一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的移動節(jié)點組合定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及屬于無線網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域，特別是一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的移動節(jié)點組合定 位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 室內(nèi)環(huán)境存在非視距、多徑、干擾多變等因素，常用的蜂窩定位、GPS定位等技術(shù)不 能很好地滿足室內(nèi)高精度定位需求。同時，隨著無線局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能終端的蓬勃發(fā)展， 人們對室內(nèi)定位的需求與日倶增，高定位精度、低復雜度的室內(nèi)定位方法已成為研究熱點。
[0003] 現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)主要有：Wi-Fi定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、 UWB(Ultra-Wideband)定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)、視覺定位技術(shù)等。其中，Wi-Fi定位技術(shù)精 度不高，且需要定位區(qū)域內(nèi)有足夠多的Wi-Fi接入點；超聲波定位技術(shù)精度高，但要求定位 環(huán)境為可視距環(huán)境，且需要大量的底層硬件設(shè)施，成本太高；UWB定位技術(shù)抗干擾能力強， 定位精度高，但要求高精度的時鐘同步且信號收發(fā)裝置昂貴；RFID定位技術(shù)通常需要采用 無線信號傳輸模型，因此其定位精度會隨定位環(huán)境實時變化；視覺定位技術(shù)要求所定位目 標與探測器直接線性可視，應(yīng)用局限。
[0004]最近，線性調(diào)頻擴頻（ChirpSpreadSpectrum，CSS)技術(shù)被IEEE802. 15. 4a標準 所采納，成為一種應(yīng)用于室內(nèi)定位的新型技術(shù)。該技術(shù)支持精確測距，并且定位算法實現(xiàn)簡 單，可實現(xiàn)室內(nèi)非視距環(huán)境下的定位，非常適合應(yīng)用于室內(nèi)定位。但是該技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定 位仍存在以下問題亟需解決：（1)多徑、非視距等因素導致CSS測距誤差較大，嚴重降低了 定位精度；（2)CSS信號室內(nèi)局部盲區(qū)導致CSS定位失效和不連續(xù)，需要其他定位技術(shù)補充。
[0005] 最近，隨著基于MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)技術(shù)的慣性傳感器在 智能終端上的廣泛應(yīng)用，慣性傳感器定位技術(shù)成為研究熱點。其優(yōu)點是低成本、自主式和短 時間內(nèi)定位精度高，可以有效彌補CSS信號盲區(qū)導致的定位不連續(xù)?；谏鲜隹紤]，利用 CSS定位技術(shù)和慣性傳感器定位技術(shù)的互補特性，可有效解決由多徑、非視距等因素引起的 定位誤差和由信號盲區(qū)導致的定位不連續(xù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無 線網(wǎng)絡(luò)的移動節(jié)點組合定位方法。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的移動節(jié)點組合定位方 法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，進行CSS線性調(diào)頻擴頻測距，獲得測距樣本并計算樣本均值
[0009] 步驟2,利用步驟1得到的樣本均值石進行非視距判決，獲得移動節(jié)點在t(t彡0) 時刻的可視狀態(tài)；
