CN109581293A

CN109581293A - Toa定位系统锚节点快速高精度部署方法

Info

Publication number: CN109581293A
Application number: CN201811421424.XA
Authority: CN
Inventors: 李银伢; 戚国庆; 盛安冬
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2019-04-05

Abstract

本发明公开了一种TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，包括以下步骤：建立TOA定位系统公共定位坐标系：任意选取TOA定位系统中三个非共线节点作为锚节点，分别标识为A；B；C，且使C位于直线AB的上方；确定TOA定位系统前两个锚节点坐标；确定TOA定位系统第三个锚节点坐标；确定TOA定位系统第四个锚节点坐标。本发明提出的锚节点部署方法简单、高效、成本低，环境适应能力强，仅需要一台小型手持式激光测距仪，即可实现上述环境下TOA定位系统锚节点的快速高精度部署。

Description

TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法

技术领域

本发明涉及传感网络定位领域，特别是一种TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法。

背景技术

基于TOA的传感网络定位技术在侦察、搜救、勘探等诸多领域有着广阔的应用前景。在定位初始化阶段，TOA定位系统必须事先部署一些用来作为定位其它节点或目标的基础节点，称之为锚节点，而锚节点的部署精度在很大程度上决定了整个定位系统的定位精度。

在室外GPS等卫星信号可以有效获取的条件下，TOA定位系统通常采用GPS或其差分信号并辅以其它测量手段进行锚节点部署。在GPS信号不可靠、信号阻挡或拒止环境下，如室内、岩洞、森林、峡谷等区域，上述基于GPS信号的锚节点部署方法无法有效运用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，解决传统方法在室内、岩洞、森林等GPS信号拒止环境下无法有效运用的问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，包括以下步骤：

第一步，建立TOA定位系统公共定位坐标系：任意选取TOA定位系统中三个非共线节点作为锚节点，分别标识为A，B，C，且使C位于直线AB的上方；

第二步，确定TOA定位系统前两个锚节点坐标；

第三步，确定TOA定位系统第三个锚节点坐标；

第四步，确定TOA定位系统第四个锚节点坐标。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明提出的锚节点部署方法简单、高效、成本低，环境适应能力强，仅需要一台小型手持式激光测距仪，即可实现上述环境下TOA定位系统锚节点的快速高精度部署。

附图说明

图1为TOA定位系统坐标系及锚节点相对位置几何示意图。

图2为TOA定位系统锚节点部署流程图。

图3为TOA定位系统锚节点C部署精度等值线图。

图4为TOA定位系统锚节点D部署精度等值线图。

具体实施方式

本发明提出一种到达时间(TOA)定位系统锚节点快速高精度部署方法，在GPS信号不可靠、信号阻挡或拒止条件下，基于手持式高精度小型激光测距仪，首先合理地建立公共定位坐标系统，然后按照一定的次序，进行锚节点部署及其位置坐标解算。当部署完TOA定位系统前四个锚节点后，依据TOA定位系统在一般条件下，至少需要部署四个锚节点才能唯一确定其它节点或目标位置坐标的特性，即完成了TOA定位系统的锚节点部署。

