一種基于置信水平的加權(quán)三邊定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器節(jié)點對目標節(jié)點定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于置信水平的 加權(quán)三邊定位法，該方法能應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、商業(yè)以及室內(nèi)定位領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的普及，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor network, WSN)和無線局域網(wǎng)（Wireless Local Network, WLAN)等面向區(qū)域的定位技術(shù)越 來越被工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、商業(yè)等領(lǐng)域的研宄者關(guān)注。WSN的目標是通過無線方式使分散而 獨立的傳感器節(jié)點互聯(lián)，組成分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而針對實時采集的環(huán)境信息進行 處理，以實現(xiàn)用戶和環(huán)境的交互。環(huán)境信息中很重要的一點就是空間位置信息，基于位置的 估計，即定位技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)實生活中的方方面面，如醫(yī)院病人無線監(jiān)控系統(tǒng)、博物館智能導(dǎo) 航系統(tǒng)等。此外，室內(nèi)定位技術(shù)也有著十分廣闊的發(fā)展前景，目前提出的無線家庭自動網(wǎng) 絡(luò)（Wireless Home Automation Networks, WHANs)就是專門為智能家居提供的無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，現(xiàn)有的基于IEEE 802. 15. 4相關(guān)協(xié)議標準的Zigbee、Z-wave、INSTE0N、 Wavenis和IP的技術(shù)都圍繞相關(guān)硬件標準和協(xié)議提供了技術(shù)支持。
[0003] 超寬帶（Ultra wideband, UWB)技術(shù)自2006年由美國聯(lián)邦通訊委員會正式通過 了將其用于民用的議案后，大大應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域。它通過從時間上分割信 號代替從波段或頻率來分割信號，避免了無限細分頻譜遇到物理實現(xiàn)上不可逾越的技術(shù)瓶 頸。超寬帶工作頻率為3. 1~10. 6GHz，系統(tǒng)帶寬與系統(tǒng)中心頻率之比大于20%或系統(tǒng)帶 寬至少為500MHz，與傳統(tǒng)無限電探測系統(tǒng)相比，無需載波信號，能夠直接產(chǎn)生窄脈沖去激勵 天線。超寬帶技術(shù)具有低功耗、抗干擾能力強、對信道衰減不敏感、隱蔽性好、穿透能力強、 定位精度高的特點。近年來，利用亞納秒級超窄脈沖做近距離精確定位技術(shù)大大發(fā)展，如 Multispectral Solutions公司和美國海軍設(shè)施工程服務(wù)中心聯(lián)合開發(fā)的UWB精確定位系 統(tǒng)、清華大學(xué)研發(fā)的LocalSense無線定位系統(tǒng)和唐恩科技有限公司的iLocate?系統(tǒng)。
[0004] 根據(jù)定位過程是否測量實際節(jié)點的距離，把定位算法分為：基于測距 (range-based)定位算法和無需測距（range-free)的定位算法。基于測距算法通過測量節(jié) 點間點到點距離或角度信息，使用三邊測量（trilateration)、三角測量（triangulation) 或最大似然估計等估計算法減小測距誤差對定位測量的影響；無需測距算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通 性等信息即可實現(xiàn)定位。相比于無需測距算法，基于測距算法更易于硬件實現(xiàn)，而且得到廣 泛應(yīng)用。
