CN113194533B - 无线定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线定位方法，其中目标节点将包含发送时间T_s的信息广播出去，每个锚节点i记录下接收到该信息的时间，获得从目标节点到达锚节点i的距离d_i，第i个锚节点将距离d_i以及自身的坐标(x_i,y_i)传输给定位计算机，定位计算机获得目标节点到达不同锚节点i和锚节点0的距离差d_i,0，并构造凸优化问题和约束条件，根据所述初始点(U,t)、约束条件求解所述凸优化问题，以得到目标节点的横坐标值和纵坐标值，实现对所述目标节点的定位，其构造了一个更紧的可行域，减少了信息的丢失，从而提高了定位精度。

Description

无线定位方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线定位方法。

背景技术

目前，目标定位有着越来越广泛的应用范围。全球导航卫星定位系统(GNSS)要求目标节点和卫星之间存在视距路径，只适合于室外空旷环境，应用范围狭窄。而利用无线传感网，则可弥补GNSS的不足，特别适用于卫星信号无法直接到达的室外环境或室内环境中。

根据所物理量的不同，无线定位技术主要分为基于信号强度(RSSI)、到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)以及到达角度(AOA)四种基本类型。相比其它三类，TDOA具有定位精度高、硬件复杂度适中、无需通信双方时间同步等方面的优点，非常适合利用无线传感网进行高精度定位的场合。

现阶段，TDOA定位算法基本可以分为四类：第一，最小二乘类方法。它将位置估计描述为一个空间向量的仿射变换问题，使用拉格朗日算子等方法进行求解。第二，凸规划类方法。它将目标节点位置表示成一个非凸优化问题的最小值，通过半正定松弛技术或二阶锥松弛技术，将原问题转化成一个凸优化问题，从而获得全局最优解。第三，泰勒级数类方法。这类算法在局部点对目标函数或约束函数进行线性或二次近似，从而使原非凸优化问题在局部点附近变成一个凸优化问题。第四，智能优化类定位方法。这类方法采用遗传算法等智能优化算法，对各类非线性模型进行最优化处理，从而获得目标节点的位置。上述四类方法种，凸规划类方法具有精度高，计算量小的优点，是TDOA中主流定位方法。

由于凸规划类方法的原理是利用松弛技术将原非凸问题转变为凸问题进行处理，这将导致信息丢失、可行域变大，使得凸问题的最优解与原非凸问题的最优解之间误差偏大。因此减少转变过程中的信息的丢失、尽可能地构造更紧的可行域，则是凸规划类方法要解决的关键问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种无线定位方法。

为实现本发明的目的，提供一种无线定位方法，包括如下步骤：

S10，目标节点将包含发送时间T_s的信息广播出去，第i个锚节点i记录下接收到该信息的时间，记为T_i，从而用T_i-T_s即可获得信号从目标节点到达锚节点i的时间，乘以无线信号的传播速度，以获得从目标节点到达锚节点i的距离d_i；

S20，第i个锚节点将距离d_i以及自身的坐标(x_i,y_i)传输给定位计算机，定位计算机获得目标节点到达不同锚节点i和锚节点0的距离差d_i,0，并构造凸优化问题和约束条件；其中，i＝0,…,N，N+1表示锚节点总数；

S30，定位计算机计算所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值/>根据所有锚节点横坐标的平均值/>以及纵坐标的平均值选择一个初始点(U,t)；

S40，定位计算机根据所述初始点(U,t)、约束条件求解所述凸优化问题，以得到目标节点的横坐标值和纵坐标值，实现对所述目标节点的定位。

具体地，N+1个锚节点不在同一直线且坐标已知，标号分别为0,…,N，坐标值分别为(x_i,y_i),i＝0,…,N，并将标号为0的锚节点设定为参考锚节点；

所述目标节点的坐标未知，其坐标值用(x,y)；

所述定位计算机，用于估算目标节点的位置；目标节点与锚节点之间采用无线方式进行通信，所有的锚节点通过有线方式连接到定位计算机上。

在一个实施例中，所述凸优化问题包括：

所述约束条件包括：

i＝1,…,N，

U≥0，

U₈＝U₁+U₅，

其中， 表示目标节点的估计位置，t表示一个实数域上的变量，/>表示在满足约束条件下时，使t取最小值的U和t，d₀表示目标节点到达锚节点0的估计距离。

在一个实施例中，所述根据所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值/>选择一个初始点(U,t)包括：

选择一个初始点(U,t)，各元素取值如下： U₂＝U₃＝U₆＝0，U₁₀＝1以及

在一个实施例中，所述根据所述初始点(U,t)、约束条件求解所述凸优化问题，以得到目标节点的横坐标值和纵坐标值包括：

步骤1：选择一个设定参数ε，同时选择一个μ，保持U₂＝U₃＝U₆＝0，以及U₁₀＝1不变；

步骤2：令U₁＝U₁+μ，U₈＝U₁+U₅，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₁＝U₁-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₁不变，进入步骤3；

