定位技術解析課件

定位技術4.24.2定位技術4.2.1傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位問題1、定位的含義無線傳感器網(wǎng)絡定位問題的含義是指自組織的網(wǎng)絡通過特定方法提供節(jié)點的位置信息。這種自組織網(wǎng)絡定位分為節(jié)點自身定位和目標定位。位置信息有多種分類方法。位置信息有物理位置和符號位置兩大類。位置信息有多種分類方法。位置信息有物理位置和符號位置兩大類。

物理位置指目標在特定坐標系下的位置數(shù)值，表示目標的相對或者絕對位置。

符號位置指在目標與一個基站或者多個基站接近程度的信息，表示目標與基站之間的連通關系，提供目標大致的所在范圍。物理位置和符號位置

根據(jù)不同的依據(jù)，無線傳感器網(wǎng)絡的定位方法可以進行如下分類：(1)根據(jù)是否依靠測量距離，分為基于測距的定位和不需要測距的定位；

(2)根據(jù)部署的場合不同，分為室內(nèi)定位和室外定位；

(3)根據(jù)信息收集的方式，網(wǎng)絡收集傳感器數(shù)據(jù)稱為被動定位，節(jié)點主動發(fā)出信息，用于定位稱為主動定位。1、定位的含義2、基本術語(1)錨點：指通過其它方式預先獲得位置坐標的節(jié)點，有時也稱作信標節(jié)點。網(wǎng)絡中相應的其余節(jié)點稱為非錨點。

(2)測距：指兩個相互通信的節(jié)點通過測量方式來估計出彼此之間的距離或角度。

(3)連接度：包括節(jié)點連接度和網(wǎng)絡連接度兩種含義。節(jié)點連接度是指節(jié)點可探測發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點個數(shù)。網(wǎng)絡連接度是所有節(jié)點的鄰居數(shù)目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。

(4)鄰居節(jié)點：傳感器節(jié)點通信半徑范圍以內(nèi)的所有其它節(jié)點，稱為該節(jié)點的鄰居節(jié)點。(5)跳數(shù)：兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數(shù)，稱為這兩個節(jié)點間的跳數(shù)。

(6)基礎設施：協(xié)助傳感器節(jié)點定位的已知自身位置的固定設備，如衛(wèi)星、基站等。

(7)到達時間：信號從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需要的時間，稱為信號的到達時間。

(8)到達時間差(TDoA)：兩種不同傳播速度的信號（例如，電波和聲波）從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需要的時間之差，稱為信號的到達時間差。

(9)接收信號強度指示(RSSI)：節(jié)點接收到無線信號的強度大小，稱為接收信號的強度指示。2、基本術語(10)到達角度(AngleofArrival,AoA)：節(jié)點接收到的信號相對于自身軸線的角度，稱為信號相對接收節(jié)點的到達角度。(11)視線關系(LineofSight,LoS)：如果傳感器網(wǎng)絡的兩個節(jié)點之間沒有障礙物，能夠實現(xiàn)直接通信，則這兩個節(jié)點間存在視線關系。

(12)非視線關系：傳感器網(wǎng)絡的兩個節(jié)點之間存在障礙物，影響了它們直接的無線通信。2、基本術語3、定位性能的評價指標

衡量定位性能有多個指標，除了一般性的位置精度指標以外，對于資源受到限制的傳感器網(wǎng)絡，還有覆蓋范圍、刷新速度和功耗等其它指標。1.位置精度是定位系統(tǒng)最重要的指標，精度越高，則技術要求越嚴，成本也越高。定位精度指提供的位置信息的精確程度，它分為相對精度和絕對精度。絕對精度指以長度為單位度量的精度。相對精度通常以節(jié)點之間距離的百分比來定義。設節(jié)點i的估計坐標與真實坐標在二維情況下的距離差值為Δdi，則N個未知位置節(jié)點的網(wǎng)絡平均定位誤差為：2.覆蓋范圍和位置精度是一對矛盾性的指標。3.刷新速度是指提供位置信息的頻率。（刷新速率越快，動態(tài)節(jié)點的位置信息的實時性越好）定位實時性更多的是體現(xiàn)在對動態(tài)目標的位置跟蹤。4.功耗作為傳感器網(wǎng)絡設計的一項重要指標，對于定位這項服務功能，人們需要計算為此所消耗的能量。

