CN105960020B - 基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，对信标节点和干涉节点进行调频；对无线传感器节点和干涉节点进行部署；规划自主飞行信标节点的移动路径；自主飞行信标节点、干涉节点和传感器节点在MSK调制解调方式和OOK调制解调方式之间切换，使传感器节点采集得到RSS数据；计算传感器节点N自航点1向航点2方向的位置y_N和自航点3向航点4方向的位置x_N，并构建矩阵，通过非线性最小二乘拟合分别计算出y_N和x_N。本发明无需将信号强度转换成距离，有效避免将信号强度转换成距离带来的误差；同时不受射频信号多径传播、天线辐射特性等因素的影响，因此具备更高的定位精度。

Description

基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位 方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络定位方法，具体涉及一种基于无人自主飞行器和多普勒频移效应的无线传感器网络定位方法。

背景技术

无线传感器网络在环境监测、森林防火、智能交通、军事侦察等领域都有着非常广泛的应用前景。在这些应用中，位置都是最基本的上下文信息，没有位置信息的传感信息是毫无意义的。因此在无线传感器网络的发展过程中，定位技术作为其中一个重要分支，一直非常受关注。

定位是指无线传感器网络中的传感器节点通过某种方法或技术，来确定自身的位置。按照未知节点(不知道自身位置、需要定位的传感器节点)与信标节点(已知自身位置的传感器节点)之间是否需要进行实际的距离或方位测量，定位方法可分为基于测距和非测距两大类。基于测距的定位方法利用未知节点与信标节点之间的绝对距离或相对方位测量值计算未知节点的位置。未知节点之间的绝对距离或相对方位主要采用TOA(Time ofArrival)、TDOA(Time Difference of Arrival，中国专利CN104080165A)、AOA(Angle ofArrival，中国专利CN103841641A)、相位测量(中国专利CN101435867A)等方式获得，这些方法虽然能获得较高的定位精度，但需要额外的硬件支持，成本和能耗都较高，且易受噪音、温度、湿度和障碍物等外部环境因素的影响。利用RSS测距(中国专利CN102123495A)虽然无需额外硬件支持，但由于射频信号多径传播及噪声影响，测距与定位误差均较大。非测距定位方法主要依托网络中节点的连通性信息进行定位，从而避免对节点间距离或方位的直接测量，如DV-Hop(中国专利CN104540217A)、基于跳数测距(中国专利CN103167609A)、APIT(Approximate Point-in-triangulation Test，中国专利CN103327603A)、质心定位(中国专利CN102680995A、CN103796306A)、基于球壳交集定位(中国专利CN102170695A)、基于几何关系的垂直正交定位(中国专利CN101285878A)等方法；这类方法对节点硬件要求较低，实现相对简单，成本相对较低，但在定位精度上通常要逊于基于测距的定位方法。

综上所述，现有基于测距的定位方法定位精度较高，但硬件成本与能耗也高，而非测距定位方法无需额外硬件支持，但精度有限。因此迫切需要一种更有效的定位方法来满足实际应用的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有基于接收信号强度(Received SignalStrength，RSS)的定位方法易受射频信号非规则传播影响而导致的定位误差较大的问题,本发明提供一种基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，

步骤1：部署前，关闭信标节点和干涉节点的载波频率同步自校正功能，对信标节点和干涉节点进行调频；对无线传感器节点进行部署，构成一个无线传感器部署区域，将干涉节点部署到无线传感器部署区域中心位置；

步骤2：根据无线传感器部署区域规划自主飞行信标节点的移动路径：将无线传感器部署区域的四个边界点设置为航点1/航点2/航点3/航点4，其中航点1设为起飞点，航点4设置为结束点，将航点1/航点2/航点3/航点4依次连接，形成一个行程轨迹，航点1和航点2的连线与航点3和航点4的连线都经过无线传感器部署区域中心点且相互垂直；

步骤3：自主飞行信标节点以速度v定高沿行程轨迹飞行，每飞行d距离设为一个信标广播位置；

步骤4：自主飞行信标节点、干涉节点和各传感器节点采用MSK调制解调方式，在默认情况下均处于接收状态，每到达一个信标广播位置时：

4.1自主飞行信标节点发送一个包含信标节点位置、速度、飞行方向的信标信号，在发送完信标信号后，自主飞行信标节点切换到OOK调制解调方式，并发送0xff的字节数据；干涉节点在收到信标信号后切换到OOK调制解调方式并发送0xff的字节数据；各传感器节点在收到信标信号后暂存信标信号，同时切换到OOK调制解调方式并以20KHz的频率在0.1秒内采样传感器节点寄存器中的RSS数据，得到干涉频率f，此时保存一组包括信标节点位置、速度、飞行方向、干涉频率f的定位信息；