步骤3：令U₄＝U₄+μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₄＝U₄-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₄不变，进入步骤4；

步骤4：令U₅＝U₅+μ，U₈＝U₁+U₅，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₅＝U₅-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₅不变，进入步骤5；

步骤5：令U₇＝U₇+μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₇＝U₇-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₇不变，进入步骤6；

步骤6：令U₉＝U₉+μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₉＝U₉-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₉不变，进入步骤7；

步骤7：令t＝t-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则跳转步骤2；如果不成立，如果μ≤ε，则结束；否则令进入步骤2；在运算结束后，将U₄确定为目标节点的横坐标值，将U₇确定为目标节点的纵坐标值。

上述无线定位方法中，目标节点将包含发送时间T_s的信息广播出去，每个锚节点i记录下接收到该信息的时间，记为T_i，从而用T_i-T_s即可获得信号从目标节点到达锚节点i的时间，乘以无线信号的传播速度，以获得从目标节点到达锚节点i的距离d_i，第i+1个锚节点将距离d_i以及自身的坐标(x_i,y_i)传输给定位计算机，定位计算机获得目标节点到达不同锚节点i和锚节点0的距离差d_i,0，并构造凸优化问题和约束条件，计算所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值/>根据所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值/>选择一个初始点(U,t)，根据所述初始点(U,t)、约束条件求解所述凸优化问题，以得到目标节点的横坐标值和纵坐标值，实现对所述目标节点的定位，其构造了一个更紧的可行域，减少了信息的丢失，从而提高了定位精度。

附图说明

图1是一个实施例的无线定位方法对应的系统逻辑示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在一个实施例中，本申请提供一种无线定位方法，包括如下步骤：

S10，目标节点将包含发送时间T_s的信息广播出去，第i个锚节点i记录下接收到该信息的时间，记为T_i，从而用T_i-T_s即可获得信号从目标节点到达锚节点i的时间，乘以无线信号的传播速度，以获得从目标节点到达锚节点i的距离d_i。

S20，第i个锚节点将距离d_i以及自身的坐标(x_i,y_i)传输给定位计算机，定位计算机获得目标节点到达不同锚节点i和锚节点0的距离差d_i,0，并构造凸优化问题和约束条件；其中，i＝0,…,N，N+1表示锚节点总数。

S30，定位计算机计算所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值/>根据所有锚节点横坐标的平均值/>以及纵坐标的平均值选择一个初始点(U,t)。

S40，定位计算机根据所述初始点(U,t)、约束条件求解所述凸优化问题，以得到目标节点的横坐标值和纵坐标值，实现对所述目标节点的定位。

上述无线定位方法中，目标节点将包含发送时间T_s的信息广播出去，每个锚节点i记录下接收到该信息的时间，记为T_i，从而用T_i-T_s即可获得信号从目标节点到达锚节点i的时间，乘以无线信号的传播速度，以获得从目标节点到达锚节点i的距离d_i，第i个锚节点将距离d_i以及自身的坐标(x_i,y_i)传输给定位计算机，定位计算机获得目标节点到达不同锚节点i和锚节点0的距离差d_i,0，并构造凸优化问题和约束条件，计算所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值/>根据所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值/>选择一个初始点(U,t)，根据所述初始点(U,t)、约束条件求解所述凸优化问题，以得到目标节点的横坐标值和纵坐标值，实现对所述目标节点的定位，其构造了一个更紧的可行域，减少了信息的丢失，从而提高了定位精度。

在一个实施例中，N+1个锚节点不在同一直线且坐标已知，标号分别为0,…,N，坐标值分别为(x_i,y_i),i＝0,…,N，并将标号为0的锚节点设定为参考锚节点；

所述目标节点的坐标未知，其坐标值用(x,y)；

所述定位计算机，用于估算目标节点的位置；目标节点与锚节点之间采用无线方式进行通信，所有的锚节点通过有线方式连接到定位计算机上。

上述无线定位方法对应的系统逻辑示意图可以参考图1所示，假设在二维空间中，存在不在同一直线上的N+1个坐标已知的锚节点，标号分别为0,…,N，坐标值分别为(x_i,y_i),i＝0,…,N，并将标号为0的锚节点设定为参考锚节点；存在一个坐标未知的目标节点，其坐标值用(x,y)表示；还存在一台定位计算机，用于估算目标节点的位置。目标节点与锚节点之间采用无线方式进行通信，所有的锚节点通过有线方式连接到定位计算机上。

具体地，在实际应用中，锚节点就是坐标已知的节点。目标节点就是坐标位置不知道的节点，定位的目的就是估计出目标节点的位置。无线传感器节点如果其位置已知，则可以作为锚节点，如果位置未知，则作为目标节点。

在一个实施例中，锚节点将距离d_i以及自身的坐标(x_i,y_i)传输给定位计算机，定位计算机即可获得目标节点到达不同锚节点i和锚节点0的距离差d_i,0，并构造如下的凸优化问题：