[0005] 基于測距定位算法常用測距技術(shù)有TOA、TDOA、TOF和AOA等等。TOA (Time of Arrival)算法需要節(jié)點精確地時間同步，無法用于松散親合定位系統(tǒng)；TDOA(Time difference of Arrival)技術(shù)受限于超聲波傳播距離有限和NLOS問題對超聲波等信號的 傳播影響，超聲波通常傳播距離為6-9米；AOA(Angle of Arrival)也受外界環(huán)境影響，而 且需要額外硬件，在硬件尺寸和功耗上可能無法用于傳感器節(jié)點；T0F(Time of Flight)技 術(shù)是指通過測量單一節(jié)點對目標的信號發(fā)送和接收時間差，計算出與目標的距離。該算法 無需精確時間同步，且實現(xiàn)簡單，消耗硬件資源較少，適用于能量優(yōu)先的傳感器網(wǎng)絡(luò)，本發(fā) 明采用TOF技術(shù)進行測距。
[0006] 三邊定位法是通過測量目標點和三個已知坐標點之間的距離確定目標點的決定 或相對位置的過程。目前常用的方法是最小二乘估計和基于幾何重心的方法?；谧钚《?乘估計的思想是使位置的聯(lián)合估計均方差最小，通過對其偏導(dǎo)，確定目標的估計值，然而在 實際定位中，由于量測距離與真實距離之間存在較大誤差，因而并不能真正讓三個圓交于 一點，從而導(dǎo)致定位存在較大的誤差?；趲缀沃匦牡姆椒ㄊ侵竿ㄟ^求解三個圓兩兩相交 的交點，對其連線構(gòu)建一個幾何多邊形，然后求其幾何多邊形的幾何重心即為目標空間坐 標估計值，如圖1-2所示。
[0007] 以上這兩種算法都面臨由于測距不準而造成的兩圓無法相交，定位不準甚至算法 報錯的問題。在測距誤差對三邊定位算法影響方面，主要集中在兩點：1.從方程求解角度， 使用不同方法對非線性方程組求最優(yōu)解；2.對測距信息依據(jù)一定的原則賦予與誤差信息 相關(guān)的權(quán)值，減小誤差大的測距對定位結(jié)果的影響。這兩種方法主要考察如何減小測距誤 差對定位結(jié)果的影響，雖然對測距誤差引起的定位誤差有所改進，但對于較大誤差測量值， 上述方法不能去除該定位結(jié)果的影響，尤其是兩圓無法相交導(dǎo)致的定位不準情況。本發(fā)明 圍繞這一問題，提出了基于置信水平的加權(quán)三邊定位法。
[0008] 綜上所述，目前定位主要問題還是基于現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)，實現(xiàn)廉價的高精度低功耗 的定位算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 有鑒于此，本發(fā)明針對的問題是受限于信號的多徑傳播、視距等因素造成的測距 不準而帶來的兩圓交點很可能與目標點相差太遠，從而利用傳統(tǒng)三邊定位法帶來較大的定 位誤差，以至于無法滿足現(xiàn)實生活中定位的精度需求；本發(fā)明提出了一種基于置信水平的 三邊定位法，該方法在兩圓相交不上的情況，采用基于置信水平的距離補償法，在一定置信 水平下，能通過增大半徑值實現(xiàn)兩圓相交；該方法操作簡單，易于實現(xiàn)，能夠在不造成計算 負擔(dān)的情況下，很好達到提高定位精度的目的。
[0010] 實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0011] 一種基于置信水平的三邊定位方法，具體過程為：
[0012] (一）從空間布設(shè)的N個錨節(jié)點中選擇3個作為參考節(jié)點；
[0013] (二）針對每一參考節(jié)點，以其所處位置為圓心，以其與所需定位的標簽節(jié)點之間 的距離為半徑設(shè)圓；判斷任意兩個圓之間是否相交，針對相交的兩圓，執(zhí)行步驟（四），針對 不相交的兩圓，執(zhí)行步驟（三）；
[0014] (三）同時逐漸增大互不相交的兩圓所對應(yīng)的距離值（即增大兩圓的半徑），若兩 圓相交時，所增加的距離在預(yù)設(shè)置信水平α對應(yīng)的距離偏差范圍內(nèi)，此時執(zhí)行步驟（四）， 否則，結(jié)束該方法；
[0015] (四）從相交兩圓的交點中選定一個作為三角形的一個頂點；
[0016] (五）將由步驟（四）選定的頂點構(gòu)成的三角形重心作為標簽節(jié)點的位置估計值；
[0017] (六）重新選擇3個錨節(jié)點作為參考節(jié)點，按照