[發(fā)明專利]一種基于相位測(cè)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810232783.0
• 申請(qǐng)日: 2008-12-17
• 公開（公告）號(hào): CN101435867A
• 公開（公告）日: 2009-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王文杰;殷勤業(yè);王晨;韓瑋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S5/02
• 分類號(hào): G01S5/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 朱海臨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，特別涉及一種基于無線電相位測(cè)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法。

背景技術(shù)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱WSN)的眾多應(yīng)用中，隨機(jī)布設(shè)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)往往需用其所處位置對(duì)傳感信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以便后續(xù)信息融合處理。隨著WSN研究日益深入，WSN節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)層出不窮。中國專利CN101191832提出了一種基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的單邊定位系統(tǒng)，它根據(jù)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度與待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度的差值計(jì)算待測(cè)節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)間的距離，然后利用待測(cè)節(jié)點(diǎn)到多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離差值來對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行估計(jì)。中國專利CN101184328、美國專利US7289466和US7170441分別提出了基于射頻信號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA)或到達(dá)時(shí)間差(TDOA)測(cè)量的，錨節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)間距離估計(jì)和待測(cè)節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)的多邊定位系統(tǒng)。美國專利US6816437和US7319428分別提出了基于超聲信號(hào)和射頻信號(hào)的多天線波達(dá)方向角(DOA)測(cè)量和定位系統(tǒng)。

然而RSSI信號(hào)幅度受無線信道環(huán)境影響嚴(yán)重；超聲或超寬帶信號(hào)TDOA測(cè)距的精度雖高，但其收發(fā)雙端定時(shí)同步精度要求較高，且測(cè)距范圍有限；DOA估計(jì)需要接收端具備多天線和陣列處理能力，使得上述傳統(tǒng)定位方法很難在能量受限、處理能力相對(duì)較低而定位效率和精度要求日益提高的WSN中得以實(shí)用。2005年第3屆嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)議(the?3rd?internationalconference?on?Embedded?networked?sensor?systems，San?Diego，California，USA)上發(fā)表的題為《Radio?interferometric?geolocation》的文獻(xiàn)提出了一種專門針對(duì)WSN的無線電干涉測(cè)量定位系統(tǒng)(RIPS)，它利用兩個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射不同載頻信號(hào)，在接收節(jié)點(diǎn)處直接構(gòu)成無線電干涉。該干涉信號(hào)具有低頻包絡(luò)波形，其慢變特性易于接收測(cè)量，而其相位則反映了由射頻波長精確度量的兩個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對(duì)距離關(guān)系。盡管如此，RIPS系統(tǒng)尚存在諸多不足，比如要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)將相位測(cè)量結(jié)果傳輸給某匯聚節(jié)點(diǎn)，由此節(jié)點(diǎn)集中計(jì)算網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的位置，因而是一種集總式定位方法。其系統(tǒng)擴(kuò)展性將受到節(jié)點(diǎn)數(shù)量的制約，對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位問題，RIPS系統(tǒng)的時(shí)效性將會(huì)降低。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)間頻繁的通信過程不僅增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，而且用戶節(jié)點(diǎn)的位置隱私將無法得到保障。

從定位精度方面考慮，無線電波傳播的路徑延時(shí)將導(dǎo)致無線電信號(hào)在收發(fā)兩端產(chǎn)生相移，而常用WSN射頻信號(hào)波長處于分米波段，不但有較遠(yuǎn)的傳播距離而且對(duì)距離的度量精度較高(介紹相位和距離的關(guān)系，以備后面文章中利用)。其次，相較于信號(hào)幅度和頻率等其它信號(hào)特征而言，相位信息受傳播環(huán)境和接收處理的影響較小。這些都使得射頻信號(hào)相位測(cè)量成為WSN高精度定位系統(tǒng)的首選方法。但從可測(cè)性方面考慮，對(duì)于一般無線電收發(fā)機(jī)而言，當(dāng)發(fā)端發(fā)射載頻參考信號(hào)時(shí)，收端接收解調(diào)至基帶輸出將為一復(fù)正弦信號(hào)(IQ信號(hào))。該信號(hào)頻率為收發(fā)對(duì)之間的載頻頻差，其相位不僅包含路徑延時(shí)所引入射頻信號(hào)相移，還包含收發(fā)對(duì)間載頻本振初相差、收發(fā)對(duì)間通道誤差等其它干擾項(xiàng)。這使得收端在現(xiàn)有定時(shí)同步精度和收發(fā)機(jī)基帶處理水平下無法對(duì)路徑延時(shí)所引入相移進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是給出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，避免前述現(xiàn)有方法中存在的問題。該方法僅利用無線通信設(shè)備進(jìn)行定位，而不需要附加其它設(shè)備(如超聲收發(fā)裝置等)，并且該方法通過相位進(jìn)行測(cè)量定位，定位精度比利用RSSI或多跳計(jì)數(shù)的方法高。同時(shí)，待定位的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身僅做信號(hào)接收測(cè)量即可完成定位，無需其相鄰節(jié)點(diǎn)參與輔助測(cè)量，也無需進(jìn)行集中式定位處理，定位處理過程與節(jié)點(diǎn)分布密度數(shù)量無關(guān)，因此系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種基于相位測(cè)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，包括下述步驟：

步驟1，建立一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)包括輔助定位的錨節(jié)點(diǎn)和被定位的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)Xi(i＝1，2，…，K)；錨節(jié)點(diǎn)固定在網(wǎng)內(nèi)已知位置，包括一個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)M和至少三個(gè)從錨節(jié)點(diǎn)Sj，(j＝1..N)，主錨節(jié)點(diǎn)M已知所有從錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息；待定位的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)內(nèi)隨機(jī)散布；

步驟2，主錨節(jié)點(diǎn)M向全網(wǎng)廣播本次定位服務(wù)的調(diào)度安排，包括指定兩個(gè)從錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射導(dǎo)頻信號(hào)以及各自的信號(hào)發(fā)射時(shí)間；