CN106842117B - 一种基于双向精密测距的异步自组网定位系统和定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于双向精密测距的异步自组网定位系统和定位方法，属于无线通信定位领域。本发明的定位系统由1个数据处理中心与若干节点终端组成。其中，各节点终端结构、功能完全相同，均由测距模块、路由模块、供电模块和逻辑控制模块组成。该系统融合线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum，CSS)测距技术与ZigBee自组网技术，基于跳数最小原则优选定位节点，实现新节点的自主接入与定位。该系统成本低、功耗小、定位时间短、适用性广，尤其可解决恶劣地理环境下的群体间高精度定位问题。
Description
技术领域
本发明属于无线通信定位领域，涉及一种融合基于CSS的SDS-TWR精密测距与ZigBee自组网技术的异步自组网定位系统及定位方法。
背景技术
现有的定位技术对于基础设施的依赖使得其在诸如没有卫星、没有移动通信等基础设施、盲区、月球、火星表面等恶劣信息环境下难以满足定位的需求。考虑以下可能发生在恶劣信息环境下的情况：火灾救援中，消防员对位置通信有需求，但基础的室内定位设施已经被毁坏，这是快速的布置定位系统是非常关键的。战争时期如现代战争巷战、丛林作战等，快速、便捷的定位往往是制胜的关键，而在卫星的定位系统被摧毁的或者定位精度不高的情况下，此时就需要一套精准便捷的定位系统。单独的zigbee系统由于其组网功能强大具备快速布置便捷定位系统的能力，但目前已有的zigbee定位系统大多采用RSSI定位算法，基于射频信号强弱的RSSI定位算法，是一种常见的基于射频信号强弱来测试距离的定位方法。它的定位原理是：已知信标节点的发射强度，盲节点在接收到信标节点的信号时，测量出当前发射信号的强度，根据前后的信号强度差(耗损强度)计算出信标节点和盲节点的间距，由于传感器节点本身具有信号的无线收发能力，我们仅需测量出信号的耗损强度就可以实现测距，因此RSSI是一种易实现、低成本的测距算法。但在实际的无线传感器定位网络中，反射、多径传播、非视距、天线增益等问题都会对信号强度的损耗造成影响。因此RSSI也是一种粗糙的测距算法，其在实际应用中的定位精度比较低。由于以上原因，造成现有的zigbee定位系统具有定位精度不高(实用中3-20米误差)，环境适应差，容易受外界干扰，无法在工程中应用等缺点。
发明内容
本发明针对复杂环境下对于快速定位的要求，提出了一种基于双向精密测距的异步自组网定位系统，该系统包括数据处理中心、基于ZigBee技术的自组织网络，基于CSS技术的测距模块和具有定位标签的终端设备。本系统利用CSS技术在恶劣环境下测距精度高的优势与ZigBee技术的自组网能力，通过快捷布置锚节点的方法达到快速、精确定位的目的。
本发明通过以下技术方案来实现：一种基于双向精密测距的异步自组网定位系统，包括数据处理中心和多个节点终端，所述节点终端包括至少3个主锚节点和标签节点，从主锚节点中任选一个作为路由管理器，每个节点终端结构相同，均包括测距模块、路由模块、供电模块和逻辑控制模块，
作为路由管理器的主锚节点的路由模块用于建立网络，将测距指令和所有主锚节点的ID发送至标签节点的路由模块；同时还用于将所有标签节点修正后的测距值和网络拓扑结构信息通过串口输出至数据处理中心；
标签节点的路由模块用于接收作为路由管理器的主锚节点的路由模块发送的测距指令和所有主锚节点的ID并发送至自身的逻辑控制模块，同时还用于将修正后的测距值输出至作为路由管理器的主锚节点的路由模块；
标签节点的测距模块用于接收测距指令和所有主锚节点的ID，并根据测距指令通过SDS-TWR算法完成标签节点与主锚节点的测距，获得标签节点和所有主锚节点之间的测距值，将测距值发送至自身逻辑控制模块；
标签节点的逻辑控制模块用于向自身测距模块发送测距指令；同时还用于对收到的测距值进行误差修正，将修正后的测距值输出至自身路由模块；
