專利名稱：一種基于相位測量的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，特別涉及一種基于無線 電相位測量的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法。
背景技術(shù)：
在無線傳感器網(wǎng)絡(簡稱WSN)的眾多應用中，隨機布設的智能傳感器 節(jié)點往往需用其所處位置對傳感信息進行標識，以便后續(xù)信息融合處理。隨 著WSN研究日益深入，WSN節(jié)點定位技術(shù)層出不窮。中國專利CN101191832 提出了一種基于接收信號強度指示(RSSI)的單邊定位系統(tǒng)，它根據(jù)位置已 知的錨節(jié)點發(fā)送信號強度與待測節(jié)點接收信號強度的差值計算待測節(jié)點到錨 節(jié)點間的距離，然后利用待測節(jié)點到多個錨節(jié)點之間的距離差值來對待測節(jié) 點的位置坐標進行估計。中國專利CN101184328、美國專利US7289466和 US7170441分別提出了基于射頻信號到達時間(T0A)或到達時間差(TD0A)測 量的，錨節(jié)點與待測節(jié)點間距離估計和待測節(jié)點位置估計的多邊定位系統(tǒng)。 美國專利US6816437和US7319428分別提出了基于超聲信號和射頻信號的多 天線波達方向角(D0A)測量和定位系統(tǒng)。
然而RSSI信號幅度受無線信道環(huán)境影響嚴重；超聲或超寬帶信號TD0A 測距的精度雖高，但其收發(fā)雙端定時同步精度要求較高，且測距范圍有限； D0A估計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、處理能力相對較低而定位效率和精度要求日益提高的WSN中 得以實用。2005年第3屆嵌入式傳感器網(wǎng)絡會議(the 3rd international conference on Embedded networked sensor systems, San Diego， California, USA)上發(fā)表的題為《Radio interferometric geolocation》的文獻提出了 一種專門針對WSN的無線電干涉測量定位系統(tǒng)(RIPS)，它利用兩個發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射不同載頻信號，在接收節(jié)點處直接構(gòu)成無線電干涉。該干涉信號具 有低頻包絡波形，其慢變特性易于接收測量，而其相位則反映了由射頻波長
精確度量的兩個發(fā)射機和接收機的相對距離關系。盡管如此，RIPS系統(tǒng)尚存 在諸多不足，比如要求每個節(jié)點將相位測量結(jié)果傳輸給某匯聚節(jié)點，由此節(jié) 點集中計算網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點的位置，因而是一種集總式定位方法。其系統(tǒng)擴展性 將受到節(jié)點數(shù)量的制約，對于大規(guī)模網(wǎng)絡的節(jié)點定位問題，RIPS系統(tǒng)的時效 性將會降低。同時，節(jié)點間頻繁的通信過程不僅增加了網(wǎng)絡負載，而且用戶 節(jié)點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將導致無線電信號在收 發(fā)兩端產(chǎn)生相移，而常用WSN射頻信號波長處于分米波段，不但有較遠的傳 播距離而且對距離的度量精度較高(介紹相位和距離的關系，以備后面文章中 利用)。其次，相較于信號幅度和頻率等其它信號特征而言，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相位測量成為WSN高精度 定位系統(tǒng)的首選方法。但從可測性方面考慮，對于一般無線電收發(fā)機而言， 當發(fā)端發(fā)射載頻參考信號時，收端接收解調(diào)至基帶輸出將為一復正弦信號(IQ 信號)。該信號頻率為收發(fā)對之間的載頻頻差，其相位不僅包含路徑延時所引 入射頻信號相移，還包含收發(fā)對間載頻本振初相差、收發(fā)對間通道誤差等其 它干擾項。這使得收端在現(xiàn)有定時同步精度和收發(fā)機基帶處理水平下無法對 路徑延時所引入相移進行準確測量。

