定位技術(shù)解析課件

定位技術(shù)4.24.2定位技術(shù)4.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問題1、定位的含義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問題的含義是指自組織的網(wǎng)絡(luò)通過特定方法提供節(jié)點(diǎn)的位置信息。這種自組織網(wǎng)絡(luò)定位分為節(jié)點(diǎn)自身定位和目標(biāo)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(hào)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(hào)位置兩大類。

物理位置指目標(biāo)在特定坐標(biāo)系下的位置數(shù)值，表示目標(biāo)的相對(duì)或者絕對(duì)位置。

符號(hào)位置指在目標(biāo)與一個(gè)基站或者多個(gè)基站接近程度的信息，表示目標(biāo)與基站之間的連通關(guān)系，提供目標(biāo)大致的所在范圍。物理位置和符號(hào)位置

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

(2)根據(jù)部署的場(chǎng)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(luò)收集傳感器數(shù)據(jù)稱為被動(dòng)定位，節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出信息，用于定位稱為主動(dòng)定位。1、定位的含義2、基本術(shù)語(yǔ)(1)錨點(diǎn)：指通過其它方式預(yù)先獲得位置坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，有時(shí)也稱作信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的其余節(jié)點(diǎn)稱為非錨點(diǎn)。

(2)測(cè)距：指兩個(gè)相互通信的節(jié)點(diǎn)通過測(cè)量方式來估計(jì)出彼此之間的距離或角度。

(3)連接度：包括節(jié)點(diǎn)連接度和網(wǎng)絡(luò)連接度兩種含義。節(jié)點(diǎn)連接度是指節(jié)點(diǎn)可探測(cè)發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)連接度是所有節(jié)點(diǎn)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(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑范圍以內(nèi)的所有其它節(jié)點(diǎn)，稱為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。(5)跳數(shù)：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)，稱為這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)。

(6)基礎(chǔ)設(shè)施：協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)定位的已知自身位置的固定設(shè)備，如衛(wèi)星、基站等。

(7)到達(dá)時(shí)間：信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間，稱為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。

(8)到達(dá)時(shí)間差(TDoA)：兩種不同傳播速度的信號(hào)（例如，電波和聲波）從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差，稱為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。

(9)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)：節(jié)點(diǎn)接收到無線信號(hào)的強(qiáng)度大小，稱為接收信號(hào)的強(qiáng)度指示。2、基本術(shù)語(yǔ)(10)到達(dá)角度(AngleofArrival,AoA)：節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)相對(duì)于自身軸線的角度，稱為信號(hào)相對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角度。(11)視線關(guān)系(LineofSight,LoS)：如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在視線關(guān)系。

(12)非視線關(guān)系：傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在障礙物，影響了它們直接的無線通信。2、基本術(shù)語(yǔ)3、定位性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

衡量定位性能有多個(gè)指標(biāo)，除了一般性的位置精度指標(biāo)以外，對(duì)于資源受到限制的傳感器網(wǎng)絡(luò)，還有覆蓋范圍、刷新速度和功耗等其它指標(biāo)。1.位置精度是定位系統(tǒng)最重要的指標(biāo)，精度越高，則技術(shù)要求越嚴(yán)，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(duì)精度和絕對(duì)精度。絕對(duì)精度指以長(zhǎng)度為單位度量的精度。相對(duì)精度通常以節(jié)點(diǎn)之間距離的百分比來定義。設(shè)節(jié)點(diǎn)i的估計(jì)坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)在二維情況下的距離差值為Δdi，則N個(gè)未知位置節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)平均定位誤差為：2.覆蓋范圍和位置精度是一對(duì)矛盾性的指標(biāo)。3.刷新速度是指提供位置信息的頻率。（刷新速率越快，動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的位置信息的實(shí)時(shí)性越好）定位實(shí)時(shí)性更多的是體現(xiàn)在對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置跟蹤。4.功耗作為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于定位這項(xiàng)服務(wù)功能，人們需要計(jì)算為此所消耗的能量。

