[发明专利]基于检测信号波长信息的锚节点布局及其测距定位方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络节点定位技术领域，特别是复杂信道环境下的定位问题。

背景技术

随着无线传感器网络技术的不断进步，基于节点位置的服务的越来越引起人们的重视，而位置信息的准确获取则成为下一代技术发展的关键环节。目前已有的定位技术包括GPS，蓝牙，超声波，超宽带，Wi-Fi，计算机视觉，超高频射频识别(UHF RFID)等技术。其中，GPS已经成为应用最为广泛的室外定位技术，而UHF RFID凭借其非接触、高效、低功耗，造价低的优势，成为了近来年室内定位研究的热点以及难点。

目前定位技术中可利用的测量信息包括能量(RSS)和相位(Phase)两种信息。大量研究表明这两种测量信息有着自身的优点和不足，基于能量的定位方法，其优势在于能量信息获取简单，但不足在于能量信息极易受到传播环境和标签天线方向的影响，想要建立信号能量衰减与传播距离之间的通用数学模型是非常困难的，因此通过能量信息直接估计信号传播距离的精度是非常不理想的。对于能量信息目前比较经典的用法就是引入锚节点，通过比较锚节点与待定标签能量的近似度来获得目标的定位信息。传统锚节点的布局为网格式均匀分布，为了提高定位精度，在经济条件允许的前提下要求锚节点部署的密度越大越好。但由于锚节点之间会产生相互影响，密度过高时又会降低定位精度，因此通过增加锚节点的部署密度提高定位精度是存在局限性的。相对于能量信息，已有研究表明，即使在复杂信道环境下，窄带信号的相位信息仍然可以比较准确的获得，但存在周期模糊问题(或称为卷叠相位问题)，使得基于相位信息的定位技术存在很大的测距误差。目前也有研究将锚节点引入相位法中，但其布局原理类同于能量法。

发明内容

为了改善锚节点在定位方法中的局限性，提出了基于检测信号波长信息的锚节点布局方法。该布局方法能够在保证定位精度的前提下减少锚节点间的相互影响，克服了以往锚节点布局密度过高对定位精度的负面影响，还可以提高处于检测边缘位置处的节点的定位精度。由于锚节点与待定位节点处于同样的传播环境，因此该方法对动态环境因素具有很好的鲁棒性。利用本布局在基于相位信息的协同测距应用方法中获得较好的测距精度且硬件设备简单易实现。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于检测信号波长信息的锚节点布局方法，是将信号发射/接收器布置到待检测空间内，计算所述发射/接收器发射出的存在有卷叠相位wrapped phase的发射信号的波长，建立一组包含有正有理数倍波长的递增序列，以信号发射/接收器为圆心，分别以该序列为半径由近及远建立同心球，过同心球圆心的水平面与同心球的表面截交形成多条同心圆弧线，在每一个圆弧线上布置有任意数量的锚节点。

进一步讲，若锚节点之间发生相互干扰，则在每一个圆弧线上布置一个锚节点。

本发明提出的基于检测信号波长信息的锚节点布局的测距定位方法，包括下列步骤：

步骤一、按照本发明中的上述锚节点布局方法进行锚节点布局；

步骤二、待测节点进入检测空间，获得所有待测节点和锚节点的用于测距的测量信息：

信号发射/接收器发送的信号一部分用以测量接收信号的卷叠相位wrapped phase，另一部分用以测量接收信号的非卷叠相位unwrapped phase；信号传播过程接收与发射的相位差为：

式(1)和式(2)中，为接收信号的卷叠相位，单位为rad，为接收信号的非卷叠相位，单位为rad，为发射信号的初始相位，单位为rad；

步骤三、确定一待测节点和锚节点的非卷叠相位升序排序为：

式(3)中，M表示锚节点的个数，表示第j个锚节点的非卷叠相位差值，表示该待测节点的非卷叠相位差值；

根据步骤一中的正有理数倍确定该待测节点所在的整周期区间(2p_j，2p_j+1)，p_j表示第j个锚节点所在圆弧线半径为p_j倍的载波波长；p_j+1表示第j+1个锚节点所在圆弧线半径为p_j+1倍的载波波长；

定义第j个锚节点非卷叠相位差和第j+1个锚节点非卷叠相位差之间的区间等分间隔为：

根据上述等分间隔建立一虚拟锚节点非卷叠相位差序列，如下：

将该待测节点在上述虚拟锚节点非卷叠相位差序列中排序，得到如下式(6)：

式(6)中，n为正整数，从而得到该待测节点至信号发射/接收器正整周期k：