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)絡節(jié)點定位方法，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備進行定位，而不需要附加其 它設備(如超聲收發(fā)裝置等)，并且該方法通過相位進行測量定位，定位精度 比利用RSSI或多跳計數(shù)的方法高。同時，待定位的目標節(jié)點自身僅做信號接 收測量即可完成定位，無需其相鄰節(jié)點參與輔助測量，也無需進行集中式定 位處理，定位處理過程與節(jié)點分布密度數(shù)量無關，因此系統(tǒng)具有很好的可擴 展性。為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 一種基于相位測量的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，其特征在于，包括 下述步驟
步驟1,建立一個無線網(wǎng)絡，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點包括輔助定位的錨節(jié)點和被定位 的目標節(jié)點Xi (i=l， 2，…，K);錨節(jié)點固定在網(wǎng)內(nèi)已知位置，包括一個主 錨節(jié)點M和至少三個從錨節(jié)點Sj， (j二l..N)，主錨節(jié)點M己知所有從錨節(jié)點 的位置坐標信息；待定位的目標節(jié)點在網(wǎng)內(nèi)隨機散布；
步驟2，主錨節(jié)點M向全網(wǎng)廣播本次定位服務的調(diào)度安排，包括指定兩 個從錨節(jié)點發(fā)射導頻信號以及各自的信號發(fā)射時間；
步驟3，選定頻率/H乍為參考信號頻率，主錨節(jié)點M在預定時隙向全網(wǎng) 廣播參考信號，網(wǎng)內(nèi)其它從錨節(jié)點和目標節(jié)點接收該信號，并進行頻率和相 位的跟蹤，使得其本地參考信號與接收到的參考信號同步；
歩驟4，當步驟2中指定的兩個從錨節(jié)點完成步驟3中的同步后，各從 錨節(jié)點依次在其預定發(fā)射時隙將其同步好的本地參考信號發(fā)回給主錨節(jié)點
M;與此同時，主錨節(jié)點M依次分別接收指定的兩個從錨節(jié)點發(fā)回的參考信號，
并與主錨節(jié)點本地的參考信號進行相位比較，主錨節(jié)點通過比較主、從節(jié)點 的相位測得該相位差，并結(jié)合從錨節(jié)點位置信息可進一步消除掉節(jié)點間因距
離帶來的相位差，最終得到針對該從錨節(jié)點的相位校正因子；
步驟5，主錨節(jié)點分別將相位校正因子回傳給該指定的兩個從錨節(jié)點， 從錨節(jié)點根據(jù)收到的校正因子，調(diào)整其發(fā)射參考信號的相位，使得該指定的 兩個從錨節(jié)點發(fā)射信號的相位同步；
步驟6，在該指定的兩個從錨節(jié)點相位同步后，它們分別向待定位的目 標節(jié)點發(fā)射各自的參考信號，同時目標節(jié)點分別對各指定的從錨節(jié)點發(fā)來的 參考信號進行相位測量，由于該指定的兩個從錨節(jié)點發(fā)射信號是同步的，因 此目標節(jié)點測得的相位將隨目標節(jié)點到指定從錨節(jié)點的距離不同而不同，最 終，目標節(jié)點將得到各指定的從錨節(jié)點參考信號的相位差，該相位差包含了 目標節(jié)點到各指定的從錨節(jié)點的距離差信息，但由于相位具有^模糊性，所 以僅在一個頻率上測量不能確定該距離差；步驟7，重新選取頻率AA…，/lUa)作為參考信號的頻率，重復步驟 3到步驟6的測量過程，目標節(jié)點將得到不同頻率下的相位差，由此可以排 除相位的模糊性，從而得到目標節(jié)點到該指定的兩個從錨節(jié)點的一組距離差；
步驟8，重新指定兩個從錨節(jié)點，重復步驟2到步驟7的過程，目標節(jié) 點將得到其到該重新指定的兩個從錨節(jié)點的另一組距離差；當目標節(jié)點測得 至少2組距離差信息后，根據(jù)幾何計算方法，目標節(jié)點即可實現(xiàn)自身節(jié)點位 置的定位。