所述约束条件包括：

i＝1,…,N，

U≥0，

U₈＝U₁+U₅，

其中， 表示目标节点的估计位置，其值分别为在满足约束条件下时，使t取最小值的U₄和U₇；t表示一个实数域上的变量，通常没有物理含义，/>表示在满足约束条件下时，使t取最小值的U和t，d₀表示目标节点到达锚节点0的估计距离，它是一个估计值，通过计算得到，计算公式为：/>

在一个实施例中，所述根据所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值/>选择一个初始点(U,t)包括：

定位计算机选择一个初始点(U,t)，各元素取值如下： U₂＝U₃＝U₆＝0，U₁₀＝1以及/>

在一个实施例中，所述根据所述初始点(U,t)、约束条件求解所述凸优化问题，以得到目标节点的横坐标值和纵坐标值包括：

步骤1：选择一个设定参数ε，同时选择一个μ，保持U₂＝U₃＝U₆＝0，以及U₁₀＝1不变；设定参数ε值一般小于0.1，还可以取更小的值；μ的初始值可以设为1，还可以取更大的值；

步骤2：令U₁＝U₁+μ，U₈＝U₁+U₅，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₁＝U₁-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₁不变，进入步骤3；

步骤3：令U₄＝U₄+μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₄＝U₄-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₄不变，进入步骤4；

步骤4：令U₅＝U₅+μ，U₈＝U₁+U₅，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₅＝U₅-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₅不变，进入步骤5；

步骤5：令U₇＝U₇+μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₇＝U₇-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₇不变，进入步骤6；

步骤6：令U₉＝U₉+μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₉＝U₉-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₉不变，进入步骤7；

步骤7：令t＝t-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则跳转步骤2；如果不成立，如果μ≤ε，则结束；否则令进入步骤2；在运算结束后，将U₄确定为目标节点的横坐标值，将U₇确定为目标节点的纵坐标值。

本实施例将U₄确定为目标节点的横坐标值，将U₇确定为目标节点的纵坐标值，能够实现对目标节点的准确定位。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种无线定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，目标节点将包含发送时间T_s的信息广播出去，第i个锚节点i记录下接收到该信息的时间，记为T_i，从而用T_i-T_s即可获得信号从目标节点到达锚节点i的时间，乘以无线信号的传播速度，以获得从目标节点到达锚节点i的距离d_i；

S20，第i个锚节点将距离d_i以及自身的坐标(x_i,y_i)传输给定位计算机，定位计算机获得目标节点到达不同锚节点i和锚节点0的距离差d_i,0，并构造凸优化问题和约束条件；其中，i＝0,…,N，N+1表示锚节点总数；

S30，定位计算机计算所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值根据所有锚节点横坐标的平均值/>以及纵坐标的平均值选择一个初始点(U,t)；

S40，定位计算机根据所述初始点(U,t)、约束条件求解所述凸优化问题，以得到目标节点的横坐标值和纵坐标值，实现对所述目标节点的定位；

N+1个锚节点不在同一直线且坐标已知，标号分别为0,…,N，坐标值分别为(x_i,y_i),i＝0,…,N，并将标号为0的锚节点设定为参考锚节点；

所述目标节点的坐标未知，其坐标值用(x,y)；

所述定位计算机，用于估算目标节点的位置；目标节点与锚节点之间采用无线方式进行通信，所有的锚节点通过有线方式连接到定位计算机上；

所述凸优化问题包括：

所述约束条件包括：

i＝1,…,N，

U≥0，

U₈＝U₁+U₅，

其中， 表示目标节点的估计位置，t表示一个实数域上的变量，/>表示在满足约束条件下时，使t取最小值的U和t，d₀表示目标节点到达锚节点0的估计距离；

所述根据所有锚节点横坐标的平均值以及纵坐标的平均值选择一个初始点(U,t)包括：

选择一个初始点(U,t)，各元素取值如下： U₂＝U₃＝U₆＝0，U₁₀＝1以及

所述根据所述初始点(U,t)、约束条件求解所述凸优化问题，以得到目标节点的横坐标值和纵坐标值包括：

步骤1：选择一个设定参数ε，同时选择一个μ，保持U₂＝U₃＝U₆＝0，以及U₁₀＝1不变；

步骤2：令U₁＝U₁+μ，U₈＝U₁+U₅，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₁＝U₁-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₁不变，进入步骤3；

步骤3：令U₄＝U₄+μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₄＝U₄-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₄不变，进入步骤4；

步骤4：令U₅＝U₅+μ，U₈＝U₁+U₅，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₅＝U₅-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₅不变，进入步骤5；

步骤5：令U₇＝U₇+μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₇＝U₇-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₇不变，进入步骤6；

步骤6：令U₉＝U₉+μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则令U₉＝U₉-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则进入步骤7；否则保持U₉不变，进入步骤7；

步骤7：令t＝t-μ，判断约束条件是否成立，如果成立，则跳转步骤2；如果不成立，如果μ≤ε，则结束；否则令进入步骤2；在运算结束后，将U₄确定为目标节点的横坐标值，将U₇确定为目标节点的纵坐标值。