4.2自主飞行信标节点、干涉节点、传感器节点在切换到OOK调制解调方式0.1秒后，均切换回到MSK调制解调方式，其中干涉节点和传感器节点进入接收状态，一次信标广播结束；

步骤5：信标节点完成航点1到航点2的信标广播后，各传感器节点获得l个虚拟信标对应的位置(x,y_i)、干涉频率f_i及相应的速度v信息后，其中i＝1～l，计算自身航点1向航点2方向的位置y_N：

5.1y_N初始化为无线传感器部署区域中心点的航点1朝向航点2方向的位置；f⁰初始化为l个虚拟信标干涉频率的平均值，即 初始化为无线传感器部署区域航点3到航点4两点间距离的四分之一的平方；

5.2构建1×l的Z_y矩阵和的3×l A_y矩阵：

；

其中为信标节点的载波频率；c为光速；

5.3构建参数矩阵K：

进行非线性最小二乘拟合：

f⁰＝f⁰+K(1)；

y_N＝y_N+K(2)；

通过迭代，如果K(1)²+K(2)²+K(3)²＞0.09且步骤5.3的执行次数少于5次，则重复步骤5.2；否则结束迭代过程，最终的y_N即为传感器节点N自航点1向航点2方向的位置；同理算得传感器节点N自航点3向航点4方向的位置x_N。

在步骤1中，在部署前关闭信标节点和干涉节点的载波频率同步自校正功能，并将静止时信标节点的载波频率和干涉节点的载波频率f^I的差值调整到50Hz到300Hz之间。

在步骤1中，无线传感器部署区域中的传感器节点通常采用飞机空投或炮弹发射的方式随机部署到该区域中。

在步骤1中，所述干涉节点采用飞机空投或炮弹发射的方式部署到传感器区域中心位置。

在步骤4.1中，干涉频率f为在0.1秒内传感器节点采样多个周期的RSS数据，并对其取平均计算得到。

在步骤4.2中，每一次信标广播通过OOK调制解调方式发送0xff的字节数据，

4.2.1从信标节点到一个传感器节点共存在m条路径，则每条路径到达该传感器节点的电场为：

其中：为信标节点发射信号受材料特性影响的反射系数，P_t ^B为信标节点的发射功率，为受辐射特性影响的信标节点发射天线增益，为信标节点到该传感器节点第i条路径的距离，f^B为信标节点的载波频率，为相应的相位；

4.2.2从干涉节点到该传感器节点存在n条路径，则每条路径到达该传感器节点的电场为：

其中：为干涉节点发射信号受材料特性影响的反射系数，P_t ^I为干涉节点的发射功率，为受辐射特性影响的干涉节点发射天线增益，为干涉节点到该传感器节点第j条路径的距离，f^I为干涉节点的载波频率，为相应的相位；

4.2.3该传感器节点接收的总电场E_TOT是上述所有电场的矢量和，相应的接收功率可表示为：

其中：G_r为接收天线增益；λ为2.4GHz电磁波的波长；由上式可知，该传感器节点的接收功率中包含大小为f＝f^B-f^I的频率特征；

4.2.4传感器节点检测到的信标节点在沿途各信标广播位置发射的虚拟信标信号的干涉频率可表示为：

其中：为信标节点静止时的载波频率；为信标节点相对传感器节点运动引起的多普勒频移；θ_i为航点1到航点2的连线与传感器节点到虚拟信标节点的连线的夹角；c为光速； 为传感器节点到航点1到航点2连线的垂直距离。本发明的有益效果是：

(1)只需一个可重复利用的自主飞行信标点和一个干涉节点即可定位无线传感器部署区域内的所有传感器节点，降低了网络硬件成本与信标部署成本；

(2)相比传统的RSS测距定位方法，无需将信号强度转换成距离，有效避免了将信号强度转换成距离带来的误差；

(3)干涉频率信号仅与自主飞行信标节点载波频率、干涉节点载波频率、自主飞行信标节点位置与速度、以及传感器节点位置相关，不受射频信号多径传播、天线辐射特性等因素的影响，因此具备更高的定位精度；

(4)算法简单、计算量小，适用于计算资源受限的无线传感器网络节点。

附图说明

图1为本发明专利的无线传感器网络节点部署与自主飞行信标节点移动路径示意图；

图2为本发明专利步骤4中某传感器节点以20kHz采样频率采集的RSS数据；

图3为图2中RSS数据2048点快速傅里叶转换(FFT)后的幅频谱图；

图4为本发明专利信标节点从航点1由南向北以速度v飞向航点2并广播信标的过程中虚拟信标与某一传感器节点的位置关系示意图；

图5为本发明专利自主飞行信标节点从航点1(0，-50，10)向航点2(0，50，10)以速度5m/s飞行时，位于(20，10，0)的传感器节点检测到的干涉频率；

图6为经本发明专利定位后无线传感器节点的定位位置与实际位置的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