上述方案中，所述步驟3中，頻率和相位的跟蹤是指，從錨節(jié)點在主錨 節(jié)點發(fā)射的參考信號作用下，采用鎖相環(huán)的方式進行頻率和相位跟蹤，不斷 調(diào)整自身參考信號的頻率和相位，使得兩者頻率保持一致，相位差保持恒定。 所述步驟8的幾何計算方法為雙曲線計算方法當進行第一次測量后，得到 目標節(jié)點Xi到從錨節(jié)點Sl、 S2的距離差，即測量出c(^-^^^w，其中 《^01,2)表示節(jié)點Xi到節(jié)點Sj的距離，ml表示第一次測得的距離差值，這 實際上在二維平面上構(gòu)成了一條雙曲線，從錨節(jié)點Sl和S2分別處于該雙曲 線的兩個焦點上。當我們重新選取兩個從錨節(jié)點S2和S3進行測量時，則由 距離差-《^ =m2構(gòu)成另一條雙曲線，從錨節(jié)點S2和S3分別處于該雙曲 線的兩個焦點上，目標節(jié)點Xi即處于所構(gòu)成的兩條雙曲線的交點上，因而可 以利用幾何知識計算出節(jié)點Xi的具體位置。
本發(fā)明帶來的有益效果是
1. 該方法僅利用無線通信設備進行定位，而不需要附加其它設備(如超 聲收發(fā)裝置等)，降低了硬件成本和系統(tǒng)的復雜度。
2. 該方法通過相位進行測量定位，定位精度比利用RSSI或多跳計數(shù)的定 位精度高。通?；赗SSI方法的定位誤差為幾米左右，而基于相位測量的定 位誤差可以達到幾厘米。
3. 系統(tǒng)的擴展性好，系統(tǒng)工作的復雜度不隨待定位數(shù)目的增多而變高。 待定位的目標節(jié)點自身僅做信號接收測量即可完成定位，無需其相鄰節(jié)點參 與輔助測量，也無需進行集中式定位處理，定位處理過程與節(jié)點分布密度數(shù) 量無關，整體的計算量被分散于各個待定位節(jié)點中，因此系統(tǒng)具有很好的可擴展性。
4.由于待定位節(jié)點不需要發(fā)送自身信息，因此待定位節(jié)點的位置隱私將 得以很好的保護。


圖1為本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點分布舉例示意圖。其中斜線陰影節(jié)
點表示主錨節(jié)點M，實心陰影節(jié)點表示從錨節(jié)點Sj，空心節(jié)點表示待定位的 目標節(jié)點Xi。其中《,，(i=l..K， j=l..N)為目標節(jié)點Xi到從錨節(jié)點Sj的距 離。
圖2為針對3個從錨節(jié)點網(wǎng)絡的一種幀結(jié)構(gòu)劃分方式。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
步驟1，建立一個無線網(wǎng)絡，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點包括輔助定位的錨節(jié)點和被定位
的目標節(jié)點Xi (i=l， 2，， K);錨節(jié)點固定在網(wǎng)內(nèi)已知位置，包括一個主 錨節(jié)點M和若干個從錨節(jié)點Sj， (j=l，…，N)，主錨節(jié)點已知所有從錨節(jié) 點的位置坐標信息；待定位的目標節(jié)點在網(wǎng)內(nèi)隨機散布。如圖l所示；圖中 從錨節(jié)點數(shù)N:3，目標節(jié)點數(shù)^:=4。
步驟2,主錨節(jié)點M向全網(wǎng)廣播本次定位服務的調(diào)度安排，包括指定兩 個從錨節(jié)點S1和S2發(fā)射導頻信號，以及其各自的信號發(fā)射時間；如圖2所 示。子幀1中從錨節(jié)點Sl和S2參與，子幀2中從錨節(jié)點S2和S3參與。每 個子幀中又包括從錨節(jié)點間的同步時隙T1和發(fā)送參考信號時隙T2。子幀1 和子幀2交替進行。
步驟3，選定某一頻率fl-2400MHz作為參考信號頻率。主錨節(jié)點M在 預定時段向全網(wǎng)廣播參考信號，網(wǎng)內(nèi)其它節(jié)點(從錨節(jié)點和目標節(jié)點)接收 該信號，并進行頻率和相位的跟蹤，使得其本地參考信號與接收到的參考導 頻信號同步。本實施例中采用軟件鎖相環(huán)進行相位同步，利用IQ信號進行 頻率估計，以估計出的頻率作為鎖相環(huán)自由振蕩頻率，增大鎖相環(huán)的捕捉范圍。
步驟4，當步驟2中指定的兩個從錨節(jié)點Sl和S2鎖相環(huán)鎖相穩(wěn)定后， 各從錨節(jié)點依次在其預定發(fā)射時段T2，將其同步好的本地參考信號發(fā)回給主 錨節(jié)點M;與此同時，主錨節(jié)點M依次分別接收這兩個從錨節(jié)點發(fā)回的參 考信號，并與主錨節(jié)點本地的參考信號進行相位比較，由于存在路徑、收發(fā) 通道的相移，從節(jié)點發(fā)回的參考信號與主節(jié)點自身的參考信號之間存在相位 差。主節(jié)點通過比較兩者的相位可以測得該相位差，并結(jié)合錨節(jié)點位置信息 可進一步消除掉節(jié)點間因距離帶來的相位差，最終得到針對某從錨節(jié)點的相 位校正因子。
