CN111314848A - 无线终端定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种无线终端定位方法及系统，无线终端定位方法包括在三维坐标系中获取多个信标节点参数；根据多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离；根据多个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置。本申请不仅可以获取目标节点的地面位置信息还可以获取目标节点在空中位置信息，可以使定位更加精确。

Description

无线终端定位方法及系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其是一种无线终端定位方法及系统。

背景技术

无线传感器网络集成了数据分析处理模块、处理器以及通信模块的节点，这些节点按照一定的需求部署在特定的区域中，凭借节点与节点之间的通信联系，构建出通信网络。网络之中的各个单元协同监测、收集处理对象数据信息，最终把数据传输到客户端。节点定位技术在无线传感器网络中占有重要地位，它不仅能够进行“超视距”目标定位，为导弹和战略武器提供攻击目标，并且在环境监测、农业监测、智能交通、安全监控、医疗健康等方面也有着极其重要的作用。对于许多的实际应用而言，没有传感器节点位置信息的数据是没有意义的，如在车联网中需要知道车辆的具体位置，以便规划最佳路线及获取路况；牧场中需要知道各种动物的生活区域的具体位置；天然气管道泄露的具体地点以便及时处理等。

相关技术中，使用基于测距的定位算法对无线传感器网络节点进行定位，传统的基于测距的定位算法主要包括如下方案：先通过RSSI等测距技术得到未知节点与信标节点之间的距离，通过在大地坐标系中获取经度、纬度二维参数后在二维坐标系中通过几何关系来计算出未知节点的位置坐标，由于计算未知节点的位置的信息来自同平面内的信标节点，计算出的位置坐标也是二维坐标，不能获取目标节点的空间详细位置，因此导致定位结果不精确。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中使用基于测距的定位算法对无线传感器网络节点进行定位，在二维坐标系中通过几何关系来计算出未知节点的位置，由于计算未知节点的位置的信息来自同平面内的信标节点，计算出的位置坐标也是二维坐标，不能获取目标节点的空间详细位置，因此导致定位结果不精确的问题，本申请提供一种无线终端定位方法及系统。

第一方面，本申请提供一种无线终端定位方法，包括：

在三维坐标系中获取多个信标节点参数；

根据所述多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离；

根据所述多个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置。

进一步的，所述信标节点参数包括节点坐标，所述在在三维坐标系中获取多个信标节点参数，包括：

在大地坐标系中获取多个信标节点的第一坐标：

将大地坐标系转换为ECEF坐标系，根据多个信标节点的第一坐标计算得到多个信标节点的第二坐标，将所述多个信标节点的第二坐标作为多个信标节点坐标。

进一步的，所述根据所述多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离前，还包括：

计算所述多个信标节点间的误差距离；

根据所述误差距离修正所述多个信标节点参数。

进一步的，所述计算所述多个信标节点间的误差距离，包括：

以一个信标节点为顶点，计算其他信标节点到该信标节点的距离；

根据信标节点的位置和所述其他信标节点到该信标节点的距离计算其他信标节点的位置；

根据所述其他信标节点的位置获取信标节点的反向估计位置；

根据所述信标节点的位置和所述信标节点的反向估计位置计算信标节点的误差距离。

进一步的，所述方法还包括：

按照预设组规模对所述多个信标节点进行分组；

在每组中分别以一个信标节点为顶点，计算该组中其他信标节点到该信标节点的距离；

根据所述该组中其他信标节点到该信标节点的距离计算信标节点的误差距离。

进一步的，所述多个信标节点参数包括信号强度和信标节点坐标，所述根据所述多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离，包括：

根据所述信号强度计算距离为d的接收信标节点上信号的衰减值；

根据所述衰减值获取所述接收信标节点的距离。

进一步的，所述方法还包括：

根据信标节点信号强度参数计算衰减因子，所述信标节点信号强度参数包括计算时间、计算时天气、信标节点的经纬度信息。

进一步的，所述多个信标节点到目标节点的距离包括：

地面信标节点到目标节点的距离和空中信标节点到目标节点的距离。

进一步的，所述根据所述多个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置，包括：

根据地面信标节点到目标节点的距离和空中信标节点到目标节点的距离利用最小二乘法计算目标节点的三维坐标位置。

第二方面，本申请提供一种无线终端定位系统，包括：

服务器和装有定位模块的无线终端；

所述无线终端包括地面终端和空中终端；

所述服务器根据所述定位模块获取信标无线终端参数，根据所述信标无线终端参数计算目标无线终端的三维坐标位置。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请通过在三维坐标系中获取多个信标节点参数，根据多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离，根据多个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置，不仅可以获取目标节点的地面位置信息还可以获取目标节点在空中位置信息，可以使定位更加精确。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请一个实施例提供的一种无线终端定位方法的流程图。