一种基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，自主飞行信标节点、干涉节点、传感器节点的无线芯片均采用TI的CC2500 2.4GHz射频收发器；

步骤1：

1.1在部署前关闭信标节点和干涉节点的载波频率同步自校正功能，并将静止时信标节点的载波频率和干涉节点的载波频率f^I的差值调整到50Hz到300Hz之间；

1.2对无线传感器节点进行部署，构成一个无线传感器部署区域，所述传感器节点通常采用飞机空投或炮弹发射的方式随机部署到该区域中；采用飞机空投或炮弹发射的方式将干涉节点部署到无线传感器部署区域中心位置。

步骤2：

1)将无线传感器部署区域中心位置偏南超出无线传感器部署区域南边界定义为航点1，设为起飞点；将无线传感器部署区域中心位置偏北超出无线传感器部署区域北边界定义为航点2；将无线传感器部署区域中心位置偏西超出无线传感器部署区域西边界定义为航点3；将无线传感器部署区域中心位置偏东超出无线传感器部署区域东边界定义为航点4，设为结束点，即自主降落点；将航点1/航点2/航点3/航点4依次连接，形成一个行程轨迹，航点1和航点2的连线与航点3和航点4的连线都经过无线传感器部署区域中心点，且航点1和航点2的连线与航点3和航点4的连线相互垂直(如图1所示)。

步骤3：

自主飞行信标节点以速度v定高从航点1起飞，沿正北方向飞向航点2，然后从航点2沿西南方向飞向航点3，然后从航点3沿正东方向飞向航点4，在航点4自主降落，每飞行d距离设为一个信标广播位置；信标广播距离d根据定位所需要的精度进行设置，较大的d适合精度要求不高的应用场合，相应的定位计算量较小；而较小的d适合精度要求较高的应用场合，定位计算量相对较大。

步骤4：

自主飞行信标节点、干涉节点和各传感器节点采用MSK(Minimum Shift Keying,最小频移键控)调制解调方式，在默认情况下均处于接收状态，每到达一个信标广播位置时：

4.1在到达图1所示的每一个信标广播位置时，自主飞行信标节点首先发送一个包含自身位置(即信标节点位置)、速度、飞行方向信息的信标信号，其中信标节点位置、速度、飞行方向信息由自主飞行信标节点的飞行控制系统和导航系统提供，在发送完信标信号后，自主飞行信标节点切换到OOK(On-Off Keying，二进制振幅键控)调制解调方式，并发送0xff的字节数据，可实现未调制的2.4GHz载波信号的发射；干涉节点在收到信标信号后切换到OOK调制解调方式并发送0xff的字节数据来实现未调制的2.4GHz载波信号的发射；各传感器节点在收到信标信号后暂存信标信号，同时切换到OOK调制解调方式并以20KHz的频率在0.1秒内采样传感器节点寄存器中的RSS数据；传感器节点通过测量0.1秒内RSS数据的多个波峰的时间周期，并对其去平均计算得到干涉频率f；图2给出了某一传感器节点以20kHz采样频率采集的RSS数据，从图2可以很明显地观测到信标节点和干涉节点载波频率不同而导致的干涉频率；

4.2自主飞行信标节点、干涉节点、传感器节点在切换到OOK调制解调方式0.1秒后，均切换回到MSK调制解调方式，其中干涉节点和传感器节点进入接收状态，一次信标广播结束；在自主飞行信标节点每一次信标广播的过程中：

4.2.1从信标节点到一个传感器节点共存在m条路径，则每条路径到达该传感器节点的电场为：

其中：为信标节点发射信号受材料特性影响的反射系数，P_t ^B为信标节点的发射功率，为受辐射特性影响的信标节点发射天线增益，为信标节点到该传感器节点第i条路径的距离，f^B为信标节点的载波频率，为相应的相位；

4.2.2从干涉节点到该传感器节点存在n条路径，则每条路径到达该传感器节点的电场为：

其中：为干涉节点发射信号受材料特性影响的反射系数，P_t ^I为干涉节点的发射功率，为受辐射特性影响的干涉节点发射天线增益，为干涉节点到该传感器节点第j条路径的距离，f^I为干涉节点的载波频率，为相应的相位；

