本發(fā)明屬于無線通信定位領(lǐng)域，涉及一種融合基于CSS的SDS-TWR精密測距與ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)的異步自組網(wǎng)定位系統(tǒng)及定位方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的定位技術(shù)對于基礎(chǔ)設(shè)施的依賴使得其在諸如沒有衛(wèi)星、沒有移動通信等基礎(chǔ)設(shè)施、盲區(qū)、月球、火星表面等惡劣信息環(huán)境下難以滿足定位的需求?？紤]以下可能發(fā)生在惡劣信息環(huán)境下的情況：火災(zāi)救援中，消防員對位置通信有需求，但基礎(chǔ)的室內(nèi)定位設(shè)施已經(jīng)被毀壞，這是快速的布置定位系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的。戰(zhàn)爭時(shí)期如現(xiàn)代戰(zhàn)爭巷戰(zhàn)、叢林作戰(zhàn)等，快速、便捷的定位往往是制勝的關(guān)鍵，而在衛(wèi)星的定位系統(tǒng)被摧毀的或者定位精度不高的情況下，此時(shí)就需要一套精準(zhǔn)便捷的定位系統(tǒng)。單獨(dú)的zigbee系統(tǒng)由于其組網(wǎng)功能強(qiáng)大具備快速布置便捷定位系統(tǒng)的能力，但目前已有的zigbee定位系統(tǒng)大多采用RSSI定位算法，基于射頻信號強(qiáng)弱的RSSI定位算法，是一種常見的基于射頻信號強(qiáng)弱來測試距離的定位方法。它的定位原理是：已知信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射強(qiáng)度，盲節(jié)點(diǎn)在接收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號時(shí)，測量出當(dāng)前發(fā)射信號的強(qiáng)度，根據(jù)前后的信號強(qiáng)度差(耗損強(qiáng)度)計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)的間距，由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有信號的無線收發(fā)能力，我們僅需測量出信號的耗損強(qiáng)度就可以實(shí)現(xiàn)測距，因此RSSI是一種易實(shí)現(xiàn)、低成本的測距算法。但在實(shí)際的無線傳感器定位網(wǎng)絡(luò)中，反射、多徑傳播、非視距、天線增益等問題都會對信號強(qiáng)度的損耗造成影響。因此RSSI也是一種粗糙的測距算法，其在實(shí)際應(yīng)用中的定位精度比較低。由于以上原因，造成現(xiàn)有的zigbee定位系統(tǒng)具有定位精度不高(實(shí)用中3-20米誤差)，環(huán)境適應(yīng)差，容易受外界干擾，無法在工程中應(yīng)用等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對復(fù)雜環(huán)境下對于快速定位的要求，提出了一種基于雙向精密測距的異步自組網(wǎng)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理中心、基于ZigBee技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)，基于CSS技術(shù)的測距模塊和具有定位標(biāo)簽的終端設(shè)備。本系統(tǒng)利用CSS技術(shù)在惡劣環(huán)境下測距精度高的優(yōu)勢與ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)能力，通過快捷布置錨節(jié)點(diǎn)的方法達(dá)到快速、精確定位的目的。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于雙向精密測距的異步自組網(wǎng)定位系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理中心和多個(gè)節(jié)點(diǎn)終端，所述節(jié)點(diǎn)終端包括至少3個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，從主錨節(jié)點(diǎn)中任選一個(gè)作為路由管理器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)終端結(jié)構(gòu)相同，均包括測距模塊、路由模塊、供電模塊和邏輯控制模塊，

作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)的路由模塊用于建立網(wǎng)絡(luò)，將測距指令和所有主錨節(jié)點(diǎn)的ID發(fā)送至標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的路由模塊；同時(shí)還用于將所有標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)修正后的測距值和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息通過串口輸出至數(shù)據(jù)處理中心；

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的路由模塊用于接收作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)的路由模塊發(fā)送的測距指令和所有主錨節(jié)點(diǎn)的ID并發(fā)送至自身的邏輯控制模塊，同時(shí)還用于將修正后的測距值輸出至作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)的路由模塊；

