CN105959914B - 基于时间差测量的传感网时间同步和定位联合处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于时间差测量的传感网时间同步和定位联合处理方法，按如下步骤进行：(1)未知节点的随机部署；（2）信标节点的部署与标定；（3）到达时间差（TDOA)测量；（4）测量数据收集；（5）迭代优化估计,按五个子步骤进行；（6）坐标图的绘制与时间同步参数标定。本发明通过节点间的TDOA测量建立节点位置坐标与时钟参数的约束关系，采用传感网中存在部分已知位置坐标的信标节点，以迭代优化方法估计未知节点的位置坐标及时间同步的时钟参数，既实现时间同步，又实现节点位置坐标估计，且该方法不依赖于发送信标节点的时钟参数，节省预先的信标节点时间同步成本，时间同步的时钟参数和位置坐标估计精度高。

Description

基于时间差测量的传感网时间同步和定位联合处理方法
技术领域
本发明涉及一种无需时钟参数的无线传感器网络(简称传感网)时间同步和定位方法，尤其是一种基于到达时间差(TDOA)测量的传感网时间同步和定位的联合处理方法。
背景技术
无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，从而为远程用户提供详尽而准确的信息。采用无线传感器网络进行信息收集和处理，这些数据必须和位置信息相结合才有意义，甚至有时需要传感器节点发回单纯的位置信息。常用的GPS系统利用同步卫星时钟提供实时测距以对传感器节点进行定位，但GPS信号沿空间进行直线传播，仅适应于无遮挡的室外环境，并且其设备通常能耗高、体积大、成本高，需要固定的基础硬件设施等，难以满足低成本的无线传感器网络定位需求。GPS定位方法的局限性激发了一种低成本的无线传感器网络定位方法的推出，即采用已知位置坐标的信标节点去推算未知节点的目标位置，再通过节点间测距方法估算未知节点位置坐标这一新方法的产生。
常用的测距方法包括接收信号强度(RSS)、声音能量强度、到达时间(TOA)及到达时间差(TDOA)等。节点间以电磁波的形式进行相互通信，接收信号强度(RSS)随传输路径的延长而衰减，RSS方法无需额外硬件，具备低功耗、低成本等特点，但其RSS传播易受到多径效应干扰。声音能量强度随距离延长而衰减，能量强度的检测在硬件上容易实现，尤其适合于本身具有声音处理功能的多媒体无线传感器网络系统，但声音能量强度的测距能力有限。TOA测距方法通过测量信号到达时间建立节点间的距离关系，其测距精度依赖于信号的传播速度和节点上精确的CPU计时能力。通过测量节点间的信号到达时间差的TDOA测距方法消除了节点上共同存在的时间偏移和软件延迟，有效减少了因偏移和延迟而导致的测距误差。采用TOA或TDOA的测距方法，实现简单，所依赖的硬件成本低，因此在传感网定位领域得到了大量的应用。
在2002国际会议上首次提出无线传感器网络时间同步研究课题后，该领域的研究人员陆续完善了时间同步的相关理论，并开发出多种时间同步算法。无线传感器网络的时间同步研究以提高同步精度和实现全网同步为目标，通过分析节点的通信传输延迟提高时间戳标记的准确度，减少了延迟不确定性对时间同步精度的不利影响，并在此基础上构造如生成树等集中式、平面型路由结构来向节点发送包含网络参考时间的同步消息，从而实现全网同步。比较著名的时间同步算法包括采用接收到接收同步模式的RBS算法、节点间相互广播数据包的PBS算法及基于发送接收模式的双向单播同步ERTSP算法等。
上述时间同步和定位方法都是通过单独的方法实现，通讯和计算成本较高，且精度受各种测量方法的限制。采用TOA或TDOA建立节点间距离约束关系以估计节点位置坐标的方法与时间测量有关。然而由于初始化或环境因素变化有可能导致节点计时时钟失步，导致测量时间的不准确，为此提出了时间同步和定位的联合处理方法，既实现了时间同步，又实现了节点位置坐标的估计。
通过测量节点间的信号到达时间(TOA)的方法实现时间同步和定位的联合处理方法依赖于发送节点的时钟参数，即要求发送节点的时钟参数是已知的。获取发送节点的时钟参数耗费节点间大量的通信与计算成本，并且TOA方法对网络攻击较为敏感。节点可以通过发送错误的伪造时间进行测量攻击，TOA方法的到达时间测量结果偏差较大，测距精度较低。而本专利申请采用了TDOA测量方法获取节点间距离信息，既实现了时间同步的时钟参数估计，又确定了未知节点位置坐标，且不依赖于发送节点的时钟参数，减少了通讯与计算成本，时钟参数和位置坐标估计精度高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于时间差测量的传感网时间同步和定位联合处理方法，采用如下技术方案：