4.2.3该传感器节点接收的总电场E_TOT是上述所有电场的矢量和，相应的接收功率可表示为：

其中：G_r为接收天线增益；λ为2.4GHz电磁波的波长；由上式可知，该传感器节点的接收功率中包含大小为f＝f^B-f^I的频率特征；从图3给出的RSS数据2048点快速傅里叶转换(FFT)后的幅频谱图也可以进一步确认RSS信号中包含234.4Hz的干涉频率信号。

4.2.4如图4所示，信标节点从航点1由南向北以速度v飞向航点2并广播信标的过程中，传感器节点检测到的信标节点在沿途各信标广播位置发射的虚拟信标信号的干涉频率可表示为：

其中：为信标节点静止时的载波频率；为信标节点相对传感器节点运动引起的多普勒频移；θ_i为图4所示南北航线与传感器节点到虚拟信标节点的夹角；c为光速； 为传感器节点到南北航线的垂直距离。

图5中给出的干涉频率给出了自主飞行信标节点从航点1(0，-50，10)向航点2(0，50，10)以速度5m/s飞行时，位于(20，10，0)的传感器节点检测到的干涉频率。该干涉频率随着信标节点由北向南飞行逐渐变小。由式(1)可知，各传感器节点检测到的干涉频率包含各传感器南北向的位置信息y_N。

步骤5：信标节点完成航点1到航点2的信标广播后，各传感器节点获得l个虚拟信标对应的位置(x,y_i)、干涉频率f_i及相应的速度v信息后，其中i＝1～l，计算自身航点1向航点2方向的位置y_N：

5.1y_N初始化为无线传感器部署区域中心点的南北方向位置；f⁰初始化为l个虚拟信标干涉频率的平均值，即 初始化为无线传感器部署区域航点3到航点4两点间距离的四分之一的平方；

5.2构建1×l的Z_y矩阵和的3×l A_y矩阵：

；

其中为信标节点的载波频率；c为光速；

5.3构建参数矩阵K：

进行非线性最小二乘拟合：

f⁰＝f⁰+K(1)；

y_N＝y_N+K(2)；

通过迭代，如果K(1)²+K(2)²+K(3)²＞0.09且步骤5.3的执行次数少于5次，则重复步骤5.2；否则结束迭代过程，最终的y_N即为传感器节点N南北方向的位置；同理算得传感器节点N自航点3向航点4方向的位置x_N，其中K(1)²+K(2)²+K(3)²≤0.09和步骤5.3的执行次数不少于5次均是根据经验得出的。

如图6所示，将16个无线传感器节点随机部署在80m*80m的无线传感器部署区域内，航点1、航点2、航点3、航点4位置分别为(0m，-80m)、(0m，80m)、(-80m，0m)、(80m，0m)；航线跟踪和信标节点自身定位的均方根误差均为1.2m；飞行信标节点速度跟踪均方根误差为0.2m/s；干涉频率测量均方根误差为0.25Hz；自主飞行信标节点速度为5m/s；虚拟信标广播距离和周期分别为1m和0.2s。由图6可知，本发明提出的定位方法能有效定位各传感器节点的位置，16个无线传感器节点的定位均方根误差小于1.3米。

本发明的具体实施效果为：

(1)只需一个可重复利用的自主飞行信标点和一个干涉节点即可定位无线传感器部署区域内的所有传感器节点，降低了网络硬件成本与信标部署成本；

(2)相比传统的RSS测距定位方法，无需将信号强度转换成距离，有效避免了将信号强度转换成距离带来的误差；

(3)干涉频率信号仅与自主飞行信标节点载波频率、干涉节点载波频率、自主飞行信标节点位置与速度、以及传感器节点位置相关，不受射频信号多径传播、天线辐射特性等因素的影响，因此具备更高的定位精度；

(4)算法简单、计算量小，适用于计算资源受限的无线传感器网络节点。

以上结合附图所描述的实施例仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的保护范围的限定，任何基于本发明精神所做的改进都理应在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，其特征在于：

步骤1：部署前，关闭信标节点和干涉节点的载波频率同步自校正功能，对信标节点和干涉节点进行调频；对无线传感器节点进行部署，构成一个无线传感器部署区域，将干涉节点部署到无线传感器部署区域中心位置；

步骤2：根据无线传感器部署区域规划自主飞行信标节点的移动路径：将无线传感器部署区域的四个边界点设置为航点1/航点2/航点3/航点4，其中航点1设为起飞点，航点4设置为结束点，将航点1/航点2/航点3/航点4依次连接，形成一个行程轨迹，航点1和航点2的连线与航点3和航点4的连线都经过无线传感器部署区域中心点且相互垂直；

