CN111555824A - 一种用于LoRa定位系统的不良锚节点检测与消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于LoRa定位系统的不良锚节点检测与消除方法,步骤如下:1、在地面上铺设锚节点,假设LoRa接收器在当前时刻接收到的锚节点数为N(Γ),记录每个锚节点的RSSI值;2、利用平面上两点间距离关系建立用于解算目标节点位置的方程,再利用线性最小二乘法(LLS),得到目标节点的估计位置;3、利用目标节点估计位置与锚节点之间距离和RSSI的关系,反推每个锚节点的RSSI值,并计算每个锚节点的BRE;4、用K均值聚类来消除“不良”锚节点,并将删除坏锚节点后剩余的3个实测的RSSI值输入位置方程,得到精确的位置估计。在定位过程中删除不良锚节点以降低LoRa网络中高斯噪声和非高斯噪声的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于LoRa定位系统的不良锚节点检测与消除方法,属于低功耗广域网通信技术室内外定位研究领域。
背景技术
随着物联网技术的蓬勃发展,基于位置信息的服务(Location Based Services,LBS)已经成为移动终端的必备功能之一。目前,各种不同的无线技术已应用于定位系统,其中蓝牙、ZigBee、RFID和WiFi是常见的室内定位技术。然而,由于技术的限制,上述几种方法的有效范围较小,通常只有几米。对于室外环境,蜂窝网络技术和卫星定位系统是常用的定位技术,后者更加流行,因为蜂窝网络的定位准确性远低于卫星定位系统。此外,基于卫星的定位系统几乎覆盖了地球的100%,并且经常更新。但是,卫星定位系统不能用于室内环境,并且功耗很高。
部署大规模物联网要求节点设备价格低廉且功耗较低,这种需求促使研究者们寻找更适合的定位方式对物联网中的目标设备进行定位。LoRa技术就在这种情况下应运而生,该技术具有远距离(最长15公里)、低功耗(电池寿命长达5年)和低成本(低成本芯片组)的优点,现已被广泛用于低功耗广域网的开发和设计以支持物联网应用,因此LoRa技术是一种具有较大潜力的物联网定位替代解决方案。
虽然LoRa技术具有诸多的优点,但是当LoRa基站接收到的信号强度值RSSI(Received Signal Strength Indication)较小时,无法识别该基站接收信号是否受到非高斯噪声的影响。如果将被非高斯噪声污染的接收信号用于融合定位,将会导致较大的定位误差。因此,要使用LoRa技术进行有效的定位,就必须要检测和识别出这些受污染的不良锚节点,将其从融合算法中剔除,才能提高LoRa定位的精度,为LoRa系统的大规模应用提供基础。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种用于LoRa定位系统的不良锚节点检测与消除方法,并将剩余的“好”锚节点用来融合定位,得到较为精确的位置估计。
为了解决上述问题,本发明采取的技术方案为:
一种用于LoRa定位系统的不良锚节点检测与消除方法,包括如下步骤:
步骤1,在地面上铺设锚节点,假设LoRa接收器在当前时刻接收到的锚节点数为N(Γ),记录每个锚节点的RSSI值;
步骤3,利用目标节点的估计位置与锚节点之间距离和RSSI之间的关系,反推每个锚节点的RSSI值,并计算每个锚节点的BRE(Back RSSI Error);
步骤4,用K均值聚类来消除“不良”锚节点,并将删除坏锚节点后剩余的3个实测的RSSI值输入位置方程,得到精确的位置估计。
作为改进的是,步骤1中有一个目标节点,其在平面上的位置用pt表示,其平面坐标(xt,yt)是未知的,并且在水平地面上铺设一组锚节点各个锚节点的位置已知,其中N(Γ)是Γ中锚节点的总数,是Γ中的第n个锚节点的位置坐标,即n=1,2,…,N(Γ)。