本基于时间差测量的传感网时间同步和定位的联合处理方法，按以下步骤进行：
(1)未知节点的随机部署：为监测某一区域范围内的传感信息，在所监测的区域范围内随机部署1～100个待标定时间同步和位置坐标参数的未知节点；
(2)信标节点的部署与标定：在步骤(1)所述的监测区域内再部署3～10个信标节点，信标节点的位置坐标采用人工标定或GPS方式获取；
(3)TDOA测量：信标节点j以超声波和电磁波两种不同传播方式在同一时刻向未知节点i发送信号，节点i分别在其时钟计时时间及时刻接收到两种不同信号，TDOA测量的到达时间差(TDOA)表示为则有节点间的测量方程关系式c1及c2分别为超声波和电磁波两种不同方式的信号传播速度，ωi为未知节点i的时钟漂移率；
(4)测量数据收集：节点间所有的TDOA测量到达时间差全部统一发送到服务器或集中式处理器上；
(5)迭代优化估计：在步骤(4)所述的服务器或集中式处理器上进行时间同步和位置坐标参数的迭代优化估计,按如下子步骤进行：
①初始化未知节点位置坐标为所有信标节点位置坐标的平均值，时钟漂移率等于1，误差阈值ε等于10-6及初始化迭代次数K等于0；
②根据步骤(3)所述的测量方程关系式建立估计方法的优化函数，并进行时钟参数和位置坐标的参数估计；
③迭代次数K＝K+1，当迭代次数达到最大值100，停止迭代计算，计算结束进入子步骤⑤；否则以当前的参数估计值迭代优化估计未知节点位置坐标及时钟漂移率；
④根据两次相邻迭代结果的误差估计判断，是否满足误差小于设定阈值ε，若满足，则停止迭代计算进入子步骤⑤；否则更新当前参数估计结果，转入子步骤③进入下一次迭代优化过程；
⑤将当前迭代优化的估计结果作为未知节点位置坐标及时钟漂移率的估计值，计算结束；
(6)坐标图的绘制与时间同步参数标定：在所部署区域的坐标图上，绘制未知节点与信标节点的位置坐标，以估计的未知节点时钟漂移率标定时间同步参数。
现有技术中，采用到达时间(TOA)方法的时间同步和定位联合处理方法依赖于信标节点的发送时间，需要信标节点的时钟同步参数。而时钟同步参数的获取需要额外的计算与通信成本，且依赖于其它硬件设施，成本代价高。
本发明的有益效果是采用超声波和电磁波两种不同传播方式的到达时间差(TDOA)测量实现时间同步和定位的联合处理，不依赖于信标节点的发送时间，无需任何节点时钟同步参数，通讯与计算成本低。以信标节点的位置坐标和TDOA测量建立测量方程，既实现了未知节点的时间同步，又实现了位置坐标估计，且估计误差小、可靠性高。
附图说明
图1为部署的15个节点的位置坐标分布图；
图2为节点j以两种不同信号传播方式向接收节点i发送信号过程，即TDOA方式测量过程示意图；
图3为采用迭代优化估计方法进行时间同步和定位联合处理的计算流程图；
图4为图1中10个未知节点的定位结果示意图；
具体实施方式
为了进一步阐明本方法的创新之处和依据的原理，首先介绍一些基本概念。
1、信标节点。在系统初始化阶段就已知位置信息的节点，这些节点可以为邻近未知节点的定位提供参考。通常信标节点所占的比例较小，可以通过安装GPS设备或者手工配置的方式来预先获取其位置信息。也有文献将信标节点称之为锚节点或参考节点。
2、未知节点。待定位的未知位置坐标的节点，这些节点预先不知道其位置信息，节点定位过程就是估算这些节点的位置坐标。
3、到达时间(TOA)。为建立节点间距离约束关系及推导未知节点位置坐标，传感器节点间通过TOA测量建立节点间距离约束关系，即节点间距离等于信号传播速度乘以信号到达时间(TOA)，信号到达时间(TOA)等于信号的实际接收时间与发送时间之差。
4、到达时间差(TDOA)。信号到达时间(TOA)与信号发送时间有关，其值依赖于发送节点的时钟参数。而到达时间差(TDOA)通过测量两种不同信号到达接收节点的时间之差建立与节点间距离的约束关系，与信号发送时间无关，并且不依赖于发送节点的时钟参数。
5、时钟漂移率。所部署网络中的每个传感器节点上均有各自的时钟电路，各传感器节点根据自身的时钟电路计时，其计时时间与实际时间有漂移，时钟漂移率记为ωi，表示了节点i上计时时间与实际时间的时间变化率。