图2是本申请另一个实施例提供的一种无线终端定位方法的流程图。

图3为图2所示方法中步骤S23的流程示意图。

图4为图2所示方法中步骤S25的流程示意图。

图5是本申请一个实施例提供的一种无线终端定位系统的功能结构图。

图6是本申请一个实施例提供的一种无线终端定位系统的组网示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1是本申请一个实施例提供的无线终端定位方法的流程图。

如图1所示，本实施例提供的无线终端定位方法，包括：

S11：在三维坐标系中获取多个信标节点参数；

S12：根据多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离；

S13：根据多个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置。

传统的目标节点定位方法是先通过RSSI等测距技术得到目标节点与信标节点之间的距离，通过在大地坐标系中获取信标节点的经度和纬度参数后在二维坐标系中通过几何关系来计算出未目标节点二维坐标，由于计算目标节点的位置的数据来自同平面内的信标节点，计算出的位置坐标也是二维坐标，不能获取目标节点的空间详细位置，因此导致定位结果不精确。

一些实施例中，所述无线终端定位方法，包括：在三维坐标系中获取5个信标节点参数，根据5个信标节点参数计算5个信标节点到目标节点的距离，根据5个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置。

可以理解的是，获取参数对应的信标节点个数越多，获取目标节点的三维坐标位置越准确，本领域技术人员可根据具体使用情况获取对应数量的信标节点。

本实施例中，通过在三维坐标系中获取多个信标节点参数，根据多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离，根据多个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置，不仅可以获取目标节点的地面位置信息还可以获取目标节点在空中位置信息，可以使定位更加精确。

图2是本申请另一个实施例提供的一种无线终端定位方法的流程图。如图2所示，本实施例的无线终端定位方法，包括：

S21：在大地坐标系中获取多个信标节点的第一坐标：

信标节点是指已知自身位置的节点，例如在车辆定位系统中，已知自身位置的车辆或无人机，信标节点的第一坐标包括经度、纬度和高度信息，经度、纬度和高度信息是从GPS中获取的。

S22：将大地坐标系转换为ECEF坐标系，根据多个信标节点的第一坐标计算得到多个信标节点的第二坐标，将多个信标节点的第二坐标作为多个信标节点坐标；

ECEF坐标系(ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed)地球为中心，符合地区，是一个笛卡尔坐标系，也称为“普通地表”系统，x、y、z表示坐标位置，(0，0，0)点表示地球质心。Z轴指向指向北，但不完全精确地与地球转动轴重合。X轴在球面上与格林威治线和赤道的交点(经纬度都为0的点)相交。