将式(1)至式(2)结合起来以得到矢量形式的一组方程,即
Aθ=b (3)
通过应用LLS方法,可以得到
A+=(ATA-1AT (10)
定义后向接收信号强度误差的平均值为MBRE(Mean Backward RSSI Error,),由于可以接收到N(Γ)个锚节点,所以可以得到N(Γ)个BRE,将这N(Γ)个BRE做平均就得到此时的MBRE,即
作为改进的是,步骤4中使用K均值聚类来消除“不良”锚节点,并使用其余“好”锚节点来计算目标节点的位置,具体步骤如下:
步骤4.1,将接受器接收到的N(Γ)个锚节点实测的RSSI值用R表示
步骤4.3,将M个估计的位置,利用K均值法进行聚类,假设分为K类,然后再计算每类的质心位置;
步骤4.4,通过检查每个群集中心的MBRE来找到最佳群集,并通过检查“其他群集”中所有锚节点的出现次数来找到“坏”锚节点,计算每类的MBRE,比较大小,最小的MBRE认为这一组定位是最准确的,假设最小MBRE的类为Kmin;
步骤4.5,将Kmin组排除,统计其余K-1类中每个锚节点出现的次数,出现最多的锚点就认为是坏锚节点,将其排除;
步骤4.6,将R清空,再将剩余的锚节点的RRSI放入R中,此时跳转到步骤4.1,直到删除坏点后剩余锚节点的个数为3;
步骤4.7,将保持下来的3个优质锚节点输入位置方程(3),解算出准确的目标位置。
有益效果:
本发明提供了一种用于LoRa定位系统的不良锚节点检测与消除方法,在定位过程中删除不良锚节点以降低LoRa网络中高斯噪声和非高斯噪声的影响。本发明提出的方法可以大幅度提高基于RSSI的LoRa定位系统的精度,并且在大型室内外环境中均能正常使用,具有成本低、方便快捷、鲁棒性高的优点。
附图说明
图1为本发明一种用于LoRa定位系统的不良锚节点检测与消除方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示,一种用于LoRa定位系统的不良锚节点检测与消除方法,包括如下步骤:
步骤一,在地面上铺设锚节点,假设LoRa接收器在当前时刻接收到的锚节点数为N(Γ),记录每个锚节点的RSSI值。
步骤三,利用目标节点估计位置与锚节点之间距离和RSSI之间的关系,反推每个锚节点的RSSI值,并计算每个锚节点的BRE(Back RSSI Error)。
步骤四,用K均值聚类来消除“不良”锚节点,并将删除坏锚节点后剩余的3个实测的RSSI值输入位置方程,得到精确的位置估计。
所述步骤一中有一个目标节点,其坐标pt=(xt,yt)未知,并且在水平地面上铺设一组锚节点锚节点的位置已知,其中N(Γ)是Γ中锚节点的总数,,是Γ中的第n个锚节点的位置坐标,即n=1,2,…,N(Γ)。
将(1)至(2)结合起来以得到矢量形式的一组方程,即
Aθ=b (3)
通过应用LLS方法,可以得到
定义后向接收信号强度误差的平均值为MBRE,由于可以接收到N(Γ)个锚节点,所以可以得到N(Γ)个BRE,将这N(Γ)个BRE做平均就得到此时的MBRE,即
所述步骤四中使用K均值聚类来消除“不良”锚节点,并使用其余“好”锚节点来计算目标节点的位置,具体步骤如下:
步骤4.1,将接受器接收到的N(Γ)个锚节点实测的RSSI值用R表示
步骤4.3,将M个估计的位置,利用K均值法进行聚类,假设分为K类,然后再计算每个类的质心位置;
步骤4.4,通过检查每个群集中心的MBRE来找到最佳群集,并通过检查“其他群集”中所有锚节点的出现次数来找到“坏”锚节点。这里,计算每一个类的MBRE,比较大小,最小的MBRE认为这一组定位是最准确的,假设最小MBRE的类为Kmin;
步骤4.5,将Kmin组排除,统计其余K-1类中每个锚节点出现的次数,出现最多的锚点就认为是坏锚节点,将其排除;
步骤4.6,将R清空,再剩余的锚节点的RRSI放入R中,此时跳转到步骤4.1,直到删除坏点后剩余锚节点的个数为3;