6、时钟偏移量。表示了时钟电路中计时时间与实际时间在同一时刻的时间差，记为θi。
7、时钟参数。包括时钟漂移率和时钟偏移量，本发明采用时钟漂移和偏离的时钟计时模型，建立计时时间与实际时间的关系，即将节点i的计时时间ti与实际时间t表示为关系式ti＝ωit+θi。
8、视距关系：两个节点之间没有障碍物或者干扰源，它们之间可以直接通信而实现准确测距。
当节点的计时时钟存在漂移时，直接的节点观测时间与实际时间存在偏差，将导致定位结果出现严重偏差。传统的时间同步和定位联合估计方法依赖于预先已知的节点时钟参数，而节点时钟参数的同步需要耗费大量的节点通信成本，增加网络负担。本发明提出了一种无需时钟参数的传感网时间同步和定位方法，这种方法通过节点间的TDOA测量消除了共同的发送时间，建立的测量方程与发送时间无关，所以不依赖于发送节点的时钟参数，按以下步骤进行：
(1)未知节点的随机部署：为监测某一区域范围内的传感信息，在所监测的区域范围内随机部署1～100个待标定时间同步和位置坐标参数的未知节点；
(2)信标节点的部署与标定：在步骤(1)所述的监测区域内再部署3～10个信标节点，信标节点的位置坐标采用人工标定或GPS方式获取；
(3)TDOA测量：信标节点j以超声波和电磁波两种不同传播方式在同一时刻向未知节点i发送信号，节点i分别在其时钟计时时间及时刻接收到两种不同信号，TDOA测量的到达时间差表示为则有节点间的测量方程关系式及c2分别为超声波和电磁波两种不同方式的信号传播速度，ωi为未知节点i的时钟漂移率；
(4)测量数据收集：节点间所有的TDOA测量到达时间差全部统一发送到服务器或集中式处理器上；
(5)迭代优化估计：在步骤(4)所述的服务器或集中式处理器上进行时间同步和位置坐标参数的迭代优化估计,按如下子步骤进行：
①初始化未知节点位置坐标为所有信标节点位置坐标的平均值，时钟漂移率等于1，误差阈值ε等于10-6及初始化迭代次数K等于0；
②根据步骤(3)所述的测量方程关系式建立估计方法的优化函数，并进行时钟参数和位置坐标的参数估计；
③迭代次数K＝K+1，当迭代次数达到最大值100，停止迭代计算，计算结束进入子步骤⑤；否则以当前的参数估计值迭代优化估计未知节点位置坐标及时钟漂移率；
④根据两次相邻迭代结果的误差估计判断，是否满足误差小于设定阈值ε，若满足，则停止迭代计算进入子步骤⑤；否则更新当前参数估计结果，转入子步骤③进入下一次迭代优化过程；
⑤将当前迭代优化的估计结果作为未知节点位置坐标及时钟漂移率的估计值，计算结束；
(6)坐标图的绘制与时间同步参数标定：在所部署区域的坐标图上，绘制未知节点与信标节点的位置坐标，以估计的未知节点时钟漂移率标定时间同步参数。
以下结合附图用实施例作详细说明：
实施例
图1所示的实施例为在20m×20m的二维平面上的15个传感器节点。其中编号为11～15的5个信标节点分别设置在所部署区域的四角及中心，其位置坐标为(0，0)，(0，20)，(20，0)，(20，20)，(10，10)。编号为1～10的10个未知节点位置坐标是随机设置的，其位置坐标分别为(16.0，17.9),(4.0,1.7),(10,9,1.0),(10.1,15.7),(0.5,8.9),(12.9,10.4),(7.4,18.7),(2.6,17.0),(17.9,3.9),(18.7,5.7)。并且10个未知节点的时钟计时有误差，其时钟漂移率分别为1.03，1.08，0.97，1.15，0.99，0.97，1.19，0.95，0.95，1.13。本发明的目标是通过5个已知的信标节点位置坐标，估计10个未知节点的位置坐标和时钟漂移率。
为实现上述目标，所有15个节点向所部署内的编号为1～10的10个未知节点，以两种不同传播方式发送信号，假设一种为电磁波，其传播速度为c1＝340m/s；另一种传播方式为声波，其传播速度为c2＝3×108m/s。如图2所示的节点j(j＝11,12,…,15)以两种不同信号传播方式向接收节点i(i＝1,2,…,10)在实际时间Tj发送信号过程。考虑在视距关系条件下两种不同方式在空间上的传播后，分别在实际时间Ri,j,1和Ri,j,2被接收节点i收到。实际到达时间Ri,j,1和Ri,j,2之差等于两种不同方式的信号传播时间之差，即有di,j为节点间距离。但由于节点的计时时钟与实际时间有误差，观测的计时时间和与实际时间Ri,j,1和Ri,j,2不一致，根据时钟漂移模型，有关系式此方程建立了了观测到的计时时间与节点间距离、时钟漂移率的关系，因此，可以不依赖于发送节点j的时间同步参数，就能建立时间同步和定位的联合测量方程。
