[发明专利]一种基于相位测量的无线传感器网络节点定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点定位方法，特别涉及一种基于无线电相位测量的无线传感器网络节点定位方法。

背景技术

在无线传感器网络(简称WSN)的众多应用中，随机布设的智能传感器节点往往需用其所处位置对传感信息进行标识，以便后续信息融合处理。随着WSN研究日益深入，WSN节点定位技术层出不穷。中国专利CN101191832提出了一种基于接收信号强度指示(RSSI)的单边定位系统，它根据位置已知的锚节点发送信号强度与待测节点接收信号强度的差值计算待测节点到锚节点间的距离，然后利用待测节点到多个锚节点之间的距离差值来对待测节点的位置坐标进行估计。中国专利CN101184328、美国专利US7289466和US7170441分别提出了基于射频信号到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)测量的，锚节点与待测节点间距离估计和待测节点位置估计的多边定位系统。美国专利US6816437和US7319428分别提出了基于超声信号和射频信号的多天线波达方向角(DOA)测量和定位系统。

然而RSSI信号幅度受无线信道环境影响严重；超声或超宽带信号TDOA测距的精度虽高，但其收发双端定时同步精度要求较高，且测距范围有限；DOA估计需要接收端具备多天线和阵列处理能力，使得上述传统定位方法很难在能量受限、处理能力相对较低而定位效率和精度要求日益提高的WSN中得以实用。2005年第3届嵌入式传感器网络会议(the 3rd internationalconference on Embedded networked sensor systems，San Diego，California，USA)上发表的题为《Radio interferometric geolocation》的文献提出了一种专门针对WSN的无线电干涉测量定位系统(RIPS)，它利用两个发射节点同时发射不同载频信号，在接收节点处直接构成无线电干涉。该干涉信号具有低频包络波形，其慢变特性易于接收测量，而其相位则反映了由射频波长精确度量的两个发射机和接收机的相对距离关系。尽管如此，RIPS系统尚存在诸多不足，比如要求每个节点将相位测量结果传输给某汇聚节点，由此节点集中计算网内各节点的位置，因而是一种集总式定位方法。其系统扩展性将受到节点数量的制约，对于大规模网络的节点定位问题，RIPS系统的时效性将会降低。同时，节点间频繁的通信过程不仅增加了网络负载，而且用户节点的位置隐私将无法得到保障。

从定位精度方面考虑，无线电波传播的路径延时将导致无线电信号在收发两端产生相移，而常用WSN射频信号波长处于分米波段，不但有较远的传播距离而且对距离的度量精度较高(介绍相位和距离的关系，以备后面文章中利用)。其次，相较于信号幅度和频率等其它信号特征而言，相位信息受传播环境和接收处理的影响较小。这些都使得射频信号相位测量成为WSN高精度定位系统的首选方法。但从可测性方面考虑，对于一般无线电收发机而言，当发端发射载频参考信号时，收端接收解调至基带输出将为一复正弦信号(IQ信号)。该信号频率为收发对之间的载频频差，其相位不仅包含路径延时所引入射频信号相移，还包含收发对间载频本振初相差、收发对间通道误差等其它干扰项。这使得收端在现有定时同步精度和收发机基带处理水平下无法对路径延时所引入相移进行准确测量。

发明内容

本发明的目的是给出一种无线传感器网络节点定位方法，避免前述现有方法中存在的问题。该方法仅利用无线通信设备进行定位，而不需要附加其它设备(如超声收发装置等)，并且该方法通过相位进行测量定位，定位精度比利用RSSI或多跳计数的方法高。同时，待定位的目标节点自身仅做信号接收测量即可完成定位，无需其相邻节点参与辅助测量，也无需进行集中式定位处理，定位处理过程与节点分布密度数量无关，因此系统具有很好的可扩展性。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种基于相位测量的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1，建立一个无线网络，网内节点包括辅助定位的锚节点和被定位的目标节点Xi(i＝1，2，…，K)；锚节点固定在网内已知位置，包括一个主锚节点M和至少三个从锚节点Sj，(j＝1..N)，主锚节点M已知所有从锚节点的位置坐标信息；待定位的目标节点在网内随机散布；

步骤2，主锚节点M向全网广播本次定位服务的调度安排，包括指定两个从锚节点发射导频信号以及各自的信号发射时间；