CN106412821A - 一种基于通信距离估计及其在线评估的最小二乘定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于通信距离估计质量在线评估的最小二乘定位方法，涉及精确无线定位技术。本发明是为了解决无线定位环境中，由于噪声和测量误差的影响，引起通信距离估计误差较大，导致定位精度低的问题。本发明所述一种基于通信距离估计质量在线评估的最小二乘定位方法，首先未知节点采用基于nanoLOC的测距方法，获得到各锚节点间的通信距离测量值，并分别对通信距离测量值进行在线滑动平均处理和统计计算，获得各个通信距离估计结果，及其质量评估值；然后在最小二乘定位过程中，选取估计质量较高的几个通信距离估计结果以及它们对应锚节点的位置信息，构建最小二乘定位方程组并解算，实现精确定位；本发明适用于无线和水下环境高精度距离估计。

Description

一种基于通信距离估计及其在线评估的最小二乘定位方法

技术领域

本发明涉及高精度的距离估计和定位技术。

背景技术

在实际定位环境中，由于噪声和测量误差的影响，导致通信距离估计存在较大的误差。通信距离估计结果的质量对于无线定位的精度有着重要的影响，然而目前的定位方法中缺乏考虑通信距离估计质量的高低，从而选择高质量的距离估计值，并以此进行定位计算，从而获得高质量的定位结果，实现定位精度的提升。

发明内容

本发明的目的是为了解决实际无线定位中距离估计误差对无线定位精度的负面影响问题，提供一种基于通信距离估计质量在线评估的最小二乘定位方法。

本发明所述的一种基于通信距离估计质量在线评估的最小二乘定位方法包括以下步骤：

步骤一、一个锚节点初始化后，建立一个无线局域网络，并允许其它无线通信节点加入网络；未知节点和其它锚节点上电初始化后，申请并成功加入该锚节点建立的无线网络；

步骤二、在新的定位点上，未知节点通过其nanoLOC无线收发器向周围的I个锚节点发送测距请求数据包，其中I为正整数，且I≥6，未知节点分别与各个锚节点按照双边对等测距流程，获得与第i个锚节点间的距离测量值d_i,j，其中i为锚节点的序号，为正整数，且1≤ i≤I，j为距离估计值的序号，j为正整数，且1≤j≤J，J为j的最大值；

步骤三、未知节点测量的与各个锚节点间的通信距离值构成通信距离测量值序列，未知节点采用滑动窗口的处理策略，当前距离估计为d_i,j，则过程滑动窗口W_i＝{d_i,j-w+1,d_i,j-w+2,d_i,j-w+3,...,d_i,j}，1≤i≤I，1≤j≤J，w为滑动窗口宽度，w为正整数，且2≤w≤6；

步骤四、未知节点对滑动窗口W_i内的通信距离测量值序列进行滑动滤波处理：如果当前滑动窗口W_i内的通信距离测量值个数n小于w时，否则因而形成滑动平均后的滑动窗口序列W′_i＝{d′_i,j-w+1,d′_i,j-w+2,d′_i,j-w+3,…,d′_i,j}，其中1≤i≤I，1≤j≤J，n为滑动窗口W_i中通信距离测量值的个数，且1≤n≤w。t为锚节点的序号，t为正整数，且j-n+1≤t≤j；

步骤五、未知节点对滑动窗口W_i′内的距离数据进行统计计算，得到其统计均值u_i,j和统计标准差σ_i,j；将统计均值u_i,j作为当前通信距离估计结果统计标准差σ_i,j作为当前通信距离估计结果的质量评估参数：其值越小，表示通信距离估计结果相对于统计均值u_i,j的离散程度较小，表明其估计质量较高；

步骤六、未知节点从I个距离估计值的中，选择6个估计质量最高的距离估计值，即对应的质量评估参数σ_i,j值最小，构成新序列D＝{D₁，D₂，D₃,...,D₆}以及它们对应锚节点的位置信息{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x₆,y₆)},并构造最小二乘定位方程组(1)；并根据最小 二乘准则，获得未知节点的位置估计值

