無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件：定位技術(shù)

定位技術(shù)8.1測距技術(shù)8.2基于距離的定位8.3距離無關(guān)定位

8.1測距技術(shù)8.1.1到達(dá)時(shí)間ToA到達(dá)時(shí)間(ToA)測距方法的概念是使用測量到的信號傳播時(shí)間和已知的信號速度確定信號發(fā)送方和接收方之間距離的方法。單程到達(dá)時(shí)間方法測量單向傳播時(shí)間，即發(fā)送時(shí)間和信號到達(dá)時(shí)間之間的差值，并且要求發(fā)送方和接收方的時(shí)鐘高精度同步。因此，雙向到達(dá)時(shí)間方法可能更適合，在這種方法中，在發(fā)送方設(shè)備上測量信號的往返時(shí)間?？傊?，對于單向到達(dá)時(shí)間進(jìn)行測量，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離為似地，在雙向到達(dá)時(shí)間測量方法中，該距離計(jì)算公式為8.1.2到達(dá)時(shí)間差TDoA到達(dá)時(shí)間差(TDoA)方法是使用兩個(gè)不同速度的信號，然后根據(jù)類似于ToA的方法，接收方能夠確定其位置。接收方可以用如下公式計(jì)算距離發(fā)送方的距離：8.1.3到達(dá)角度AoA用于定位的另一種技術(shù)是確定信號傳播的方向，到達(dá)角度(AoA)技術(shù)依賴于方向天線或空間天線陣列估計(jì)來自信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號的到達(dá)角度。8.1.4接收信號強(qiáng)度接收信號強(qiáng)度(RSS)方法的想法是信號隨著行進(jìn)的距離而衰減。無線設(shè)備中常見的設(shè)備是接收信號強(qiáng)度指示器(RSSI)，用于測量收到的無線電信號的幅度。許多無線網(wǎng)卡驅(qū)動都容易導(dǎo)出RSSI值，但它們的含義可能會由于供應(yīng)商的不同而不同，而且RSSI值與信號功率強(qiáng)度之間不存在特定關(guān)系。在自由空間中，RSS值以與發(fā)送方距離的平方形式遞減。更具體地說，如下Friis傳輸方程表達(dá)接收信號功率Pr與發(fā)送信號功率Pt的比值：

