專利名稱：一種定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及定位領(lǐng)域，尤其涉及一種定位方法。
背景技術(shù)：
隨著無線網(wǎng)絡(luò)的普及和計算機技術(shù)的發(fā)展，基于位置服務(wù)(LBS)在現(xiàn)實生活中越來越受關(guān)注，人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大。目前通用的GPS定位已經(jīng)應(yīng)用在各種領(lǐng)域中，但是GPS在特殊環(huán)境中信號會中斷或質(zhì)量差，譬如在室內(nèi)，地下通道，礦井，復(fù)雜建筑群中等。新興的無線導(dǎo)航定位技術(shù)相繼出現(xiàn)，如Zigbee，RFID(Radic) Frequency Identification，射頻識別)，UffB (Ultra Wideband，超寬帶無線技術(shù))，WIFI (wireless fidelity，無線保真)等。ZigBee技術(shù)是一種以IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的短距離無線通信協(xié)議?；?ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)定位相對來說，有以下優(yōu)點成本低，功耗低，容量大，自愈能力強，可靠性高，時延短。目前，已被無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)所廣泛采用的一種無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前的定位算法從定位手段來說分兩大類(可參見王福豹，史-龍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法[J].軟件學(xué)報，2005，16 (5) :857-868.),基于測距的定位算法(Range-based)和無需測距的定位算法(Range-free)。前者通過測量節(jié)點間點到點的距離或角度信息估算節(jié)點位置，后者則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息即可估算節(jié)點位置。Range-based 常用測距技術(shù)有RSSI (Received Signal Strength Indication 接收的信號強度指示)、TOA (Time of Arrival，到達時間)、TDOA(Time Difference of Arrival, 到達時間差)、AOA(Angle of Arrival，到達角)；Range-free的定位方法主要有質(zhì)心法、 DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT定位算法?；跍y距的定位算法必須首先獲取節(jié)點間的距離，常用的測距技術(shù)有全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)、紅外線、超聲波、RSSI等。其中GPS、紅外線、超聲波等測距技術(shù)都需要額外的硬件與以支持，增加了硬件的成本和尺寸。基于RSSI測距技術(shù)無需額外的硬件，普通的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般都能提取RSSI值，再根據(jù)無線傳播路徑損耗理論，推算出無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的距離即可。目前，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)定位等領(lǐng)域中都需要用到RSSI測距模型，而大多的RSSI測距模型采用對數(shù)模型。根據(jù)無線傳播規(guī)律，無線信號能量在傳播過程中，會有損耗，而這種損耗與傳播路徑相關(guān)。RSSI測距法，正是利用此相關(guān)性得出發(fā)射節(jié)點到接受節(jié)點之間距離。在無線傳播理論中稱此種損耗為路徑損耗，此種相關(guān)性建立的模型為路徑損耗模型。路徑損耗模型可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?Empirical models)，半確定性模型 (Semi-deterministic models)，確定性模型(Deterministic models)。經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷囊恍﹨?shù)范圍，可以根據(jù)經(jīng)驗選取，模型較為簡單，精度不高，易用于大致估計。確定性模型，基于電磁波傳播理論和幾何光學(xué)，對實際場地進行大量測試分析，并建立起相關(guān)的地理信息數(shù)據(jù)庫，模型較為精確反映實際場地電波傳播情況。半確定性模型介于二者之間，抽樣采集部分?jǐn)?shù)據(jù)，通過一些數(shù)據(jù)處理擬合場地模型。
nj # B ( — ) Ranvier S. ,2004. Path Loss Models [R/OL]. Helsinki Helsinki University of Technology (HUT), November 2004. http://www. comlab. hut. fi/opetus/333/2004_2005_slides/Path_ loss_ models, pdf. (二) [ _ ]Theodore S. Rappaport著，周文安等譯，無線通信原理與應(yīng)用[M]，北京電子工業(yè)出版社，2006.(三) [力口] Simon Haykin and Michael Moher著，鄭寶玉等譯，現(xiàn)代無線通信[Μ]，北京電子工業(yè)出版社，2006。以上研究表明，RSSI路徑損耗可遵從式PL(d) = PL(Ci0)-IO-N- 1ο§Λ +( 1 )