一种TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，包括以下步骤：

第一步：建立TOA定位系统公共定位坐标系

任意选取TOA定位系统中三个非共线节点作为锚节点，分别标识为A，B，C，且使C位于直线AB的上方。公共坐标系Axyz建立过程如下：

1.以A为公共坐标系原点，通过AB的直线为x轴；

2.定义在平面ABC内，过原点A且垂直x轴的直线为y轴；

3.依据已定义好的x轴和y轴，由右手定则确定z轴。

第二步：确定TOA定位系统前两个锚节点坐标

计算TOA定位系统锚节点A，B的位置坐标，具体方法如下：

1.锚节点A为坐标原点，其坐标为：A(0，0，0)；

2.在锚节点A处，通过手持式高精度小型激光测距仪测量A，B两个锚节点之间的距离，记为d_AB，确定锚节点B的坐标：B(d_AB，0，0)。

第三步：确定TOA定位系统第三个锚节点坐标

计算TOA定位系统锚节点C的位置坐标，具体方法如下：

1.在锚节点C处，通过手持式高精度小型激光测距仪分别测量锚节点C，A和锚节点C，B之间的距离，记为d_CA和d_CB；

2.按下式计算锚节点C的位置坐标：

3.确定锚节点C的位置坐标为：B(x_C，y_C，0)。

第四步：确定TOA定位系统第四个锚节点坐标

依据前三个锚节点A，B，C的位置坐标，计算第四个锚节点坐标。选取或部署一个节点显著位于平面ABC上方或下方的节点作为第四个锚节点，标识为D，其坐标计算方法如下：

1.在锚节点D处，通过手持式高精度小型激光测距仪分别测量锚节点D，A、锚节点D，B和锚节点D，C之间的距离，记为d_DA，d_DB和d_DC；

2.按下式计算锚节点D的坐标：

3.判定锚节点D对应的z轴坐标符号：通过观测，若锚节点D在平面ABC之上，取正号，其坐标为：否则取负号，其坐标为：

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

TOA定位系统公共坐标系及锚节点相对位置几何示意图见图1，锚节点部署流程图见图2。在该公共坐标系中，锚节点A位于坐标原点，锚节点B位于x轴上，其坐标通过测量节点A，B之间的距离即可确定。

锚节点C的坐标计算原理如下：在xAy平面内，锚节点A，B，C满足如下方程：

联立上述方程(1)和(2)，解之得

锚节点D的坐标计算原理为：在Axuz坐标系中，四个锚节点A，B，C，D满足如下几何关系方程：

联立上述方程(5)-(7)，解之可得

锚节点D对应的z轴坐标符号依据其在坐标平面xAy上的位置关系即可确定。在选取或部署锚节点D时，可选取或部署锚节点D显著位于坐标平面xAy的上面或下面，从而确定实际的锚节点D对应的z轴坐标符号。

现对该TOA定位系统锚节点部署方法进行精度分析。为表述简便，定义后三个部署节点B，C，D的三维坐标向量分别为

p_i＝[x_i，y_i，z_i]T，i＝1，2，3 (11)

锚节点A的坐标向量标识为p_A。假定手持式激光测距传感器的测量误差相互独立且服从正态分布，在坐标系xyz中，可建立如下传感器测量方程

η_i＝h_i(p_i)+ω_i，i＝1，2，3 (12)

其中为传感器测量误差，满足R_i＝σ²I_i为测量误差协方差矩阵；σ为激光测距传感器的测距精度，I_i为维数为i的单位矩阵；为对应第i个部署锚节点的距离测量向量，具体表达式如下：

η₁＝d_BA，η₂＝[d_CA，d_CB]^T，η₃＝[d_DA，d_DB，d_DC]^T (13)

相应地，观测函数向量h_i(p_i)表达式如下：

h₂(p₂)＝[||p₂-p_A||，||p₂-p₁||]^T (15)

h₃(p₃)＝[||p₃-p_A||，||p₃-p₁||，||p₃-p₂||]^T (16)

第i个部署锚节点对应的对数似然函数为

式(17)中γ₀＝ln((2π)^i/2|R_i|^1/2)为常量。

定义该技术方案中第i个锚节点部署对应的费歇尔信息矩阵(FIM)为J_i，，有

对(17)式中的对数似然函数求梯度，有

将(19)式代入(18)式，注意到R_i＝σ²I_i，可得

其中具体表达式如下：

H₁＝(p₁-p_A)/||p₁-p_A|| (21)

H₂＝[(p₂-p_A)/||p₂-p_A||，(p₂-p₁)/||p₂-p₁||] (22)