将经度(l)、纬度(Lc)、高度(h)转换为x、y、z的公式如下：

公式(1)中，x、y、z分别表示信标节点在ECEF中的x、y、z方向上的位置，A和e分别是地球的长半轴和离心率。

S23：计算多个信标节点间的误差距离；

一些实施例中，步骤S23可以通过但不限于以下过程实现：

S231：以一个信标节点为顶点，计算其他信标节点到该信标节点的距离；

S232：根据信标节点的位置和其他信标节点到该信标节点的距离计算其他信标节点的位置；

S233：根据其他信标节点的位置获取信标节点的反向估计位置；

S234：根据信标节点的位置和信标节点的反向估计位置计算信标节点的误差距离。

一些实施例中，所述方法还包括：

按照预设组规模对多个信标节点进行分组；

在每组中分别以一个信标节点为顶点，计算该组中其他信标节点到该信标节点的距离；

根据该组中其他信标节点到该信标节点的距离计算信标节点的误差距离。

例如，假设目标节点周围有p个空中信标节点和q个地面信标节点，分别假设为A₁(x₁,y₁,z₁,m₁)、A₂(x₂,y₂,z₂,m₂)…A_n(x_n,y_n,z_n,m_n)，B₁(x₁,y₁,z₁,m₁)、B₂(x₂,y₂,z₂,m₂)…B_n(x_n,y_n,z_n,m_n)，其中x,y,z,m分别代表当前信标节点的横坐标，纵坐标，竖坐标和信号强度。预设组规模为5，将所有信标节点每5个分为一组，进行求解。若其中一个组A₁(x₁,y₁,z₁,m₁)、A₂(x₂,y₂,z₂,m₂)、A₃(x₃,y₃,z₃,m₃)、A₄(x₄,y₄,z₄,m₄)、A₅(x₅,y₅,z₅,m₅)。以A₁为顶点，得到A₁A₂A₃A₄、A₁A₂A₃A₅、A₁A₂A₄A₅、A₁A₃A₄A₅四种组合关系，根据A₁的位置以及其他节点与顶点的空间几何关系，可求得四个位置点M_A11(x_A11,y_A11,z_A11)、M_A12(x_A12,y_A12,z_A12)、M_A13(x_A13,y_A13,z_A13)、M_A14(x_A14,y_A14,z_A14)。对前述四个点再次利用空间几何关系计算可得出信标节点A₁的反向估计位置A_1M(x_A1m,y_A1m,z_A1m)。根据A₁(x₁,y₁,z₁,m₁)和A_1M(x_A1m,y_A1m,z_A1m)可得到A₁的误差距离Δd_A1:

同理，可求出A₂、A₃、A₄、A₅的误差距离分别为Δd_A2、Δd_A3、Δd_A4、Δd_A5。

各个点的权重系数为：

其中i＝1,2,3,4,5(4)

A1修正后的坐标：

同理，求出同组其余四个点的修正后的坐标，同理可求出q个修正的地面节点坐标。

通过对多个信标节点进行分组可以简化在信标节点数量多的情况下的计算复杂度，提高计算效率。

S24：根据误差距离修正多个信标节点参数；

通过计算误差距离修正多个信标节点坐标，可以避免因为地面上建筑物阻碍等因素影响信号的衰减造成的距离误差，提高计算精确度。

S25：根据多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离；

一些实施例中，多个信标节点到目标节点的距离包括：

地面信标节点到目标节点的距离和空中信标节点到目标节点的距离。

多个信标节点参数包括信号强度和信标节点坐标，一些实施例中，步骤S25可以通过但不限于以下过程实现：

S251：根据信号强度计算距离为d的接收信标节点上信号的衰减值；

S252：根据衰减值获取接收信标节点的距离。

若信号的发射强度为m_b，天线增益为a_b，高斯白噪声为x_σ，需要说明的是空中信标节点和地面信标节点的参数值可能不同，可通过参数值获取方法分别获取空中参数和地面参数，信标节点A_i(x_i,y_i,z_i,m_i)的信号衰减值为PL(d)＝m_b-m_i+a_b，根据信号衰减值计算公式(2)可求出目标节点到信标节点的距离：

PL(d)＝PL(d₀)+10k*lg(d/d₀)+X_σ (2)

其中PL(d)表示在距离为d的接收信标节点上信号的衰减，单位为dB，X_σ表示均值为0的高斯白噪声，取值范围4～10，k表示衰减因子，在不同的环境下取值范围不同，一般取值范围为2～5。

依次求出每个地面信标节点至目标节点的距离为r₁、r₂…r_n；每个空中信标节点至目标节点的距离为l₁、l₂…l_m。

一些实施例中，所述方法还包括：

根据信标节点信号强度参数计算衰减因子，信标节点信号强度参数包括计算时间、计算时天气、信标节点的经纬度信息。

需要说明的是，信标节点信号强度参数以及信标节点信号强度参数与衰减因子的对应关系可存储在计算参数数据库中，可通过查表方式获取衰减因子的值。基本信息如经度、纬度、高度等信息可存储在基本信息数据库中。

S26：根据地面信标节点到目标节点的距离和空中信标节点到目标节点的距离利用最小二乘法计算目标节点的三维坐标位置。

根据信标节点和目标节点的空间三维几何关系，将地面节点和空中节点坐标带入距离计算公式可得以下方程：

方程中毎式减去最后一式可得

其中

这时候就可以转换为矩阵相乘GX＝b，其中

可求得未知节点的最终位置：

X＝(G^ΤG)^-1G^Τb (10)

需要说明的是，本申请对计算目标节点的三维坐标位置所需算法不做限制，本领域技术人员可根据经验或实际应用选择合适方法进行目标节点的三维坐标位置计算。

本实施例中，通过获取三维坐标，对坐标系进行转换，在三维坐标系中依据信标节点坐标及信号强度计算目标节点三维坐标，可以解决目标节点在GPS受到干扰下定位精度差和GPS缺失下无法定位的问题，实现对失联目标的精准定位。

图5是本申请一个实施例提供的一种无线终端定位系统的功能结构图。

如图5所示，本实施例提供的一种无线终端定位系统，包括：

服务器51和装有定位模块的无线终端52；

无线终端52包括地面终端和空中终端；

服务器51根据定位模块获取信标无线终端参数，根据信标无线终端参数计算目标无线终端的三维坐标位置。

多个无线终端52间进行无线通信获取周围无线终端52信息。

定位模块例如为Lora定位模块，装有Lora定位模块的无线终端52可以自动组网相互通信，每个无线终端52都能获得其周围无线终端52的参数信息及自身参数信息，并定时向服务器51发送参数信息。