假设图1所示的网络中所有节点与10个未知节点间通过超声波和电磁波两种不同信号传播方式都可以建立测量方程，其中包括信标节点为未知节点间建立的测量方程数量为50个，本身未知节点间建立的测量方程为45个，合计为95个。而未知变量数量包括未知节点位置坐标及时钟漂移率为30个，故测量方程数量远大于变量数量，所描述的时间同步和定位优化问题模型可以被求解，下面介绍采用迭代优化估计方法进行计算。
图3说明了迭代优化估计方法进行时间同步和定位联合处理的计算过程。假设5个信标节点的位置坐标(0，0)，(0，20)，(20，0)，(20，20)，(10，10)为精确的已知值，所有节点都可以与10个未知节点间建立视距关系，进行TDOA测量，建立测量方程。初始化未知节点位置坐标为5个信标节点位置坐标的平均值，时钟漂移率为1，假设误差阈值ε等于10-6及最大迭代次数等于100。根据测量方程建立迭代优化估计方法的优化函数。
根据建立的优化函数和初始化参数，采用迭代求精方法计算下一次迭代优化值。当迭代次数达到最大迭代次数时，停止迭代计算，否则计算下一次迭代计算时的未知节点位置坐标及时钟漂移率。根据两次相邻迭代结果的误差估计判断，是否满足误差小于设定阈值ε；若满足，则停止迭代，否则进入下一次迭代过程。
当最大迭代次数等于100，误差阈值ε等于10-6时，考虑节点间随机的时间测量噪声，图4绘出了图1中10个未知节点的定位结果(图4中标注为三角形的中心位置即为各未知节点的定位位置)。由于噪声的存在，使得定位结果稍有偏离原位置。各节点的偏离大小各有差异，如编号为2、3、5和9的节点的估计误差较大，而其它未知节点的估计误差较小。同时10个未知节点的时钟漂移率估计值分别为1.04，1.08，0.98，1.17，0.99，0.98，1.16，0.94，0.97，1.15，与原始值非常接近。

Claims (1)

1.一种基于时间差测量的传感网时间同步和定位联合处理方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)未知节点的随机部署：为监测某一区域范围内的传感信息，在所监测的区域范围内随机部署1～100个待标定时间同步和位置坐标参数的未知节点；
(2)信标节点的部署与标定：在步骤(1)所述的监测区域内再部署3～10个信标节点，信标节点的位置坐标采用人工标定或GPS方式获取；
(3)TDOA测量：信标节点j以超声波和电磁波两种不同传播方式在同一时刻向未知节点i发送信号，节点i分别在其时钟计时时间及时刻接收到两种不同信号，TDOA测量的到达时间差(TDOA)表示为则有节点间的测量方程关系式c1及c2分别为超声波和电磁波两种不同方式的信号传播速度，ωi为未知节点i的时钟漂移率，di,j为节点间距离；
(4)测量数据收集：节点间所有的TDOA测量到达时间差全部统一发送到服务器或集中式处理器上；
(5)迭代优化估计：在步骤(4)所述的服务器或集中式处理器上进行时间同步和位置坐标参数的迭代优化估计,按如下子步骤进行：
①初始化未知节点位置坐标为所有信标节点位置坐标的平均值，时钟漂移率等于1，误差阈值ε等于10-6及初始化迭代次数K等于0；
②根据步骤(3)所述的测量方程关系式建立估计方法的优化函数，并进行时钟参数和位置坐标的参数估计；
③迭代次数K＝K+1，当迭代次数达到最大值100，停止迭代计算，计算结束进入子步骤⑤；否则以当前的参数估计值迭代优化估计未知节点位置坐标及时钟漂移率；
④根据两次相邻迭代结果的误差估计判断，是否满足误差小于设定阈值ε，若满足，则停止迭代计算进入子步骤⑤；否则更新当前参数估计结果，转入子步骤③进入下一次迭代优化过程；
⑤将当前迭代优化的估计结果作为未知节点位置坐标及时钟漂移率的估计值，计算结束；
(6)坐标图的绘制与时间同步参数标定：在所部署区域的坐标图上，绘制未知节点与信标节点的位置坐标，以估计的未知节点时钟漂移率标定时间同步参数。
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