H₃＝[(p₃-p_A)/||p₃-p_A||，(p₃-p₁)/||p₃-p₁||，(p₃-p₂)/||p₃-p₂||] (23)

相应的几何精度因子(GDOP)定义为

其中tr{·}表示求括弧中矩阵的迹,表示取矩阵J_i的1至i行和1至i列构成的矩阵。

综合以上分析，因锚节点A位于坐标原点，故其几何精度因子GDOP_A＝0；锚节点B位于x坐标轴上，故其几何精度因子计算可得GDOP_B＝GDOP₁＝σ。锚节点C，D的几何精度因子按(24)式计算分别为：GDOP_C＝GDOP₂；GDOP_D＝GDOP₃。

下面结合实施例对部署精度进行说明。

实施例

TOA定位系统坐标系及锚节点相对位置几何示意图见图1。假定手持式激光测距仪测距精度为：σ＝0.001m。

(1)锚节点A位于坐标原点，在该坐标系下，其几何精度因子GDOP_A＝0。锚节点B位于x坐标轴上，其坐标为B(x_B，0，0)，部署精度GDOP_B＝GDOP₁＝σ，与坐标x_B的值无关。

(2)锚节点C位于坐标平面xAy内，其坐标为B(x_C，y_C，0)，锚节点B坐标为B(150，0，0)。考察在平面xAu内x_C∈[-200，200]，y_C∈(0，200]范围的部署精度。同理，依据公式(24)，计算出的部署精度等值曲线见图3。

(3)锚节点D位于三维坐标系Axyz中，坐标为D(x_D，y_D，z_D)，B，C坐标分别为B(150，0，0)，C(80，100，0)。考察在平面z_D＝15内x_D∈[0，200]，y_D∈(0，200]范围的部署精度，依据公式(24)，计算出的部署精度等值曲线见图4。

Claims

1.一种TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，其特征在于，包括以下步骤：

第二步，确定TOA定位系统前两个锚节点坐标；

第三步，确定TOA定位系统第三个锚节点坐标；

第四步，确定TOA定位系统第四个锚节点坐标。

2.根据权利要求1所述的TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，其特征在于，第一步中公共定位坐标系建立过程为：

以A为公共坐标系原点，通过AB的直线为x轴；

定义在平面ABC内，过原点A且垂直x轴的直线为y轴；

依据已定义好的x轴和y轴，由右手定则确定z轴。

3.根据权利要求2所述的TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，其特征在于，第二步中，计算TOA定位系统锚节点A，B的位置坐标，具体方法如下：

锚节点A为坐标原点，其坐标为：A(0，0，0)；

在锚节点A处，通过激光测距仪测量A，B两个锚节点之间的距离，记为d_AB，确定锚节点B的坐标：B(d_AB，0，0)。

4.根据权利要求3所述的TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，其特征在于，第三步中，计算TOA定位系统锚节点C的位置坐标，具体方法如下：

在锚节点C处，通过激光测距仪分别测量锚节点C，A和锚节点C，B之间的距离，记为d_CA和d_CB；

按下式计算锚节点C的位置坐标：

确定锚节点C的位置坐标为：C(x_C,y_C,0)。

5.根据权利要求4所述的TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，其特征在于，第四步具体为：

依据前三个锚节点A，B，C的位置坐标，计算第四个锚节点坐标；选取或部署一个节点显著位于平面ABC上方或下方的节点作为第四个锚节点，标识为D，其坐标计算方法如下：

在锚节点D处，通过激光测距仪分别测量锚节点D，A、锚节点D，B和锚节点D，C之间的距离，记为d_DA，d_DB和d_DC；

按下式计算锚节点D的坐标：

判定锚节点D对应的z轴坐标符号：通过观测，若锚节点D在平面ABC之上，取正号，其坐标为：否则取负号，其坐标为：

6.根据权利要求3、4或5所述的TOA定位系统锚节点快速高精度部署方法，其特征在于，所述激光测距仪为手持式激光测距仪。