服务器接收到各个无线终端52发来的参数信息后，会将参数信息解析并存入基本信息数据库，根据计算参数数据库中的参数信息调用最小二乘法算法模块计算出目标节点的位置。

如图6所示，无线终端包括车辆和无人机，车辆和无人机都可以同服务器通信，车辆和无人机在一定范围内也可以自组网通信。在车辆和无人机可以自组网通信的范围内，当其中一辆汽车因为GPS信号弱而无法确定自身位置的时候，还可以通过自组网获得其周围车辆与无人机的信息，该车辆将自身信息和其周围车辆或无人机的信息发送到服务器后，服务器可以通过这些信息计算出该车辆的位置信息返回给车辆，从而实现对GPS信号弱的车辆的定位。

可以理解的是，空中终端可以由无人机、漂浮气球等组成，空中终端均匀分布在空中，通信距离较长，如无人机通信距离可达50km，用于定位未知车辆的位置，可以使获取车辆位置更加准确，并且，由于空中终端无线通信距离较长，可以避免目标车辆位置丢失。

本实施例中，通过定位模块获取在三维坐标系中获取多个信标节点参数，服务器根据多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离，根据多个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置，不仅可以定位丢失目标节点的位置还可以使定位更加精确。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的多个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

需要说明的是，本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线终端定位方法，其特征在于，包括：

在三维坐标系中获取多个信标节点参数；

根据所述多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离；

根据所述多个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置。

2.根据权利要求1所述的无线终端定位方法，其特征在于，所述信标节点参数包括节点坐标，所述在在三维坐标系中获取多个信标节点参数，包括：

在大地坐标系中获取多个信标节点的第一坐标：

将大地坐标系转换为ECEF坐标系，根据多个信标节点的第一坐标计算得到多个信标节点的第二坐标，将所述多个信标节点的第二坐标作为多个信标节点坐标。

3.根据权利要求1所述的无线终端定位方法，其特征在于，所述根据所述多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离前，还包括：

计算所述多个信标节点间的误差距离；

根据所述误差距离修正所述多个信标节点参数。

4.根据权利要求3所述的无线终端定位方法，其特征在于，所述计算所述多个信标节点间的误差距离，包括：

以一个信标节点为顶点，计算其他信标节点到该信标节点的距离；

根据信标节点的位置和所述其他信标节点到该信标节点的距离计算其他信标节点的位置；

根据所述其他信标节点的位置获取信标节点的反向估计位置；

根据所述信标节点的位置和所述信标节点的反向估计位置计算信标节点的误差距离。

5.根据权利要求4所述的无线终端定位方法，其特征在于，还包括：

按照预设组规模对所述多个信标节点进行分组；

在每组中分别以一个信标节点为顶点，计算该组中其他信标节点到该信标节点的距离；

根据所述该组中其他信标节点到该信标节点的距离计算信标节点的误差距离。

6.根据权利要求1～5任一项所述的无线终端定位方法，其特征在于，所述多个信标节点参数包括信号强度和信标节点坐标，所述根据所述多个信标节点参数计算多个信标节点到目标节点的距离，包括：

根据所述信号强度计算距离为d的接收信标节点上信号的衰减值；

根据所述衰减值获取所述接收信标节点的距离d。

7.根据权利要求6所述的无线终端定位方法，其特征在于，还包括：

根据信标节点信号强度参数计算衰减因子，所述信标节点信号强度参数包括计算时间、计算时天气、信标节点的经纬度信息。

8.根据权利要求1所述的无线终端定位方法，其特征在于，所述多个信标节点到目标节点的距离包括：

地面信标节点到目标节点的距离和空中信标节点到目标节点的距离。

9.根据权利要求8所述的无线终端定位方法，其特征在于，所述根据所述多个信标节点到目标节点的距离获取目标节点的三维坐标位置，包括：

根据地面信标节点到目标节点的距离和空中信标节点到目标节点的距离利用最小二乘法计算目标节点的三维坐标位置。

10.一种无线终端定位系统，其特征在于，包括：

服务器和装有定位模块的无线终端；

所述无线终端包括地面终端和空中终端；

所述服务器根据所述定位模块获取信标无线终端参数，根据所述信标无线终端参数计算目标无线终端的三维坐标位置。

Images