[發(fā)明專利]一種三維空間中的基于時間測距的定位方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201410541416.4
• 申請日: 2014-10-14
• 公開（公告）號: CN104270817A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 康一梅;王佳瑋
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;G01S5/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于時間到達的定位技術(shù)，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器組成，通過無線通信方式形成的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息。節(jié)點定位技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，不僅對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本應用有重要作用，也是目標監(jiān)測和追蹤的基礎(chǔ)。

目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法主要分為兩大類：基于測距的定位算法和無需測距的定位算法?；跍y距的定位算法通過測量節(jié)點間的距離或角度信息，使用三邊測量、三角測量或最大似然估計定位法計算節(jié)點的位置。常用的測距技術(shù)有基于信號強度的測距方法、基于到達時間的測距方法、基于到達時間差的測距方法和基于到達角度的測距方法；無需測距定位算法則不需要距離和角度信息，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點定位，相比之下，基于距離的定位算法測量精度較高，距離無關(guān)的定位算法對硬件要求較低。

基于到達時間的測距方法是已知信號的傳播速度，根據(jù)傳播時間來計算節(jié)點間距離，得到的結(jié)果精度高，但要求節(jié)點保持精確時間同步，對節(jié)點硬件和功耗提出了較高要求。基于到達時間的定位算法多是建立在二維坐標空間下的，不能在三維空間中直接使用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三維空間中的基于時間測距的定位方法，能夠避免基于到達時間測距中整個系統(tǒng)中信號發(fā)射源點與各接收端要有精確地時間同步這一制約條件，將信號發(fā)射時間作為未知量與移動臺位置同時進行估算，最終通過計算得到信號發(fā)射時間，從而解決了基于到達時間測距定位算法的實現(xiàn)難度，且計算量小，易于實現(xiàn)。

本發(fā)明的解決方案是：一種三維空間中的基于時間測距的定位方法，所述方法包括以下步驟：

A.在三維坐標系下確定基站坐標，將基站坐標確定在原點、X軸、Y軸、Z軸和空間中一點；

B.基于步驟A中將基站坐標確定在原點、X軸、Y軸、Z軸和空間中一點上，將基于時間到達的測距方法中的信號發(fā)射時間作為一個未知量代入后面步驟C得到的方程組中必有解，信號發(fā)射時間為基站和移動臺的時間差，這一步驟避免了要求信號源點和各接收端要有精確的時間同步這一約束條件；

C.利用基于時間到達的測距方法中的圓周模型建立非線性測距方程，并將步驟B中的未知量信號發(fā)射時間代入該非線性方程組；

D.通過數(shù)學變換將步驟C中得到的非線性方程組轉(zhuǎn)換為線性方程組解得步驟B中的未知量信號發(fā)射時間，將信號發(fā)生時間代入方程中即可獲得移動臺在步驟A中建立的坐標系中的具體坐標位置。

所述步驟A中，選擇原點和坐標軸上的點作為基站的坐標位置。

所述步驟B中，將信號發(fā)射時間作為一個未知量時，能夠避免要求系統(tǒng)中信號源點和各接收端要有精確地時間同步這一約束條件。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明將信號發(fā)射時間作為一個未知量與移動臺位置同時進行估計，避免了時間同步這一制約條件，不必要求源點和各接收端精確的時間同步，簡化了實現(xiàn)過程，降低了系統(tǒng)對硬件的要求，更利于操作實現(xiàn)；

(2)本發(fā)明將信號發(fā)射時間作為一個未知量可以減少該算法的實現(xiàn)難度和提高定位精度，傳統(tǒng)的基于時間到達的測距方法中要求系統(tǒng)中信號源點和各移動臺的接收端要有精確地時間同步，對時間同步的限制要求較高且不易實現(xiàn)，本發(fā)明避免了這一約束條件；

(3)本發(fā)明是建立在三維空間坐標系下的，可以在三維空間中進行應用，適用性強。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實現(xiàn)流程圖；

圖2是本發(fā)明中基于到達時間測距的圓周模型示意圖；

圖3是本發(fā)明中信號接收端的示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的案例實施流程圖。

具體實施方式

以下包括術(shù)語的簡單詞匯，將有助于理解下面的實施例的詳細描述，但這些細節(jié)并不是為了限制本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可以在偏離這些具體細節(jié)的其他實施方案中實踐本發(fā)明。術(shù)語“基站”表示已知具體坐標位置的信號接收端；術(shù)語“移動臺”表示未知具體位置待定位的信號發(fā)射端。

如圖1所示，本發(fā)明一種三維空間中的基于時間測距的定位方法，包括下列步驟：