定位性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)4、定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)的時(shí)候，要根據(jù)預(yù)定的性能指標(biāo)，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(shù)手段來完成定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。通常設(shè)計(jì)一個(gè)定位系統(tǒng)需要考慮兩個(gè)主要因素，即定位機(jī)制的物理特性和定位算法。4.2.2基于測(cè)距的定位技術(shù)基于測(cè)距的定位技術(shù)是通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置。解析幾何里有多種方法可以確定一個(gè)點(diǎn)的位置。比較常用的方法是多邊定位和角度定位。1、測(cè)距方法(1)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)RSSI測(cè)距的原理如下：接收機(jī)通過測(cè)量射頻信號(hào)的能量來確定與發(fā)送機(jī)的距離。將無線信號(hào)的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系表述為下式所示，其中PR是無線信號(hào)的接收功率，PT是無線信號(hào)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(hào)傳播的環(huán)境。1、測(cè)距方法(1)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)無線信號(hào)接收強(qiáng)度指示與信號(hào)傳播距離之間的關(guān)系(2)到達(dá)時(shí)間

(ToA)這類方法通過測(cè)量傳輸時(shí)間來估算兩節(jié)點(diǎn)之間距離，精度較好。ToA機(jī)制是已知信號(hào)的傳播速度，根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離。ToA測(cè)距原理的過程示例1、測(cè)距方法到達(dá)時(shí)間

(ToA)1.假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都已完成時(shí)間同步，節(jié)點(diǎn)知道聲波的傳輸速率。2.揚(yáng)聲器放出偽噪聲，同時(shí)無線傳輸模塊，發(fā)出偽噪聲序列信息發(fā)送的時(shí)間（T1）。3.接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)聲波的速度（V）和到達(dá)時(shí)間（T2）進(jìn)行距離的計(jì)算。距離d=V*（T2-T1）優(yōu)點(diǎn)：對(duì)硬件要求的成本和復(fù)雜度低缺點(diǎn)：聲波速度易受到大氣的干擾

在基于TDoA的定位機(jī)制中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。（注意：硬件要求較高）發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無線射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)記錄下這兩種信號(hào)的到達(dá)時(shí)間T1、T2，已知無線射頻信號(hào)和超聲波的傳播速度為c1、c2,那么兩點(diǎn)之間的距離為(T2-T1)*S，其中S=c1*c2/(c1-c2)。測(cè)距方法-基于TDoA的定位機(jī)制

該方法通過配備特殊天線來估測(cè)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線信號(hào)的到達(dá)角度。

AoA測(cè)距技術(shù)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(biāo)不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮作用。(3)到達(dá)角(AoA)2、多邊定位

多邊定位法基于距離測(cè)量(如RSSI、ToA/TDoA)的結(jié)果。確定二維坐標(biāo)至少具有三個(gè)節(jié)點(diǎn)至錨點(diǎn)的距離值；確定三維坐標(biāo)，則需四個(gè)此類測(cè)距值。

用矩陣和向量表達(dá)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(diǎn)位置和至待求節(jié)點(diǎn)的測(cè)距值，創(chuàng)建多個(gè)邊界框，所有邊界框的交集為一矩形，取此矩形的質(zhì)心作為待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

采用三個(gè)錨點(diǎn)進(jìn)行定位的Min–max方法示例，即以某錨點(diǎn)i(i=1,2,3)坐標(biāo)()為基礎(chǔ)，加上或減去測(cè)距值

，得到錨點(diǎn)i的邊界框：

在所有位置點(diǎn)

中取最小值、所有

中取最大值，則交集矩形取作：

三個(gè)錨點(diǎn)共同形成交叉矩形，矩形質(zhì)心即為所求節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。三個(gè)錨點(diǎn)共同形成交叉矩形，矩形質(zhì)心即為所求節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。4.2.3無需測(cè)距的定位技術(shù)1、質(zhì)心算法在計(jì)算幾何學(xué)里多邊形的幾何中心稱為質(zhì)心，多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)的平均值就是質(zhì)心節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。假設(shè)多邊形定點(diǎn)位置的坐標(biāo)向量表示為pi=(xi，yi)T，則這個(gè)多邊形的質(zhì)心坐標(biāo)

為：例如，如果四邊形ABCD的頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為

，

，，

則它的質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算如下：2、DV-Hop算法DV-Hop算法解決了低錨點(diǎn)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(diǎn)L1與L2、L3之間的距離和跳數(shù)。L2計(jì)算得到校正值（即平均每跳距離）為（40+75）/（2+5）=16.42m。假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的待定位節(jié)點(diǎn)A從L2獲得校正值，則它與3個(gè)錨點(diǎn)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(cè)量法確定節(jié)點(diǎn)A