步骤4.7,将保持下来的3个优质锚节点输入位置方程(3),解算出准确的目标位置。
实施例2
在步骤二的计算过程中,列举具体节点进行验证环境嘈杂会使LLS不够好。假设有一个网络中目标节点为(35,60)和四个锚节点为别为(0,0),(0,100),(100,100)和(100,0)(以米为单位)。假设和为2.5和-25dB,这四个锚节点测量的RSSI读数的平均值分别是-71.04dB,-68.14dB,-72.07dB和-73.67dB。为了表现比较,本发明中将定位误差(LE)定义为目标节点实际位置与估计位置之间的距离。如果第四个锚节点受噪声影响,RSSI读数为-82.63dB,而不是-73.67dB,LLS目标节点估计位置为(46.30,144.24),距离实际位置非常远,LE为117.08m。如果第四个锚节点可以被识别为受到噪声的强烈影响并从定位版本中删除,这次使用前三个锚节点用于估计目标节点位置,则目标节点估计位置变为(27.69,70.26),LE变为12.59m。
其余步骤按照实施例1中的步骤进行。
实施例3
在步骤四的计算过程中,列举具体节点进行验证,假设有一个目标节点(46.00,49.00)和一组八个锚节点,分别命名为a、b、c、d、e、f、g和h,这些锚节点的RSSI值已测量,即 在中,除最后一个值外,所有其他值均以dB为单位,最后两个值分别是和在这种情况下,使用LLS估计目标节点的位置为(44.64,119.40),其定位误差为70.41m。当在K=3的情况下应用K均值聚类法,R=3且将56个估计的位置分为三个群集。这三个群集中的采样点数分别为4、49和3,它们的质心分别为(410.15,81.16),(13.82,91.65)和(65.36,598.97),它们对应的MBRE值分别为17.87、5.07和22.08,则第二类质心为最佳集群。第一和第三集群中每个锚节点的出现次数分别为2、1、1、1、1、2、7和6。g出现的次数最多,因此,在定位中删除了锚节点g,其余节点再次循环上述流程,直到剩余三个优质锚节点。最终,目标节点的估计位置为(44.64,58.96),定位误差为10.06,从结果可以看出本发明提出的方法可以有效地删除“错误的”锚节点,并提高定位精度。
其余步骤按照实施例1中的步骤进行。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,本发明的保护范围不限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (5)
将式(1)至式(2)结合起来以得到矢量形式的一组方程,即
Aθ=b (3)
通过应用LLS方法,可以得到
5.根据权利要求1所述的一种用于LoRa定位系统的不良锚节点检测与消除方法,其特征在于,步骤4中使用K均值聚类来消除“不良”锚节点,并使用其余“好”锚节点来计算目标节点的位置,具体步骤如下:
步骤4.1,将接受器接收到的N(Γ)个锚节点实测的RSSI值用R表示
步骤4.3,将M个估计的位置,利用K均值法进行聚类,假设分为K类,然后再计算每个类的质心位置;
步骤4.4,通过检查每个群集中心的MBRE来找到最佳群集,并通过检查“其他群集”中所有锚节点的出现次数来找到“坏”锚节点,计算每类的MBRE,比较大小,最小的MBRE认为这一组定位是最准确的,假设最小MBRE的类为Kmin;
步骤4.5,将Kmin组排除,统计其余K-1类中每个锚节点出现的次数,出现最多的锚点就认为是坏锚节点,将其排除;
步骤4.6,将R清空,再将剩余的锚节点的RRSI放入R中,此时跳转到步骤4.1,直到删除坏点后剩余锚节点的个数为3;
步骤4.7,将保持下来的3个优质锚节点输入位置方程(3),解算出准确的目标位置。
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