[0010] 步驟3,建立移動節(jié)點的運動模型，求取移動節(jié)點在t+Ι時刻的位置；
[0011] 步驟4,對移動節(jié)點進行組合定位。
[0012] 其中，步驟1包括如下步驟：
[0013] 步驟1-1，采用CSS線性調(diào)頻擴頻測距的雙邊雙向測距技術(shù)測量移動節(jié)點與參考 節(jié)點之間的距離，獲得N個測距樣本，用?,1SA：S表示，其中表示該移動節(jié)點與參 考節(jié)點j之間第k次測距樣本；
[0014] 步驟1-2,采用如下公式求取N個測距樣本的樣本均值3^:
[0016] 樣本均值I；表示移動節(jié)點與參考節(jié)點在t時刻的測距距離。
[0017] 步驟2包括如下步驟：
[0018] 步驟2-1，利用樣本均值石和移動節(jié)點與參考節(jié)點之間的估計距離為計計算 移動節(jié)點與參考節(jié)點間的可視概率Pt，計算模型采用高斯概率分布函數(shù)，并定義標準差 〇 (0〈σ〈0. 8)，可視概率Pt的計算公式為：
[0019]
[0020]步驟2-2,根據(jù)概率閾值P(0. 1〈P〈0. 5)，利用可視概率Pt，通過下式計算移動節(jié)點 在t時刻的可視狀態(tài)st:
[0021]
[0022] 其中p(st=l|stl)表示可視狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，st= 1表示移動節(jié)點為可視，st=0 表示移動節(jié)點為非可視。
[0023] 步驟2-1中，移動節(jié)點與參考節(jié)點之間的估計距離美:通過下式計算獲得：
[0025] 其中（x"yj表示第r個參考節(jié)點的位置坐標，（x「，yt_)表示t-Ι時刻移動節(jié)點的 位置坐標。
[0026] 步驟2-2中，可視狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率p(st= 11stJ通過下式計算：
[0028] 上式表示可視狀態(tài)從t-Ι時刻的狀態(tài)1或0,轉(zhuǎn)移到t時刻狀態(tài)1或0的概率，根 據(jù)實驗數(shù)據(jù)為了達到更好的定位效果，建議取值為〇. 95和0. 05,也可以根據(jù)實際環(huán)境和應(yīng) 用按需改變。
[0029] 步驟3包括如下步驟：
[0030] 步驟3-1，將集成了三維加速度計和三維磁強計的移動節(jié)點定義到一個x-y-z坐 標系，稱為移動節(jié)點坐標系，取移動節(jié)點的重心為移動節(jié)點坐標系原點，三個軸分別與移動 節(jié)點的縱軸、橫軸和豎軸相重合，本步驟中的移動節(jié)點也可以是承載移動的節(jié)點的機器人， 或者小車等物體；
[0031] 步驟3-2,三維加速度計傳感器測量獲得移動節(jié)點在X，y，z軸上的加速度，通過加 速度求取移動節(jié)點的速度信息vt;
[0032] 步驟3-3,三維磁強計測量獲得地球磁場在X，y，z軸上的磁場強度分量，求取移動 節(jié)點的航向角糾；
[0033] 步驟3-4,利用下式所示的運動模型，求取移動節(jié)點在t+1時刻的位置坐標 (xt+1, yt+1)：
[0034]
[0035]其中^為t時刻與t+1時刻之間的時間間隔，（xt，yt)表示移動節(jié)點在t時刻的 位置坐標，如t和％.￡分別表示t時刻移動節(jié)點在X軸方向上的加速度和t時刻移動節(jié)點在 y軸方向上的加速度，移動節(jié)點的加速度用零均值的高斯噪聲模擬，高斯噪聲的方差根據(jù)三 維加速度計數(shù)據(jù)進行估算。
[0036] 步驟4包括如下步驟：
[0037] 步驟4-1，定義卡爾曼濾波KF的狀態(tài)矢量Xk，如下式所示：
[0038] Xk= [sXivXiaXisyiv yiay]T,
[0039] 其中SdPs及別表示移動節(jié)點在一段時間（建議取值范圍為0. 5秒~3秒）通 過的距離，\和vy分別表示移動節(jié)點沿X軸的速度和移動節(jié)點沿y軸的速度，通過步驟3-2 中的速度信息vt獲得，aJPa,分別表示移動節(jié)點的三維加速度計沿X軸的加速度和三維加 速度計沿y軸的加速度，T表示矩陣轉(zhuǎn)置；
[0040] 步驟4-2,利用下式對卡爾曼濾波KF的狀態(tài)矢量Xk作進一步預測：
[0041] \=①k，kAι+Wk1，