步骤3：自主飞行信标节点以速度v定高沿行程轨迹飞行，每飞行d距离设为一个信标广播位置；

步骤4：自主飞行信标节点、干涉节点和各传感器节点采用MSK调制解调方式，在默认情况下均处于接收状态，每到达一个信标广播位置时：

4.1自主飞行信标节点发送一个包含信标节点位置、速度、飞行方向的信标信号，在发送完信标信号后，自主飞行信标节点切换到OOK调制解调方式，并发送0xff的字节数据；干涉节点在收到信标信号后切换到OOK调制解调方式并发送0xff的字节数据；各传感器节点在收到信标信号后暂存信标信号，同时切换到OOK调制解调方式并以20KHz的频率在0.1秒内采样传感器节点寄存器中的RSS数据，得到干涉频率f，此时保存一组包括信标节点位置、速度、飞行方向、干涉频率f的定位信息；

4.2自主飞行信标节点、干涉节点、传感器节点在切换到OOK调制解调方式0.1秒后，均切换回到MSK调制解调方式，其中干涉节点和传感器节点进入接收状态，一次信标广播结束，每一次信标广播通过OOK调制解调方式发送0xff的字节数据：

4.2.1从信标节点到一个传感器节点共存在m条路径，则每条路径到达该传感器节点的电场为：

其中：为信标节点发射信号受材料特性影响的反射系数，P_t ^B为信标节点的发射功率，为受辐射特性影响的信标节点发射天线增益，为信标节点到该传感器节点第i条路径的距离，f^B为信标节点的载波频率，为相应的相位；

4.2.2从干涉节点到该传感器节点存在n条路径，则每条路径到达该传感器节点的电场为：

其中：为干涉节点发射信号受材料特性影响的反射系数，P_t ^I为干涉节点的发射功率，为受辐射特性影响的干涉节点发射天线增益，为干涉节点到该传感器节点第j条路径的距离，f^I为干涉节点的载波频率，为相应的相位；

4.2.3该传感器节点接收的总电场E_TOT是上述所有电场的矢量和，相应的接收功率可表示为：

其中：G_r为接收天线增益；λ为2.4GHz电磁波的波长；由上式可知，该传感器节点的接收功率中包含大小为f＝f^B-f^I的频率特征；

4.2.4传感器节点检测到的信标节点在沿途各信标广播位置发射的虚拟信标信号的干涉频率可表示为：

其中：为信标节点静止时的载波频率；为信标节点相对传感器节点运动引起的多普勒频移；θ_i为航点1到航点2的连线与传感器节点到虚拟信标节点的连线的夹角；c为光速； 为传感器节点到航点1到航点2连线的垂直距离；

步骤5：信标节点完成航点1到航点2的信标广播后，各传感器节点获得l个虚拟信标对应的位置(x,y_i)、干涉频率f_i及相应的速度v信息后，其中i＝1～l，计算自身航点1向航点2方向的位置y_N：

5.1 y_N初始化为无线传感器部署区域中心点的航点1朝向航点2方向的位置；f⁰初始化为l个虚拟信标干涉频率的平均值，即 初始化为无线传感器部署区域航点3到航点4两点间距离的四分之一的平方；

5.2构建1×l的Z_y矩阵和3×l的A_y矩阵：

；

其中为信标节点的载波频率；c为光速；

5.3构建参数矩阵K：

进行非线性最小二乘拟合：

f⁰＝f⁰+K(1)；

y_N＝y_N+K(2)；

通过迭代，如果K(1)²+K(2)²+K(3)²>0.09且步骤5.3的执行次数少于5次，则重复步骤5.2；否则结束迭代过程，最终的y_N即为传感器节点N自航点1向航点2方向的位置；同理算得传感器节点N自航点3向航点4方向的位置x_N。

2.根据权利要求1所述的基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，其特征在于：在步骤1中，在部署前关闭信标节点和干涉节点的载波频率同步自校正功能，并将静止时信标节点的载波频率和干涉节点的载波频率f^I的差值调整到50Hz到300Hz之间。

3.根据权利要求1所述的基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，其特征在于：在步骤1中，无线传感器部署区域中的传感器节点通常采用飞机空投或炮弹发射的方式随机部署到该区域中。

4.根据权利要求1所述的基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，其特征在于：在步骤1中，所述干涉节点采用飞机空投或炮弹发射的方式部署到传感器区域中心位置。

5.根据权利要求1所述的基于多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感网定位方法，其特征在于：在步骤4.1中，干涉频率f为通过测量0.1秒内传感器节点采样的RSS数据的多个波峰的时间周期，并对该时间周期取平均计算得到。