8.2基于距離的定位8.2.1三邊測量法三邊測量法是指基于節(jié)點(diǎn)本身與已知位置信標(biāo)點(diǎn)之間的已測量距離來計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置的方法。給定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置和傳感器節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，傳感器節(jié)點(diǎn)一定在以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為圓心，以傳感器節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離為半徑的圓的圓周上。在二維空間中，為了獲得唯一的位置，至少需要到傳感器節(jié)點(diǎn)的三個(gè)非共線的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離測量值。在三維空間中，距離測量至少需要四個(gè)非共面的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。然而，這種技術(shù)要求精確的距離測量值，由于距離測量的誤差可能導(dǎo)致這種技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可行，因此，可能要求更多的節(jié)點(diǎn)輔助計(jì)算。8.2.2三角測量法三角測量法使用三角形的幾何性質(zhì)來估計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置。具體而言，三角測量法依賴于前一節(jié)所描述的角度測量值定位。確定傳感器節(jié)點(diǎn)在二維空間中的位置需要至少兩個(gè)方位線。8.2.3迭代多邊定位和協(xié)作多邊定位迭代多邊定位(Iterativemultilateration)：為了定位第四個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的位置，雖然三邊測量定位技術(shù)要求至少存在三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，但擴(kuò)展這種技術(shù)可以在一些節(jié)點(diǎn)沒有三個(gè)與之相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的情況下確定這些節(jié)點(diǎn)的位置。一旦一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用來自信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)消息確定了自己的位置，它就變成了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)并且可向附近的其他節(jié)點(diǎn)廣播包含其估計(jì)位置的信標(biāo)消息。這種迭代多邊定位過程不斷重復(fù)，直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都被定位為止。協(xié)作多邊定位(collaborativemultilateration)：傳感器和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自組織部署時(shí)，沒節(jié)點(diǎn)與三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相鄰是不可能的，因此妨礙它確定自己位置。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)可以使用協(xié)作多邊定位技術(shù)來估計(jì)其位置。為了同時(shí)計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用來自未知位置鄰居節(jié)點(diǎn)的多跳信息求位置估計(jì)函數(shù)集合的解。僅當(dāng)參與定位的節(jié)點(diǎn)至少有三個(gè)“參與鄰居”節(jié)點(diǎn)時(shí)，協(xié)作多邊定位方法才能確定唯一的位置解。參與鄰居節(jié)點(diǎn)是指信標(biāo)節(jié)點(diǎn)或至少有三個(gè)參與鄰居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。如果節(jié)點(diǎn)S想執(zhí)行協(xié)作多邊定位技術(shù)定位，它有兩個(gè)信標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)可作為參與鄰居節(jié)點(diǎn)并且節(jié)點(diǎn)T作為未知位置節(jié)點(diǎn)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)T也有兩個(gè)信標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)并且節(jié)點(diǎn)S可作為參與鄰居節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)T也是參與節(jié)點(diǎn)。因此，節(jié)點(diǎn)S求如下形式的位置估計(jì)方程組的解：8.2.4基于GPS的定位全球定位系統(tǒng)(GPS)是使用最廣泛的位置感知系統(tǒng)，也是唯一全面投入運(yùn)作的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)，它由距離地球大約11000英里的繞地球運(yùn)行的至少24顆衛(wèi)星組成。GPS提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS和精密定位服務(wù)PPS兩種級別的定位服務(wù)。SPS是一款對全球范圍內(nèi)的所有GPS用戶沒有任何限制或直接收費(fèi)的定位服務(wù)?；赟PS的高品質(zhì)的GPS接收機(jī)能夠達(dá)到3m的精度；PPS是由美國及其盟國的軍事用戶使用的具有更高魯棒性的GPS服務(wù)，包括加密和抗干擾技術(shù)。GPS衛(wèi)星均勻分布在六個(gè)軌道上，并且它們大約以每小時(shí)7000英里的速度一天繞地球兩次，衛(wèi)星的數(shù)量和它們的空間分布確保幾乎從地球上任何地方都能看到至少8顆衛(wèi)星。每個(gè)衛(wèi)星不斷廣播包含特定衛(wèi)星標(biāo)識、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星狀態(tài)，以及信號發(fā)送日期和時(shí)間的無線電波編碼。除了衛(wèi)星，GPS進(jìn)一步依賴地面基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控衛(wèi)星的狀態(tài)、信號完整性和軌道配置。至少六個(gè)分布在世界各地的監(jiān)測站不斷接收由衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且轉(zhuǎn)發(fā)到主控站(MCS)。MCS使用來自監(jiān)控站的數(shù)據(jù)計(jì)算修正衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘信息，然后再通過地面天線發(fā)送回相應(yīng)的衛(wèi)星。盡管三個(gè)衛(wèi)星是足夠進(jìn)行定位的，但還需要第四個(gè)衛(wèi)星來獲得一個(gè)精確的位置。通過GPS的定位依賴于正確的定時(shí)進(jìn)行精確的測量，即衛(wèi)星和接收機(jī)的時(shí)鐘必須精確同步。衛(wèi)星都裝有四個(gè)原子鐘，以提供高度精確的時(shí)間讀數(shù)。然而，用于GPS接收機(jī)上的時(shí)鐘遠(yuǎn)不及衛(wèi)星上的原子鐘一樣精確，引入的測量誤差對定位質(zhì)量有顯著影響。因?yàn)闊o線電波以很高的速度傳播，所以即使時(shí)間上小的錯(cuò)誤也會導(dǎo)致在定位測量時(shí)的巨大偏差。雖然目前可用的大多數(shù)GPS接收機(jī)能夠提供10m或更小精度的位置測量，可用進(jìn)一步提高精度的先進(jìn)技術(shù)。然而，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上裝配GPS接收器可能足以提供基于下一節(jié)描述的參考節(jié)點(diǎn)的定位服務(wù)。

8.3距離無關(guān)定位8.3.1AdHoc定位系統(tǒng)APSAPS是分布式的基于連通性定位算法，其至少需要三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)估計(jì)節(jié)點(diǎn)位置，可以通過增加信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)來降低定位誤差。每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)都使用距離向量(DV)信息(Lu等人，2003)向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)傳播自己的位置，利用距離向量信息網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和單跳鄰居之間交換路由表。8.3.2APITAPIT(ApproximatiePointInTriangulation)方法是基于區(qū)域的距離無關(guān)定位方案。與APS類似，APIT依賴于已知位置的幾個(gè)信標(biāo)節(jié)