令

则X＝(C^TC)^-1C^TE，完成本次定位，并输出未知节点的位置估计值

步骤七、未知节点判断是否完成预期的定位计算任务，若是，则执行步骤八，否则继续执行步骤二至步骤七，实现后续的通信距离估计及其在线评估，以及最小二乘定位；

步骤八、未知节点停止通信距离估计及其在线评估，以及最小二乘定位。

附图说明

图1为一种基于通信距离估计及其在线评估的最小二乘定位方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种基于通信距离估计质量在线评估的最小二乘定位方法作进一步说明，本实施方式中，系统中的未知节点是位置信息未知，是要定位的节点；锚节点是位置信息已知的节点；它们都具有nanoLOC无线电收发器，可以测量锚节点和未知节点间 无线通信传输所用的传输时间，并通过乘以无线传输的速度，从而得到锚节点和未知节点间的距离d；

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种无线通信传输时间测量异常值消除方法包括以下步骤：

步骤一、一个锚节点初始化后，建立一个无线局域网络，并允许其它无线通信节点加入网络；未知节点和其它锚节点上电初始化后，申请并成功加入该锚节点建立的无线网络；

步骤二、在新的定位点上，未知节点通过其nanoLOC无线收发器向周围的I个锚节点发送测距请求数据包，其中I为正整数，且I≥6，未知节点分别与各个锚节点按照双边对等测距流程，获得与第i个锚节点间的距离测量值d_i,j，其中i为锚节点的序号，为正整数，且1≤i≤I，j为距离估计值的序号，j为正整数，且1≤j≤J，J为j的最大值；

步骤三、未知节点测量的与各个锚节点间的通信距离值构成通信距离测量值序列，未知节点采用滑动窗口的处理策略，当前距离估计为d_i,j，则过程滑动窗口W_i＝{d_i,j-w+1,d_i,j-w+2,d_i,j-w+3,...,d_i,j}，1≤i≤I，1≤j≤J，w为滑动窗口宽度，w为正整数，且2≤w≤6；

步骤四、未知节点对滑动窗口W_i内的通信距离测量值序列进行滑动滤波处理：如果当前滑动窗口W_i内的通信距离测量值个数n小于w时，否则因而形成滑动平均后的滑动窗口序列W′_i＝{d′_i,j-w+1,d′_i,j-w+2,d′_i,j-w+3,…,d′_i,j}，其中1≤i≤I，1≤j≤J，n 为滑动窗口W_i中通信距离测量值的个数，且1≤n≤w。t为锚节点的序号，t为正整数，且j-n+1≤t≤j；

步骤五、未知节点对滑动窗口W_i′内的距离数据进行统计计算，得到其统计均值u_i,j和统计标准差σ_i,j；将统计均值u_i,j作为当前通信距离估计结果统计标准差σ_i,j作为当前通信距离估计结果的质量评估参数：其值越小，表示通信距离估计结果相对于统计均值u_i,j的离散程度较小，表明其估计质量较高；

步骤六、未知节点从I个距离估计值的中，选择6个估计质量最高的距离估计值，即对应的质量评估参数σ_i,j值最小，构成新序列D＝{D₁，D₂，D₃,...,D₆}以及它们对应锚节点的位置信息{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x₆,y₆)},并构造最小二乘定位方程组(1)；并根据最小二乘准则，获得未知节点的位置估计值

令

则X＝(C^TC)^-1C^TE，完成本次定位，并输出未知节点的位置估计值

步骤七、未知节点判断是否完成预期的定位计算任务，若是，则执行步骤八，否则继续执行步骤二至步骤七，实现后续的通信距离估 计及其在线评估，以及最小二乘定位；

步骤八、未知节点停止通信距离估计及其在线评估，以及最小二乘定位。

具体实施方案三，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于通信距离估计质量在线评估的最小二乘定位方法作进一步说明，本实施方式中，共有1个未知节点，I个锚节点，I为整数，这里I值取8；

具体实施方案四，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于通信距离估计质量在线评估的最小二乘定位方法作进一步说明，j为距离估计值的序号且为正整数，J为j的最大值，本发明中J取值为1000；

具体实施方案五，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于通信距离估计质量在线评估的最小二乘定位方法作进一步说明，设定滑动窗口宽度为w，w为正整数，且2≤w≤6；本发明中w值取4，初始滑动窗口为空集，即没有数据值；