数据处理中心用于将测距指令输出至主锚节点的路由模块；同时还用于接收修正后的测距值，并运用线性化最小二乘法将标签节点的位置解出，将解出的位置作为伪测量值构造一个线性系统后，用线性卡尔曼滤波算法完成标签节点的定位解算。
其中，测距模块采用CSS SDS-TWR双向测距体制，路由模块采用ZigBee路由协议，逻辑控制模块采用加权时钟频偏修正矩阵对测距模块输出的测距值进行误差修正。
一种基于双向精密测距的异步自组网定位方法，包括以下步骤：
(1)根据实际地理条件搭建至少三个主锚节点，在搭建的主锚节点中任选其中一个主锚节点作为路由管理器，将作为路由管理器的主锚节点通过串口与数据处理中心连接，并在数据处理中心录入所有主锚节点的位置信息；
(2)作为路由管理器的主锚节点开始建立网络，其余主锚节点入网，形成初始网络拓扑结构；
(3)标签节点加入该初始网络拓扑结构形成新的网络拓扑结构；
(4)作为路由管理器的主锚节点向标签节点发送测距指令和所有主锚节点的ID；
(5)标签节点收到测距指令后，通过SDS-TWR算法完成测距，获得标签节点和所有主锚节点之间的测距值，将所有测距值分别进行修正；
(6)标签节点将修正后的测距值发送给作为路由管理器的主锚节点；
(7)作为路由管理器的主锚节点将所有修正后的测距值和网络拓扑结构信息通过串口导入数据处理中心；
(8)数据处理中心收到修正后的测距值后，运用线性化最小二乘法将标签节点的位置解出；
(9)数据处理中心将步骤(8)中解出的位置作为伪测量值构造一个线性系统后，用线性卡尔曼滤波算法完成标签节点的定位解算。
其中，步骤(9)之后还包括：随着新入网标签节点与主锚节点距离的增加及环境的复杂度增加，数据处理中心根据网络拓扑结构信息选出至少三个标签节点作为从锚节点，选出从锚节点后再入网的标签节点基于跳数最小原则直接向从锚节点或者主锚节点发出测距请求，重复步骤(3)至步骤(9)的过程，从而完成较精准的定位；所述的从锚节点为与作为路由管理器的主锚节点间隔跳数相同的同一层已定位的标签节点。
其中，所述基于跳数最小原则为：标签节点与锚节点之间跳数最少，所述锚节点包括主锚节点和从锚节点。
其中，步骤(2)所述的作为路由管理器的主锚节点开始建立网络，具体为：主锚节点通过ZigBee协议建立网络。
其中，步骤(5)所述的将所有测距值分别进行修正，具体为：采用加权时钟频偏修正矩阵对测距值进行误差修正。
本发明相比背景技术的优点：
本发明提出的一种基于双向精密测距的异步自组网定位系统及方法，无需获得先验知识就可以实现系统内节点的高精度定位，且组网灵活；可实现区域内快速布署，同时保证了定位的实时性与定位精度。
附图说明
图1是SDSTWR算法的流程图；
图2是本发明的定位系统结构框图；
图3是本发明的定位系统锚节点和标签节点分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。
线性调频扩频技术(CSS)
CSS技术又称线性调频扩频技术，是Chirp Spread Spectrum的简称。CSS技术的基本原理是采用Chirp信号(即线性调频扩频信号)来承载数据符号，因为Chirp信号是宽带信号，所以使用Chirp信号来表示数据符号可以达到扩展带宽的目的。CSS技术除了具有传统扩频信号的抗衰减能力好、保密性好、处理增益大等优点外，在应用于复杂环境无线定位上还具有如多径分辨能力强、抗噪声能力强、受频偏影响小、发射瞬时功率低等优势。
SDS-TWR测距算法
双边双路对称测量法(Double-Sided Two-Way Ranging)，是一种类似于TOA的定位测距方式，根据消息包在发射节点和接收节点之间进行双向传输的时间来推算出到两个通信节点间的距离，无需通信节点间时钟达到严格同步，系统对硬件的要求降低，有效避免因时钟不同步带来的误差。SDS-TWR测距过程中数据包的传输方式如图1所示，在第一个周期中，节点A先向节点B发送一个数据包，当节点B收到该数据包后进行处理，产生一个处理时延TreplyA，同时节点B向节点A发送硬件确认包，这是第一个测量周期TroundA。第二个周期类似于第一周期，在节点B向节点A发送硬件确认包之后，节点B将会发送一个数据包给节点A，数据包中包含节点B的处理时延TreplyB，节点A在处理B发来的数据包之后会向节点B发送硬件确认包，这个周期称为TroundB，最后节点B将第二个测距周期的时间发给节点A，节点A在获得这几个测量值之后，即可计算出A、B之间的距离值。两节点之间的距离可以用下面的公式表示为：