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的測距模塊用于接收測距指令和所有主錨節(jié)點(diǎn)的ID，并根據(jù)測距指令通過SDS-TWR算法完成標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與主錨節(jié)點(diǎn)的測距，獲得標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和所有主錨節(jié)點(diǎn)之間的測距值，將測距值發(fā)送至自身邏輯控制模塊；

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的邏輯控制模塊用于向自身測距模塊發(fā)送測距指令；同時(shí)還用于對收到的測距值進(jìn)行誤差修正，將修正后的測距值輸出至自身路由模塊；

數(shù)據(jù)處理中心用于將測距指令輸出至主錨節(jié)點(diǎn)的路由模塊；同時(shí)還用于接收修正后的測距值，并運(yùn)用線性化最小二乘法將標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置解出，將解出的位置作為偽測量值構(gòu)造一個(gè)線性系統(tǒng)后，用線性卡爾曼濾波算法完成標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的定位解算。

其中，測距模塊采用CSS SDS-TWR雙向測距體制，路由模塊采用ZigBee路由協(xié)議，邏輯控制模塊采用加權(quán)時(shí)鐘頻偏修正矩陣對測距模塊輸出的測距值進(jìn)行誤差修正。

一種基于雙向精密測距的異步自組網(wǎng)定位方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)實(shí)際地理?xiàng)l件搭建至少三個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)，在搭建的主錨節(jié)點(diǎn)中任選其中一個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)作為路由管理器，將作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)通過串口與數(shù)據(jù)處理中心連接，并在數(shù)據(jù)處理中心錄入所有主錨節(jié)點(diǎn)的位置信息；

(2)作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)開始建立網(wǎng)絡(luò)，其余主錨節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，形成初始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(3)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)加入該初始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(4)作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)向標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)發(fā)送測距指令和所有主錨節(jié)點(diǎn)的ID；

(5)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)收到測距指令后，通過SDS-TWR算法完成測距，獲得標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和所有主錨節(jié)點(diǎn)之間的測距值，將所有測距值分別進(jìn)行修正；

(6)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)將修正后的測距值發(fā)送給作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)；

(7)作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)將所有修正后的測距值和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息通過串口導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理中心；

(8)數(shù)據(jù)處理中心收到修正后的測距值后，運(yùn)用線性化最小二乘法將標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置解出；

(9)數(shù)據(jù)處理中心將步驟(8)中解出的位置作為偽測量值構(gòu)造一個(gè)線性系統(tǒng)后，用線性卡爾曼濾波算法完成標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的定位解算。

其中，步驟(9)之后還包括：隨著新入網(wǎng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與主錨節(jié)點(diǎn)距離的增加及環(huán)境的復(fù)雜度增加，數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息選出至少三個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)作為從錨節(jié)點(diǎn)，選出從錨節(jié)點(diǎn)后再入網(wǎng)的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)基于跳數(shù)最小原則直接向從錨節(jié)點(diǎn)或者主錨節(jié)點(diǎn)發(fā)出測距請求，重復(fù)步驟(3)至步驟(9)的過程，從而完成較精準(zhǔn)的定位；所述的從錨節(jié)點(diǎn)為與作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)間隔跳數(shù)相同的同一層已定位的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)。

其中，所述基于跳數(shù)最小原則為：標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間跳數(shù)最少，所述錨節(jié)點(diǎn)包括主錨節(jié)點(diǎn)和從錨節(jié)點(diǎn)。

其中，步驟(2)所述的作為路由管理器的主錨節(jié)點(diǎn)開始建立網(wǎng)絡(luò)，具體為：主錨節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)。

其中，步驟(5)所述的將所有測距值分別進(jìn)行修正，具體為：采用加權(quán)時(shí)鐘頻偏修正矩陣對測距值進(jìn)行誤差修正。

本發(fā)明相比背景技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提出的一種基于雙向精密測距的異步自組網(wǎng)定位系統(tǒng)及方法，無需獲得先驗(yàn)知識就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的高精度定位，且組網(wǎng)靈活；可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)快速布署，同時(shí)保證了定位的實(shí)時(shí)性與定位精度。