具体实施方案六，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于通信距离估计质量在线评估的最小二乘定位方法作进一步说明，本实施方式中，利用滑动窗口处理策略，实现通信距离在线估计，并利用距离估计结果的优化选择，实现高质量的最小二乘定位。相对普通的最小二乘定位方法，定位精度可提高20％-50％。该方法适用于无线环境中定位技术领域，同时还可以扩展到水下的定位技术应用中。

Claims (5)

1.一种基于通信距离估计及其在线评估的最小二乘定位方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一、一个锚节点初始化后，建立一个无线局域网络，并允许其它无线通信节点加入网络；未知节点和其它锚节点上电初始化后，申请并成功加入该锚节点建立的无线网络；

步骤二、在新的定位点上，未知节点通过其nanoLOC无线收发器向周围的I个锚节点发送测距请求数据包，其中I为正整数，且I≥6，未知节点分别与各个锚节点按照双边对等测距流程，获得与第i个锚节点间的距离测量值d_i,j，其中i为锚节点的序号，为正整数，且1≤i≤I，j为距离估计值的序号，j为正整数，且1≤j≤J，J为j的最大值；

步骤三、未知节点测量的与各个锚节点间的通信距离值构成通信距离测量值序列，未知节点采用滑动窗口的处理策略，当前距离估计为d_i,j，则过程滑动窗口W_i＝{d_i,j-w+1,d_i,j-w+2,d_i,j-w+3,...,d_i,j}，1≤i≤I，1≤j≤J，w为滑动窗口宽度，w为正整数，且2≤w≤6；

步骤四、未知节点对滑动窗口W_i内的通信距离测量值序列进行滑动滤波处理：如果当前滑动窗口W_i内的通信距离测量值个数n小于w时，否则因而形成滑动平均后的滑动窗口序列W′_i＝{d′_i,j-w+1,d′_i,j-w+2,d′_i,j-w+3,…,d′_i,j}，其中1≤i≤I，1≤j≤J，n为滑动窗口W_i中通信距离测量值的个数，且1≤n≤w，t为锚节点的序号，t为正整数，且j-n+1≤t≤j；

步骤五、未知节点对滑动窗口W_i′内的距离数据进行统计计算，得到其统计均值u_i,j和统计标准差σ_i,j；将统计均值u_i,j作为当前通信 距离估计结果统计标准差σ_i,j作为当前通信距离估计结果的质量评估参数：其值越小，表示通信距离估计结果相对于统计均值u_i,j的离散程度较小，表明其估计质量较高；

步骤六、未知节点从I个距离估计值的中，选择6个估计质量最高的距离估计值，即对应的质量评估参数σ_i,j值最小，构成新序列D＝{D₁，D₂，D₃,...,D₆}以及它们对应锚节点的位置信息{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x₆,y₆)},并构造最小二乘定位方程组(1)；并根据最小二乘准则，获得未知节点的位置估计值

令

则X＝(C^TC)^-1C^TE，完成本次定位，并输出未知节点的位置估计值

步骤七、未知节点判断是否完成预期的定位计算任务，若是，则执行步骤八；否则继续执行步骤二至步骤七，实现后续的通信距离估计及其在线评估，以及最小二乘定位；

步骤八、未知节点停止通信距离估计及其在线评估，以及最小二乘定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于通信距离估计及其在线评估 的最小二乘定位方法作进一步说明，系统中的未知节点是位置信息未知，要定位的节点；锚节点是位置信息已知的节点；它们都具有nanoLOC无线电收发器，可以测量锚节点和未知节点间的距离；系统中共有1个未知节点，I个锚节点，其中I为正整数，且I≥6，本发明中I值取8。

3.根据权利要求1所述的一种基于通信距离估计及其在线评估的最小二乘定位方法作进一步说明，j为距离估计值的序号，J为j的最大值，本发明中J取值为1000。

4.根据权利要求1所述的一种基于通信距离估计及其在线评估的最小二乘定位方法作进一步说明,设定滑动窗口宽度为w，w为正整数，且2≤w≤6；本发明中w值取4，初始滑动窗口为空集，即没有数据值。

5.根据权利要求1所述的一种基于通信距离估计及其在线评估的最小二乘定位方法作进一步说明,其特征在于利用滑动窗口处理策略，实现通信距离在线估计，并利用距离估计结果的优化选择，实现高精度的最小二乘定位。