d0其中，d為接受端與發(fā)射端之間的距離，d0為參考距離，PL(d)為接受端在d處接受信號功率(ClBmhPL(Clci)為接收端在(Itl處的接受信號功率(dBm)，路徑損耗指數(shù)因子N依賴于周圍環(huán)境和建筑物類型，X5表示標(biāo)準(zhǔn)偏差為δ dB均值為0的高斯分布隨機變量。在實際應(yīng)用過程中，可取Cltl= lm，然后收集接受端RSSI值。這樣一個簡化的模型可以表示為PL(d) = A-B · log(d) (2)參數(shù)A = PL(d0)+X5表示接受端在Im處的接受信號強度值及其波動性，B = 10 ·Ν 包含著實際環(huán)境的中的信號衰減指數(shù)。A與B值可以根據(jù)實際環(huán)境采集大量數(shù)據(jù)，曲線擬合確定。把式O)中的距離部分移到模型左邊，把接受信號強度部分移至模型右邊可以得到式(3)Iog(J) =A~= b0 + b\-PL (3)
J^ _ι其中，^O =—力 1 = —
B B在測距過程中，無線節(jié)點實時獲取PL(即RSSI值)即可根據(jù)模型求得節(jié)點之間的距離d。由于普通對數(shù)模型參數(shù)較為簡單，在不同的情況下變化不大，模型的適用性有限。多項式模型一般用來描述自變量與因變量的一個多項式相關(guān)性。從式C3)中可以看出log(d)與PL有一定的線性關(guān)系。此線性表達式可以看成一個線性多項式模型，為讓模型有一個更好的擬合效果，可以對式(3)的線性多項式進行多項式擴展，一個改進形式可以表達如式⑷所示log(d) = b0+bl · PL+b2 · PL2+......+bm · PLml (4)其中，d為接收端與發(fā)射端的距離，PL為接收端在d處接收的信號強度值，bm為多項式系數(shù)，ml為多項式的冪次。d與PL的多項式關(guān)系要好于log(d)與PL的多項式關(guān)系(可參見GUnther Retscher and Qing Fu,Integration of RFID,GNSS and DR for Ubiquitous Positioning in Pedestrian Navigation[C], ION GNSS 20th International Technical Meeting of Satellite Division, 25-28，September 2007，F(xiàn)ort Worth, TX，1155-1164.)。因此，可以改式(4)為式(5)d = a0+al · PL+a2 · PL2+......+am · PLm2 (5)am表示多項式的系數(shù)，m2為多項式的冪次。
當(dāng)有了多個距離后，就可以根據(jù)相關(guān)的定位算法估算用戶節(jié)點的位置。現(xiàn)有的加權(quán)質(zhì)心定位算法，其基本思想源自質(zhì)心定位法(可參見陳維克，李文鋒，首珩，等.基于RSSI 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)加權(quán)質(zhì)心定位算法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報交通科學(xué)與工程版，2006， 30(2) =265-268.)，通過加權(quán)因子來反映參考節(jié)點對質(zhì)心坐標(biāo)決定權(quán)的大小，利用加權(quán)因子來體現(xiàn)各參考節(jié)點對質(zhì)心位置的影響程度，反映它們間的內(nèi)在關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種更加精確定位方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種定位方法，包括A、選擇四個位置已知的無線節(jié)點作為參考節(jié)點；分別根據(jù)四個參考節(jié)點和待定位節(jié)點之間的信號強度值估算出該參考節(jié)點到待定位節(jié)點的距離；B、對于四個參考節(jié)點中的每三個參考節(jié)點構(gòu)成的二維平面，分別根據(jù)這三個參考節(jié)點到待定位節(jié)點的距離，按照加權(quán)質(zhì)心算法得到待定位節(jié)點在該二維平面上的近似位置，作為該二維平面的平面近似點；共得到四個平面近似點；C、根據(jù)所得到的四個平面近似點，再次使用加權(quán)質(zhì)心算法求出待定位節(jié)點的位置。進一步地，所述步驟A前還包括當(dāng)存在四個以上位置已知的無線節(jié)點時，選取待定位節(jié)點接收的信號最強的四個無線節(jié)點作為參考節(jié)點。進一步地，所述步驟A前還包括當(dāng)存在四個以上位置已知的無線節(jié)點時，選取待定位節(jié)點接收的信號最強的R個無線節(jié)點作為參考節(jié)點，R大于4 ；每四個參考點構(gòu)成一組，得到C〗組點，C〗為R個點中選擇 4個點時選擇方式的個數(shù)；分別根據(jù)C組點中每一組的四個參考節(jié)點進行步驟A C，將求出的待定位節(jié)點的位置作為本組的位置估計值，最后將求出的C〗個位置估計值的均值或加權(quán)值作為待定位節(jié)點的位置。進一步地，根據(jù)所得到的四個平面近似點求出待定位節(jié)點的位置是指根據(jù)下式求出待定位節(jié)點的坐標(biāo)值Xm、Ym、ai，其中XmlJmlJml為第一平面近似點的坐標(biāo)值，Xm2,Ym2,Zm2為第二平面近似點的坐標(biāo)值，Xm3,Ym3,Zm3為第三平面近似點的坐標(biāo)值，Xm4、Ym4、Zm4為第四平面近似點的坐標(biāo)值；rl、r2、r3、r4分別為估算出的四個所述參考節(jié)點到所述待定位節(jié)點的距離；