附圖說明

圖1是SDSTWR算法的流程圖；

圖2是本發(fā)明的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明的定位系統(tǒng)錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。

線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)(CSS)

CSS技術(shù)又稱線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)，是Chirp Spread Spectrum的簡稱。CSS技術(shù)的基本原理是采用Chirp信號(即線性調(diào)頻擴(kuò)頻信號)來承載數(shù)據(jù)符號，因?yàn)镃hirp信號是寬帶信號，所以使用Chirp信號來表示數(shù)據(jù)符號可以達(dá)到擴(kuò)展帶寬的目的。CSS技術(shù)除了具有傳統(tǒng)擴(kuò)頻信號的抗衰減能力好、保密性好、處理增益大等優(yōu)點(diǎn)外，在應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境無線定位上還具有如多徑分辨能力強(qiáng)、抗噪聲能力強(qiáng)、受頻偏影響小、發(fā)射瞬時(shí)功率低等優(yōu)勢。

SDS-TWR測距算法

雙邊雙路對稱測量法(Double-Sided Two-Way Ranging)，是一種類似于TOA的定位測距方式，根據(jù)消息包在發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行雙向傳輸?shù)臅r(shí)間來推算出到兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間的距離，無需通信節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘達(dá)到嚴(yán)格同步，系統(tǒng)對硬件的要求降低，有效避免因時(shí)鐘不同步帶來的誤差。SDS-TWR測距過程中數(shù)據(jù)包的傳輸方式如圖1所示，在第一個(gè)周期中，節(jié)點(diǎn)A先向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B收到該數(shù)據(jù)包后進(jìn)行處理，產(chǎn)生一個(gè)處理時(shí)延T_replyA，同時(shí)節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送硬件確認(rèn)包，這是第一個(gè)測量周期T_roundA。第二個(gè)周期類似于第一周期，在節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送硬件確認(rèn)包之后，節(jié)點(diǎn)B將會發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)A，數(shù)據(jù)包中包含節(jié)點(diǎn)B的處理時(shí)延T_replyB，節(jié)點(diǎn)A在處理B發(fā)來的數(shù)據(jù)包之后會向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送硬件確認(rèn)包，這個(gè)周期稱為T_roundB，最后節(jié)點(diǎn)B將第二個(gè)測距周期的時(shí)間發(fā)給節(jié)點(diǎn)A，節(jié)點(diǎn)A在獲得這幾個(gè)測量值之后，即可計(jì)算出A、B之間的距離值。兩節(jié)點(diǎn)之間的距離可以用下面的公式表示為：

卡爾曼濾波定位算法

計(jì)算系統(tǒng)定位模型需要簡單介紹系統(tǒng)中錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的概念，錨節(jié)點(diǎn)指的是無線網(wǎng)絡(luò)中的固定節(jié)點(diǎn)，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)指的是待定位的移動目標(biāo)。若系統(tǒng)中有N 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，則通過處理這N個(gè)錨節(jié)點(diǎn)對標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的測距值，以實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的定位。在本系統(tǒng)中，如果直接利用錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間得到的測距信息進(jìn)行卡爾曼濾波跟蹤定位，則所建立的系統(tǒng)將是一個(gè)非線性系統(tǒng)。而本系統(tǒng)在實(shí)時(shí)定位的角度上，希望定位延遲盡可能的減小，基于此，本系統(tǒng)將利用線性化最小二乘法的解作為偽測量值，構(gòu)造一個(gè)線性系統(tǒng)，以降低濾波算法的復(fù)雜度，以盡量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位的目的。

如圖2所示，一種基于雙向精密測距的異步自組網(wǎng)定位系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理中心和多個(gè)節(jié)點(diǎn)終端，所述節(jié)點(diǎn)終端包括至少3個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，從主錨節(jié)點(diǎn)中任選一個(gè)作為路由管理器。每個(gè)節(jié)點(diǎn)終端結(jié)構(gòu)、功能完全相同，均包括測距模塊、路由模塊、供電模塊和邏輯控制模塊。各模塊的功能如下：測距模塊完成標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與主錨節(jié)點(diǎn)的測距功能，路由管理模塊完成路由管理及信息的轉(zhuǎn)發(fā)，供電模塊為其它模塊提供供電服務(wù)，邏輯控制模塊輔助協(xié)調(diào)控制各個(gè)模塊。