卡尔曼滤波定位算法
计算系统定位模型需要简单介绍系统中锚节点和标签节点的概念，锚节点指的是无线网络中的固定节点，标签节点指的是待定位的移动目标。若系统中有N 个锚节点，则通过处理这N个锚节点对标签节点的测距值，以实现对标签节点的定位。在本系统中，如果直接利用锚节点与标签节点之间得到的测距信息进行卡尔曼滤波跟踪定位，则所建立的系统将是一个非线性系统。而本系统在实时定位的角度上，希望定位延迟尽可能的减小，基于此，本系统将利用线性化最小二乘法的解作为伪测量值，构造一个线性系统，以降低滤波算法的复杂度，以尽量实现实时定位的目的。
如图2所示，一种基于双向精密测距的异步自组网定位系统，包括数据处理中心和多个节点终端，所述节点终端包括至少3个主锚节点和标签节点，从主锚节点中任选一个作为路由管理器。每个节点终端结构、功能完全相同，均包括测距模块、路由模块、供电模块和逻辑控制模块。各模块的功能如下：测距模块完成标签节点与主锚节点的测距功能，路由管理模块完成路由管理及信息的转发，供电模块为其它模块提供供电服务，逻辑控制模块辅助协调控制各个模块。
实施例中，逻辑控制模块由单片机微处理器及最小系统构建得到，测距模块采用CSS双向测距体制，具体为CSS无线模块；路由模块采用ZigBee路由协议，具体为ZigBee无线模块；本发明节点终端分别可以作为ZigBee组网的协调器、路由器及终端。各部分的连接方式为：单片机微处理器通过SPI控制CSS无线模块，ZigBee无线模块与单片机微处理器通过串口相连，最后作为ZigBee协调器的节点终端通过RS232与数据处理中心进行串口通信。Zigbee无线模块起到了自组网、构建网络拓扑结构、发起测距命令指定测距目标、传输测距值等功能。CSS无线模块选用的测距算法为SDS-TWR算法，本发明在该算法的基础上，考虑到节点终端的时钟偏频产生的时延误差，在定位算法处理上采用加权思想将测距误差考虑在内，能在一定程度上提高定位精度。
下面以系统中有3个主锚节点为例详细说明本发明的实施过程。一种基于双向精密测距的异步自组网定位方法，包括以下步骤：
1、首先根据实际地理条件在适当位置搭建三个主锚节点，任选其中一个主锚节点作为路由管理器，通过串口与数据处理中心连接，并在数据处理中心录入锚节点精确位置信息；
2、系统加电开机工作，作为路由管理器的主节点即ZigBee协调器开始建立网络，其余两个主锚节点进行入网，形成初始网络拓扑结构；
3、标签节点通过ZigBee模块入网，ZigBee协调器更新形成新的网络拓扑结构，并向标签节点发送测距指令并附带三个主锚节点的ID作为ZigBee模块测距对象；
4、标签节点上的ZigBee模块收到测距指令后通过串口控制单片机微处理器调用CSS模块开始向指定ID的主锚节点发起测距请求；
5、主锚节点上的CSS模块收到测距请求后配合并通过SDS-TWR算法完成测距返回测距值至标签节点；
6、标签节点的单片机微处理器模块收到测距值后，采用加权时钟频偏修正矩阵对测距值进行误差修正，将修正后的测距值通过串口发送到自身ZigBee模块，由自身ZigBee模块将修正后的测距值经过ZigBee网络发送给ZigBee协调器；
7、ZigBee协调器将修正后的测距值通过RS232导入数据处理中心；
8、数据处理中心收到修正后的测距值后，运用线性化最小二乘法将节点位置解出，进一步将此解作为伪测量值构造一个线性系统后用线性卡尔曼滤波算法完成节点的定位解算；
9、重复步骤3至步骤6的过程，随着新入标签节点与主锚节点距离的增加及环境的复杂度增加，导致标签节点与主锚节点测距距离不够或者非视距误差过大，如图3所示，此时数据处理中心根据网络拓扑结构将与ZigBee协调器间隔跳数相同的同一层已定位的标签节点作为从锚节点，之后再入网的节点即可基于跳数最小原则直接向从锚节点请求测距从而完成较精准的定位。
Claims (7)