[0042] 其中，i為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Xki為狀態(tài)矢量-時刻的狀態(tài)矢量，Wki為系統(tǒng) 過程噪聲矢量；
[0043] 步驟4-3,計算卡爾曼濾波KF的測量矢量Zk，如下式所示：
[0044] Zk= [1 x,ly],
[0045] 其中l(wèi)x，ly分別表示利用CSS定位獲得的移動節(jié)點在x和y軸上的位置；
[0046] 步驟4-4,利用下式測量方程獲得移動節(jié)點的位置估計：
[0047] Zk=HkXk+Vk，
[0048] 其中測量轉(zhuǎn)移矩陣Hk如下式所示：
[0050] 測量噪聲矢量Vk的方差Rk如下式所示：
[0052] 其中方差值：:σ|和 < 根據(jù)實驗仿真數(shù)據(jù)進行定義，
[0053] 步驟4-2中所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣?k,ki計算公式如下：
[0056] 其中diag表示構(gòu)建對角矩陣，f表示從第k-Ι步到第k步的時間間隔，取值范圍 0 <Γ< 5；
[0057] 系統(tǒng)過程噪聲Wki的方差矩陣Qki的計算公式如下：
[0060] 有益效果：
[0061] 該方法的優(yōu)點是低成本、定位精度高、實時性和連續(xù)性較好，可有效解決由多徑、 非視距等因素引起的定位誤差和由信號盲區(qū)導致的定位不連續(xù)問題。
【附圖說明】
[0062] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做更進一步的具體說明，本發(fā)明的上述和 /或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。
[0063] 圖1是本發(fā)明CSS測距過程。
[0064] 圖2是本發(fā)明組合定位過程。
【具體實施方式】
[0065] 以下對本發(fā)明的方法作進一步描述：該實施例以本發(fā)明方法為基礎(chǔ)，給出了詳細 的設(shè)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。該實施例包括 以下步驟：
[0066] 步驟1，進行CSS線性調(diào)頻擴頻測距，獲得測距樣本并計算樣本均值ξ，包括：
[0067] (1)移動節(jié)點（位置未知節(jié)點）與CSS參考節(jié)點（位置已知節(jié)點）采用雙邊雙向 測距技術(shù)測量移動節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離，具體測距過程如圖1所示，移動節(jié)點首先 發(fā)送一個測距數(shù)據(jù)包給參考節(jié)點，當參考節(jié)點接收到來自移動節(jié)點的測距數(shù)據(jù)包時，立刻 給移動節(jié)點發(fā)送一個應(yīng)答包，移動節(jié)點接收到參考節(jié)點發(fā)送回的應(yīng)答包后，就完成了第一 次雙向測距，獲得了從移動節(jié)點到參考節(jié)點的傳輸延遲時間?\和參考節(jié)點的數(shù)據(jù)處理延遲 時間Τ2。緊接著，由參考節(jié)點發(fā)起進行第二次雙向測距。最后參考節(jié)點將第二次雙邊測距的 結(jié)果傳送給移動節(jié)點，從而移動節(jié)點獲得了從參考節(jié)點到移動節(jié)點的傳輸時延1~3和移動節(jié) 點的數(shù)據(jù)處理時延Τ4。利用?\、τ2、1~3和Τ4，可以獲得移動節(jié)點到參考節(jié)點的單向傳輸時間 TTCF，進而獲得移動節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離信息其中if表示該未知節(jié)點與參考節(jié)點j之間第k次測距樣本：
[0070] 其中c無線信號在空中傳輸?shù)乃俣燃垂馑?。未知?jié)點重復測量N次，獲得N個相 應(yīng)的測距樣本，用{>$1S轉(zhuǎn)表示。
[0071] (2)對N個測距樣本{djVlS&幺/V]求樣本均值J;計算公式如下式：
[0073] 其中石表示移動節(jié)點與參考節(jié)點在t時刻的測距距離。
[0074] 步驟2,利用步驟1得到的樣本均值