定位性能的評價指標4、定位系統(tǒng)的設計要點

在設計定位系統(tǒng)的時候，要根據(jù)預定的性能指標，在眾多方案之中選擇能夠滿足要求的最優(yōu)算法，采取最適宜的技術手段來完成定位系統(tǒng)的實現(xiàn)。通常設計一個定位系統(tǒng)需要考慮兩個主要因素，即定位機制的物理特性和定位算法。4.2.2基于測距的定位技術基于測距的定位技術是通過測量節(jié)點之間的距離，根據(jù)幾何關系計算出網(wǎng)絡節(jié)點的位置。解析幾何里有多種方法可以確定一個點的位置。比較常用的方法是多邊定位和角度定位。1、測距方法(1)接收信號強度指示(RSSI)RSSI測距的原理如下：接收機通過測量射頻信號的能量來確定與發(fā)送機的距離。將無線信號的發(fā)射功率和接收功率之間的關系表述為下式所示，其中PR是無線信號的接收功率，PT是無線信號的發(fā)射功率，r是收發(fā)單元之間的距離，n傳播因子，傳播因子的數(shù)值大小取決于無線信號傳播的環(huán)境。1、測距方法(1)接收信號強度指示(RSSI)無線信號接收強度指示與信號傳播距離之間的關系(2)到達時間

(ToA)這類方法通過測量傳輸時間來估算兩節(jié)點之間距離，精度較好。ToA機制是已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離。ToA測距原理的過程示例1、測距方法到達時間

(ToA)1.假設兩個節(jié)點都已完成時間同步，節(jié)點知道聲波的傳輸速率。2.揚聲器放出偽噪聲，同時無線傳輸模塊，發(fā)出偽噪聲序列信息發(fā)送的時間（T1）。3.接收節(jié)點根據(jù)聲波的速度（V）和到達時間（T2）進行距離的計算。距離d=V*（T2-T1）優(yōu)點：對硬件要求的成本和復雜度低缺點：聲波速度易受到大氣的干擾

在基于TDoA的定位機制中，發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達的時間差以及這兩種信號的傳播速度，計算兩個節(jié)點之間的距離。（注意：硬件要求較高）發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射無線射頻信號和超聲波信號，接收節(jié)點記錄下這兩種信號的到達時間T1、T2，已知無線射頻信號和超聲波的傳播速度為c1、c2,那么兩點之間的距離為(T2-T1)*S，其中S=c1*c2/(c1-c2)。測距方法-基于TDoA的定位機制

該方法通過配備特殊天線來估測其它節(jié)點發(fā)射的無線信號的到達角度。

AoA測距技術易受外界環(huán)境影響，且需要額外硬件（配有特殊天線），它的硬件尺寸和功耗指標不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡，在某些應用領域可以發(fā)揮作用。(3)到達角(AoA)2、多邊定位

多邊定位法基于距離測量(如RSSI、ToA/TDoA)的結果。確定二維坐標至少具有三個節(jié)點至錨點的距離值；確定三維坐標，則需四個此類測距值。

用矩陣和向量表達為形式Ax=b，其中：3、Min-max定位方法Min-max定位是根據(jù)若干錨點位置和至待求節(jié)點的測距值，創(chuàng)建多個邊界框，所有邊界框的交集為一矩形，取此矩形的質心作為待定位節(jié)點的坐標。

采用三個錨點進行定位的Min–max方法示例，即以某錨點i(i=1,2,3)坐標()為基礎，加上或減去測距值

，得到錨點i的邊界框：

在所有位置點

中取最小值、所有

中取最大值，則交集矩形取作：

三個錨點共同形成交叉矩形，矩形質心即為所求節(jié)點的估計位置。三個錨點共同形成交叉矩形，矩形質心即為所求節(jié)點的估計位置。4.2.3無需測距的定位技術1、質心算法在計算幾何學里多邊形的幾何中心稱為質心，多邊形頂點坐標的平均值就是質心節(jié)點的坐標。假設多邊形定點位置的坐標向量表示為pi=(xi，yi)T，則這個多邊形的質心坐標

為：例如，如果四邊形ABCD的頂點坐標分別為

，

，，

則它的質心坐標計算如下：2、DV-Hop算法DV-Hop算法解決了低錨點密度引發(fā)的問題，它根據(jù)距離矢量路由協(xié)議的原理在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播跳數(shù)和位置。如圖已知錨點L1與L2、L3之間的距離和跳數(shù)。L2計算得到校正值（即平均每跳距離）為（40+75）/（2+5）=16.42m。假設傳感器網(wǎng)絡中的待定位節(jié)點A從L2獲得校正值，則它與3個錨點之間的距離分別是L1=3×16.42，L2=2×16.42，L3=3×16.42，然后使用多邊測量法確定節(jié)點A