位的准确度和精度。
附图说明
图1传感器网络电磁信号定位系统拓扑示意图；
图2时差定位算法框图；
图3基于传感器网络的电磁信号定位流程图。
具体实施方法
以下结合附图及实例对本发明作进一步说明：
一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法，其特征在于包括以下步骤：
(A)在监测区域内部署配备GPS的传感器节点、汇聚节点、信息处理中心节点，构建基于无线传感器网络的电磁信号定位系统，所述的电磁信号定位系统包括电磁信号监测层、信息汇聚层和信息处理中心层。
如图1所示为传感器网络电磁信号定位系统拓扑示意图，传感器网络电磁频谱信号定位系统包含以下设备：传感器节点、信息汇聚节点、信息处理中心节点。其中传感器节点携带频谱监测模块对周围空间中的电磁信号进行监测采集；信息汇聚节点不具备数据采集能力，具备较强的信息处理和传输能力，负责实现本区域内各传感器节点的接入及数据的聚合、查询、管理；信息处理中心节点负责整个传感器网络系统的管理和集中配置，提供分布式数据聚合和信息融合的能力，以支持电磁频谱信号的定位跟能。
(B)系统开始工作后，电磁信号监测层的传感器节点通过携带的探头对空间电磁信息进行监测，并将接收到电磁频谱信号发送到汇聚节点；
(C)汇聚节点将电磁频谱信号通过多跳转发到信息处理中心节点；
(D)信息中心节点通过分析传感器节点上报的定位数据，并根据时差定位算法对数据进行处理，确定电磁信号源的位置。
如图2所示为时差定位算法框图，信息处理中心节点接收到各个传感器节点上报的电磁信号数据后，根据时差节点选择策略选取时差定位节点，并对时差节点上报进行分析处理、时差估计、时差配对，最后通过TDOA机制确立电磁信号源的位置，完成精确定位。
如图3所示为基于传感器网络的电磁信号定位流程图，在固定区域内完成基于传感器网络的电磁信号定位系统设备部署后，进行系统分簇组网，当传感器节点采集到空间内电磁信号后，通过簇内通信将其转发汇聚节点；进而，汇聚节点对簇内各节点上报的数据进行初步的处理后上报到信息处理中心节点；最后，信息处理中心节点根据时差节点选择策略选取时差定位节点，并对被选中的时差定位节点所上报的数据通过TDOA机制进行分析，以确定电磁信号源的位置。

Claims (4)

1.一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法，其特征在于包括以下步骤：
(A)在监测区域内部署配备GPS的传感器节点、汇聚节点、信息处理中心节点，构建基于无线传感器网络的电磁信号定位系统；
(B)系统开始工作后，传感器节点通过携带的探头对空间电磁信息进行监测，并将接收到电磁频谱信号发送到汇聚节点；
(C)汇聚节点将电磁频谱信号通过多跳通信转发到信息处理中心节点；
(D)信息处理中心节点通过分析传感器节点上报的定位数据，并根据时差定位算法对数据进行处理，确定电磁信号源的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法，其特征在于：步骤(A)中所述的电磁信号定位系统包括电磁信号监测层、信息汇聚层和信息处理中心层；电磁信号监测层是电磁信号定位系统的最底层，由采集电磁信号的传感器节点组成；所述的信息汇聚层由汇聚节点组成，接收并转发传感器节点上报的电磁信号数据；所述的信息处理中心层由中心节点组成，用于电磁信号数据分析处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法，其特征在于：所述步骤(B)中传感器节点将电磁信号发送到汇聚节点是通过簇内通信进行传输的。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的电磁频谱信号定位方法，其特征在于：所述步骤(D)包括以下步骤：
(1)信息处理中心节点根据时差节点选择策略，将接收到电磁信号能量强度最高的三个传感器节点作为时差定位节点；
(2)信息处理中心节点对所选择的时差定位节点上报数据进行时差估计和时差配对；
(3)信息处理中心节点对时差估计和时差配对后的数据进行分析，确定电磁信号源所发射的信号到达上述三个时差定位节点的时间差，并根据TDOA算法，利用速度约束、误差约束和假设检验，确定电磁信号源的位置。
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