步驟5，主節(jié)點分別將相位校正因子回傳給對應的從錨節(jié)點Sl和S2。 校正因子回傳的方式有多種，本實施例中采用主錨節(jié)點將校正因子量化后， 以數(shù)字的方式編碼通過無線信號回傳給從錨節(jié)點。從錨節(jié)點Sl和S2根據(jù)收 到的校正因子，調(diào)整其發(fā)射參考信號的相位，達到兩個從錨節(jié)點發(fā)射信號的 相位同步。
步驟6，在從錨節(jié)點Sl和S2相位同步后，它們分別向待定位的目標節(jié) 點發(fā)射各自的參考信號，同時目標節(jié)點分別對各從錨節(jié)點發(fā)來的參考信號進 行相位測量。由于從錨節(jié)點間發(fā)射機是同步的，因此目標節(jié)點測得的相位將 隨目標節(jié)點到從錨節(jié)點的距離不同而不同。最終，目標節(jié)點將得到各從錨節(jié) 點參考信號的相位差，該相位差包含了目標節(jié)點到各從錨節(jié)點的距離差信息， 即相位差^ = 2"(^'—《》"—d270，其中^,為目標節(jié)點XI到從錨節(jié)點Sj (j=l， 2， 3)的距離，^為參考信號頻率的波長，但由于相位具有h模糊性， 所以僅在一個頻率上測量不能確定該距離差；
步驟7，重新選取另一些頻率作為參考信號的頻率，如f2=2410MHz， f3=2420MHz，重復步驟3到步驟6的測量過程。目標節(jié)點將得到不同頻率下 的相位差，由此可以排除相位的模糊性。例如通過搜索具有最小均方誤差的 距離差，最終可以確定目標節(jié)點到各從錨節(jié)點的距離差。測量選用的頻率越 多，測量的誤差越小。本實施例中在3個頻率fl， f2， fi上分別進行測量。
步驟8，重新選取另外兩個從錨節(jié)點，如從錨節(jié)點S2和S3，重復步驟2到步驟7的過程。目標節(jié)點將得到其到這兩個從錨節(jié)點的距離差。當目標節(jié) 點測得至少2組距離差信息后，根據(jù)雙曲線定位方法，可以進行自身節(jié)點位 置的計算。即當進行第一次測量后，得到目標節(jié)點X1到從錨節(jié)點S1、 S2的 距離差，即測量出^—"^'="，其中m表示測得的距離差值。這實際上在二 維平面上構(gòu)成了一條雙曲線，從錨節(jié)點Sl和S2分別處于該雙曲線的兩個焦 點上。當我們重新選取兩個從錨節(jié)點進行測量時，例如從錨節(jié)點S2和S3， 則由距離差《^'—《a =^構(gòu)成另一條雙曲線，從錨節(jié)點S2和S3分別處于該
雙曲線的兩個焦點上。目標節(jié)點X1即處于這兩條雙曲線的交點上，因而可 以利用本技術(shù)領域內(nèi)公知的雙曲線幾何定位算法對節(jié)點XI進行定位。
權(quán)利要求
1、一種基于相位測量的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1，建立一個無線網(wǎng)絡，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點包括輔助定位的錨節(jié)點和被定位的目標節(jié)點Xi(i＝1，2，…，K)；錨節(jié)點固定在網(wǎng)內(nèi)已知位置，包括一個主錨節(jié)點M和至少三個從錨節(jié)點Sj，(j＝1..N)，主錨節(jié)點M已知所有從錨節(jié)點的位置坐標信息；待定位的目標節(jié)點在網(wǎng)內(nèi)隨機散布；步驟2，主錨節(jié)點M向全網(wǎng)廣播本次定位服務的調(diào)度安排，包括指定兩個從錨節(jié)點發(fā)射導頻信號以及各自的信號發(fā)射時間；步驟3，選定頻率f1作為參考信號頻率，主錨節(jié)點M在預定時隙向全網(wǎng)廣播參考信號，網(wǎng)內(nèi)其它從錨節(jié)點和目標節(jié)點接收該信號，并進行頻率和相位的跟蹤，使得其本地參考信號與接收到的參考信號同步；步驟4，當步驟2中指定的兩個從錨節(jié)點完成步驟3中的同步后，各從錨節(jié)點依次在其預定發(fā)射時隙將其同步好的本地參考信號發(fā)回給主錨節(jié)點M；與此同時，主錨節(jié)點M依次分別接收指定的兩個從錨節(jié)點發(fā)回的參考信號，并與主錨節(jié