1.一种基于双向精密测距的异步自组网定位系统，包括数据处理中心和多个节点终端，所述节点终端包括至少3个主锚节点和标签节点，从主锚节点中任选一个作为路由管理器，其特征在于：每个节点终端结构相同，均包括测距模块、路由模块、供电模块和逻辑控制模块，
作为路由管理器的主锚节点的路由模块用于建立网络，将测距指令和所有主锚节点的ID发送至标签节点的路由模块；同时还用于将所有标签节点修正后的测距值和网络拓扑结构信息通过串口输出至数据处理中心；
标签节点的路由模块用于接收作为路由管理器的主锚节点的路由模块发送的测距指令和所有主锚节点的ID并发送至自身的逻辑控制模块，同时还用于将修正后的测距值输出至作为路由管理器的主锚节点的路由模块；
标签节点的测距模块用于接收测距指令和所有主锚节点的ID，并根据测距指令通过SDS-TWR算法完成标签节点与主锚节点的测距，获得标签节点和所有主锚节点之间的测距值，将测距值发送至自身逻辑控制模块；
标签节点的逻辑控制模块用于向自身测距模块发送测距指令；同时还用于对收到的测距值进行误差修正，将修正后的测距值输出至自身路由模块；
数据处理中心用于将测距指令输出至主锚节点的路由模块；同时还用于接收修正后的测距值，并运用线性化最小二乘法将标签节点的位置解出，将解出的位置作为伪测量值构造一个线性系统后，用线性卡尔曼滤波算法完成标签节点的定位解算。
2.根据权利要求1所述的一种基于双向精密测距的异步自组网定位系统，其特征在于：所述测距模块采用CSS SDS-TWR双向测距体制，路由模块采用ZigBee路由协议，逻辑控制模块采用加权时钟频偏修正矩阵对测距模块输出的测距值进行误差修正。
3.一种基于双向精密测距的异步自组网定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据实际地理条件搭建至少三个主锚节点，在搭建的主锚节点中任选其中一个主锚节点作为路由管理器，将作为路由管理器的主锚节点通过串口与数据处理中心连接，并在数据处理中心录入所有主锚节点的位置信息；
(2)作为路由管理器的主锚节点开始建立网络，其余主锚节点入网，形成初始网络拓扑结构；
(3)标签节点加入该初始网络拓扑结构形成新的网络拓扑结构；
(4)作为路由管理器的主锚节点向标签节点发送测距指令和所有主锚节点的ID；
(5)标签节点收到测距指令后，通过SDS-TWR算法完成测距，获得标签节点和所有主锚节点之间的测距值，将所有测距值分别进行修正；
(6)标签节点将修正后的测距值发送给作为路由管理器的主锚节点；
(7)作为路由管理器的主锚节点将所有修正后的测距值和网络拓扑结构信息通过串口导入数据处理中心；
(8)数据处理中心收到修正后的测距值后，运用线性化最小二乘法将标签节点的位置解出；
(9)数据处理中心将步骤(8)中解出的位置作为伪测量值构造一个线性系统后，用线性卡尔曼滤波算法完成标签节点的定位解算。
4.根据权利要求3所述的一种基于双向精密测距的异步自组网定位方法，其特征在于：步骤(9)之后还包括：随着新入网标签节点与主锚节点距离的增加及环境的复杂度增加，数据处理中心根据网络拓扑结构信息选出至少三个标签节点作为从锚节点，选出从锚节点后再入网的标签节点基于跳数最小原则直接向从锚节点或者主锚节点发出测距请求，重复步骤(3)至步骤(9)的过程，从而完成较精准的定位；所述的从锚节点为与作为路由管理器的主锚节点间隔跳数相同的同一层已定位的标签节点。
5.根据权利要求3所述的一种基于双向精密测距的异步自组网定位方法，其特征在于：所述基于跳数最小原则为：标签节点与锚节点之间跳数最少，所述锚节点包括主锚节点和从锚节点。
6.根据权利要求3所述的一种基于双向精密测距的异步自组网定位方法，其特征在于：步骤(2)所述的作为路由管理器的主锚节点开始建立网络，具体为：主锚节点通过ZigBee协议建立网络。
7.根据权利要求3所述的一种基于双向精密测距的异步自组网定位方法，其特征在于：步骤(5)所述的将所有测距值分别进行修正，具体为：采用加权时钟频偏修正矩阵对测距值进行误差修正。
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