定位技術(shù)的方法

1、定位技術(shù)的方法根據(jù)具體的定位機(jī)制，可以將現(xiàn)有的定位方法分為兩類：基于測距的(Range-based)方法和不基于測距的(Range-free)方法6?；跍y距的定位機(jī)制需要測量未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離或者角度信息，然后使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。而不基于測距的定位機(jī)制無需距離或角度信息，或者不用直接測量這些信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位。常用的定位方法是基于測距定位方法，在這種定位機(jī)制中需要先得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離或者角度信息，通常采用以下方法。(1)信號強(qiáng)度測距法(2)到達(dá)時(shí)間及時(shí)間差測距法(3)時(shí)間差定位法(4)到達(dá)角定位法信號強(qiáng)度測距法（

2、RSSI）已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點(diǎn)測量接收功率，計(jì)算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。例如，在自由空間中，距發(fā)射機(jī)d 處的天線接收到的信號強(qiáng)度由下面的公式給出：Pr(d )=PtGtGr2/(4)2d 2L其中，Pt為發(fā)射機(jī)功率；Pr(d )是在距離d 處的接收功率；Gt、Gr分別是發(fā)射天線和接收天線的增益；d 是距離，單位為米；L為與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子；是波長，單位為米。由公式可知，在自由空間中，接收機(jī)功率隨發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離的平方衰減。這樣，通過測量接收信號的強(qiáng)度，再利用式(1)就能計(jì)算出收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的大概距離。得到錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離信息后，采用三邊測量

3、法或最大似然估計(jì)法可計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。三邊計(jì)算的理論依據(jù)是，在三維空間中，知道了一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)以上錨節(jié)點(diǎn)的距離，就可以確定該點(diǎn)的坐標(biāo)。三邊測量法在二維平面上用幾何圖形表示出來的意義是：當(dāng)?shù)玫轿粗?jié)點(diǎn)到一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，就可以確定此未知節(jié)點(diǎn)在以此錨節(jié)點(diǎn)為圓心、以距離為半徑的圓上；得到未知節(jié)點(diǎn)到3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，3個(gè)圓的交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置。然而，公式只是電磁波在理想的自由空間中傳播的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際應(yīng)用中的情況要復(fù)雜的多，尤其是在分布密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。反射、多徑傳播、非視距(NLOS)、天線增益等問題都會對相同距離產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗。因此這種方法的主要誤差來源是環(huán)境影響所造

4、成的信號傳播模型的復(fù)雜性。信號強(qiáng)度測距法通常屬于一種粗糙的測距技術(shù)。還有一些其他算法：如文獻(xiàn)7提出了一種節(jié)點(diǎn)位置推測算法，該算法通過一種判決節(jié)點(diǎn)，利用收集到的錨節(jié)點(diǎn)的位置信息和節(jié)點(diǎn)間的距離信息，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)位置推測算法，推測出所有位置可確定的待測節(jié)點(diǎn)的位置。到達(dá)時(shí)間及時(shí)間差測距法（TOA）到達(dá)時(shí)間(TOA)技術(shù)通過測量信號傳播時(shí)間來測量距離。在TOA方法中，若電波從錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)間為t，電波傳播速度為c，則錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離為t×c。TOA要求接收信號的錨節(jié)點(diǎn)或未知節(jié)點(diǎn)知道信號開始傳輸?shù)臅r(shí)刻，并要求節(jié)點(diǎn)有非常精確的時(shí)鐘。使用TOA技術(shù)比較典型的定位系統(tǒng)是GPS，GPS系統(tǒng)需

5、要昂貴高能耗的電子設(shè)備來精確同步衛(wèi)星時(shí)鐘。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的距離較小，采用TOA測距難度較大，同時(shí)節(jié)點(diǎn)硬件尺寸、價(jià)格和功耗的限制也決定了TOA技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是不可行的。時(shí)間差(TDOA)測距技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方案中得到了較多的應(yīng)用8。通過記錄兩種不同信號(常使用無線電信號和超聲波信號)的到達(dá)時(shí)間差異，根據(jù)已知的兩種信號的傳播速度，直接把時(shí)間差轉(zhuǎn)化為距離。該技術(shù)受到超聲波傳播距離的限制和非視距問題對超聲波信號傳播的影響，不僅需要精確的時(shí)鐘記錄兩種信號的到達(dá)時(shí)間差異，還需要傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)具備感知兩種不同信號的能力。時(shí)間差定位法（TDOA）TDOA測距是通過計(jì)算兩種不同無線信號

6、到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，再根據(jù)兩種信號傳播速度來計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。TDOA定位與TDOA測距不同，TDOA定位計(jì)算兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，將其轉(zhuǎn)換成到兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離之差，未知節(jié)點(diǎn)通過到多組錨節(jié)點(diǎn)的距離之差得出自身的位置。在二維平面上的，雙曲線的幾何意義是到兩個(gè)定點(diǎn)的距離之差為一個(gè)常數(shù)的所有點(diǎn)的集合，兩個(gè)定點(diǎn)稱作焦點(diǎn)。因此TDOA定位在二維平面上的幾何意義為：得到未知節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離之差，即可知未知節(jié)點(diǎn)定位于以兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線方程上，通過測量得到未知節(jié)點(diǎn)所屬的兩個(gè)以上雙曲線方程時(shí)，這些雙曲線唯一的交點(diǎn)即為未知節(jié)點(diǎn)的位置。由于這種方法不是采用到達(dá)的絕對時(shí)間來確定節(jié)點(diǎn)的位置，降低了對時(shí)間同步的要求，但是仍然需要較精確的計(jì)時(shí)功能，同時(shí)由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分布密集和無線通信范圍小的特點(diǎn)，這種方法實(shí)現(xiàn)起來難度較大。到達(dá)角定位法（AOA）到達(dá)角(AOA)定位法通過陣列天線或多個(gè)接收器結(jié)合來得到相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號的方向，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的方位線。兩根方位線的交點(diǎn)即為未知節(jié)點(diǎn)的位置?；镜腁OA定位法，未知節(jié)點(diǎn)得到與錨節(jié)點(diǎn)N1和N2所構(gòu)成的角度之后就可以確定自身位置。另外，AOA信息還可以與TOA、TDOA信息一起使用成