)點本地的參考信號進行相位比較，主錨節(jié)點通過比較主、從節(jié)點的相位測得該相位差，并結(jié)合從錨節(jié)點位置信息可進一步消除掉節(jié)點間因距離帶來的相位差，最終得到針對該從錨節(jié)點的相位校正因子；步驟5，主錨節(jié)點分別將相位校正因子回傳給該指定的兩個從錨節(jié)點，從錨節(jié)點根據(jù)收到的校正因子，調(diào)整其發(fā)射參考信號的相位，使得該指定的兩個從錨節(jié)點發(fā)射信號的相位同步；步驟6，在該指定的兩個從錨節(jié)點相位同步后，它們分別向待定位的目標節(jié)點發(fā)射各自的參考信號，同時目標節(jié)點分別對各指定的從錨節(jié)點發(fā)來的參考信號進行相位測量，由于該指定的兩個從錨節(jié)點發(fā)射信號是同步的，因此目標節(jié)點測得的相位將隨目標節(jié)點到指定從錨節(jié)點的距離不同而不同，最終，目標節(jié)點將得到各指定的從錨節(jié)點參考信號的相位差，該相位差包含了目標節(jié)點到各指定的從錨節(jié)點的距離差信息，但由于相位具有2π模糊性，所以僅在一個頻率上測量不能確定該距離差；步驟7，重新選取頻率f2，f3，…，fL(L≥2)作為參考信號的頻率，重復步驟3到步驟6的測量過程，目標節(jié)點將得到不同頻率下的相位差，由此可以排除相位的模糊性，從而得到目標節(jié)點到該指定的兩個從錨節(jié)點的一組距離差；步驟8，重新指定兩個從錨節(jié)點，重復步驟2到步驟7的過程，目標節(jié)點將得到其到該重新指定的兩個從錨節(jié)點的另一組距離差；當目標節(jié)點測得至少2組距離差信息后，根據(jù)幾何計算方法，目標節(jié)點即可實現(xiàn)自身節(jié)點位置的定位。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于相位測量的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法， 其特征在于，所述步驟8的幾何計算方法為雙曲線算法當進行第一次測量 后，得到目標節(jié)點Xi到從錨節(jié)點Sl、 S2的距離差，即測量出^^-^^二w， 其中《A(7'-1,2)表示節(jié)點Xi到節(jié)點Sj的距離，nu表示第一次測得的距離差值， 這實際上在二維平面上構(gòu)成了一條雙曲線，從錨節(jié)點Sl和S2分別處于該雙 曲線的兩個焦點上；當重新選取兩個從錨節(jié)點S2和S3進行測量時，則由距 離差&&-=附2構(gòu)成另一條雙曲線，從錨節(jié)點S2和S3分別處于該雙曲線 的兩個焦點上，目標節(jié)點Xi即處于所構(gòu)成的兩條雙曲線的交點上，因而可以 利用幾何學計算出節(jié)點Xi的具體位置。
3、 如權(quán)利要求1所述的基于相位測量的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法， 其特征在于，所述步驟3中，頻率和相位的跟蹤是指，從錨節(jié)點在主錨節(jié)點 發(fā)射的參考信號作用下，采用鎖相環(huán)的方式進行頻率和相位跟蹤，不斷調(diào)整 自身參考信號的頻率和相位，使得兩者頻率保持一致，相位差保持恒定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相位測量的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，首先，建立一個無線網(wǎng)絡構(gòu)架，包括至少四個已知位置的錨節(jié)點和若干個隨機散布的待定位目標節(jié)點；錨節(jié)點按其作用不同分為一個主錨節(jié)點和若干個從錨節(jié)點；其次，從錨節(jié)點和目標節(jié)點根據(jù)主錨節(jié)點的控制信令和參考導頻信號進行收發(fā)機同步；接著，主錨節(jié)點根據(jù)各從錨節(jié)點的探測導頻信號進行相位檢測和對從錨節(jié)點進行相位測量補償；最后，目標節(jié)點利用若干組相位測量結(jié)果進行到各從錨節(jié)點的距離差估計并最終利用這些距離差信息完成自身定位。
文檔編號H04W64/00GK101435867SQ20081023278
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者殷勤業(yè), 晨 王, 王文杰, 瑋 韓 申請人:西安交通大學