權(quán)利要求
1.一種定位方法，包括A、選擇四個位置已知的無線節(jié)點作為參考節(jié)點；分別根據(jù)四個參考節(jié)點和待定位節(jié)點之間的信號強度值估算出該參考節(jié)點到待定位節(jié)點的距離；B、對于四個參考節(jié)點中的每三個參考節(jié)點構(gòu)成的二維平面，分別根據(jù)這三個參考節(jié)點到待定位節(jié)點的距離，按照加權(quán)質(zhì)心算法得到待定位節(jié)點在該二維平面上的近似位置，作為該二維平面的平面近似點；共得到四個平面近似點；C、根據(jù)所得到的四個平面近似點，再次使用加權(quán)質(zhì)心算法求出待定位節(jié)點的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步驟A前還包括當(dāng)存在四個以上位置已知的無線節(jié)點時，選取待定位節(jié)點接收的信號最強的四個無線節(jié)點作為參考節(jié)點。
3.如權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步驟A前還包括當(dāng)存在四個以上位置已知的無線節(jié)點時，選取待定位節(jié)點接收的信號最強的R個無線節(jié)點作為參考節(jié)點，R大于4 ；每四個參考點構(gòu)成一組，得到C〗組點，C〗為R個點中選擇4個點時選擇方式的個數(shù)；分別根據(jù)C組點中每一組的四個參考節(jié)點進行步驟A C，將求出的待定位節(jié)點的位置作為本組的位置估計值，最后將求出的C〗個位置估計值的均值或加權(quán)值作為待定位節(jié)點的位置。
4.如權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于，根據(jù)所得到的四個平面近似點求出待定位節(jié)點的位置是指根據(jù)下式求出待定位節(jié)點的坐標(biāo)值Xm、Ym、ai，其中Xml、Yml、ail為第一平面近似點的坐標(biāo)值，Xm2、Ym2、ai2為第二平面近似點的坐標(biāo)值，Xm3、Ym3、ai3為第三平面近似點的坐標(biāo)值，Xm4、Ym4、Zm4為第四平面近似點的坐標(biāo)值；rl、r2、r3、r4分別為估算出的四個所述參考節(jié)點到所述待定位節(jié)點的距離；
5.如權(quán)利要求1到4中任一項所述的定位方法，其特征在于，估算出該參考節(jié)點到待定位節(jié)點的距離的步驟包括將該參考節(jié)點和待定位節(jié)點中的任一個作為發(fā)射端的無線節(jié)點，另一個作為接收端的無線節(jié)點；獲取接收端的無線節(jié)點獲取接收的信號強度值PLm ；根據(jù)離線階段獲得的參數(shù)E0, El........Em3及下式得到接收端與發(fā)射端的無線節(jié)點之間的距離d:PLon(d) = A-101+EO+E1+-+En · log(d) ；m3 為大于 2 的整數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的定位方法，其特征在于，所述離線階段包括將一個無線節(jié)點作為發(fā)射端，另一個作為接收端；固定發(fā)射端的無線節(jié)點，在一條直線上移動接收端的無線節(jié)點，每次移動一定距離后，實際測量發(fā)射端和接收端的無線節(jié)點之間的距離d，及該距離下接收端的無線節(jié)點接收的信號強度值PL ；采集至少(m3+l)個離線階段的PL及d后，通過下式得到(m3+l)個N:PL(d)= A-IO · N · log(d)；再通過這(m3+l)個N、及各N對應(yīng)的離線階段的PL，根據(jù)下式得到參數(shù)c0，cl，......，cm3 N _ j QcO + c\-PL + --- + cm3-PLm3 .求出 En = cm3*PLm3，η = 0，1，......，m3。
7.如權(quán)利要求6所述的定位方法，其特征在于 所述m3的取值范圍為2 5，包括2和5。
8.如權(quán)利要求6所述的定位方法，其特征在于 m3 為 3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定位方法，包括選擇四個位置已知的無線節(jié)點作為參考節(jié)點；分別根據(jù)四個參考節(jié)點和待定位節(jié)點之間的信號強度值估算出該參考節(jié)點到待定位節(jié)點的距離；對于四個參考節(jié)點中的每三個參考節(jié)點構(gòu)成的二維平面，分別根據(jù)這三個參考節(jié)點到待定位節(jié)點的距離，按照加權(quán)質(zhì)心算法得到待定位節(jié)點在該二維平面上的近似位置，作為該二維平面的平面近似點；共得到四個平面近似點；根據(jù)所得到的四個平面近似點，再次使用加權(quán)質(zhì)心算法求出待定位節(jié)點的位置。本發(fā)明的定位結(jié)果更可靠。
文檔編號H04W64/00GK102497666SQ20111041544
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者李海濤, 李英成, 郭杭, 陳群, 高星偉 申請人:中國測繪科學(xué)研究院