實(shí)施例中，邏輯控制模塊由單片機(jī)微處理器及最小系統(tǒng)構(gòu)建得到，測距模塊采用CSS雙向測距體制，具體為CSS無線模塊；路由模塊采用ZigBee路由協(xié)議，具體為ZigBee無線模塊；本發(fā)明節(jié)點(diǎn)終端分別可以作為ZigBee組網(wǎng)的協(xié)調(diào)器、路由器及終端。各部分的連接方式為：單片機(jī)微處理器通過SPI控制CSS無線模塊，ZigBee無線模塊與單片機(jī)微處理器通過串口相連，最后作為ZigBee協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)終端通過RS232與數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行串口通信。Zigbee無線模塊起到了自組網(wǎng)、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、發(fā)起測距命令指定測距目標(biāo)、傳輸測距值等功能。CSS無線模塊選用的測距算法為SDS-TWR算法，本發(fā)明在該算法的基礎(chǔ)上，考慮到節(jié)點(diǎn)終端的時(shí)鐘偏頻產(chǎn)生的時(shí)延誤差，在定位算法處理上采用加權(quán)思想將測距誤差考慮在內(nèi)，能在一定程度上提高定位精度。

下面以系統(tǒng)中有3個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)為例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施過程。一種基于雙向精密測距的異步自組網(wǎng)定位方法，包括以下步驟：

1、首先根據(jù)實(shí)際地理?xiàng)l件在適當(dāng)位置搭建三個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)，任選其中一個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)作為路由管理器，通過串口與數(shù)據(jù)處理中心連接，并在數(shù)據(jù)處理中心錄入錨節(jié)點(diǎn)精確位置信息；

2、系統(tǒng)加電開機(jī)工作，作為路由管理器的主節(jié)點(diǎn)即ZigBee協(xié)調(diào)器開始建立網(wǎng)絡(luò)，其余兩個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行入網(wǎng)，形成初始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

3、標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)通過ZigBee模塊入網(wǎng)，ZigBee協(xié)調(diào)器更新形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并向標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)發(fā)送測距指令并附帶三個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)的ID作為ZigBee模塊測距對象；

4、標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)上的ZigBee模塊收到測距指令后通過串口控制單片機(jī)微處理器調(diào)用CSS模塊開始向指定ID的主錨節(jié)點(diǎn)發(fā)起測距請求；

5、主錨節(jié)點(diǎn)上的CSS模塊收到測距請求后配合并通過SDS-TWR算法完成測距返回測距值至標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)；

6、標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)微處理器模塊收到測距值后，采用加權(quán)時(shí)鐘頻偏修正矩陣對測距值進(jìn)行誤差修正，將修正后的測距值通過串口發(fā)送到自身ZigBee模塊，由自身ZigBee模塊將修正后的測距值經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器；

7、ZigBee協(xié)調(diào)器將修正后的測距值通過RS232導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理中心；

8、數(shù)據(jù)處理中心收到修正后的測距值后，運(yùn)用線性化最小二乘法將節(jié)點(diǎn)位置解出，進(jìn)一步將此解作為偽測量值構(gòu)造一個(gè)線性系統(tǒng)后用線性卡爾曼濾波算法完成節(jié)點(diǎn)的定位解算；

9、重復(fù)步驟3至步驟6的過程，隨著新入標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與主錨節(jié)點(diǎn)距離的增加及環(huán)境的復(fù)雜度增加，導(dǎo)致標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與主錨節(jié)點(diǎn)測距距離不夠或者非視距誤差過大，如圖3所示，此時(shí)數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將與ZigBee協(xié)調(diào)器間隔跳數(shù)相同的同一層已定位的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)作為從錨節(jié)點(diǎn)，之后再入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)即可基于跳數(shù)最小原則直接向從錨節(jié)點(diǎn)請求測距從而完成較精準(zhǔn)的定位。