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到達時間ToA到達時間(ToA)測距方法的概念是使用測量到的信號傳播時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。單程到達時間方法測量單向傳播時間，即發(fā)送時間和信號到達時間之間的差值，并且要求發(fā)送方和接收方的時鐘高精度同步。因此，雙向到達時間方法可能更適合，在這種方法中，在發(fā)送方設(shè)備上測量信號的往返時間?？傊?，對于單向到達時間進行測量，兩個節(jié)點i和j之間的距離為似地，在雙向到達時間測量方法中，該距離計算公式為8.1.2到達時間差TDoA到達時間差(TDoA)方法是使用兩個不同速度的信號，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算距離發(fā)送方的距離：8.1.3到達角度AoA用于定位的另一種技術(shù)是確定信號傳播的方向，到達角度(AoA)技術(shù)依賴于方向天線或空間天線陣列估計來自信標(biāo)節(jié)點的信號的到達角度。8.1.4接收信號強度接收信號強度(RSS)方法的想法是信號隨著行進的距離而衰減。無線設(shè)備中常見的設(shè)備是接收信號強度指示器(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)點本身與已知位置信標(biāo)點之間的已測量距離來計算節(jié)點位置的方法。給定信標(biāo)節(jié)點位置和傳感器節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的距離，傳感器節(jié)點一定在以信標(biāo)節(jié)點為圓心，以傳感器節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點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)點的三個非共線的信標(biāo)節(jié)點距離測量值。在三維空間中，距離測量至少需要四個非共面的信標(biāo)節(jié)點。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)點輔助計算。8.2.2三角測量法三角測量法使用三角形的幾何性質(zhì)來估計傳感器節(jié)點的位置。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)點在二維空間中的位置需要至少兩個方位線。8.2.3迭代多邊定位和協(xié)作多邊定位迭代多邊定位(Iterativemultilateration)：為了定位第四個未知節(jié)點的位置，雖然三邊測量定位技術(shù)要求至少存在三個信標(biāo)節(jié)點，但擴展這種技術(shù)可以在一些節(jié)點沒有三個與之相鄰信標(biāo)節(jié)點的情況下確定這些節(jié)點的位置。一旦一個節(jié)點使用來自信標(biāo)節(jié)點的信標(biāo)消息確定了自己的位置，它就變成了信標(biāo)節(jié)點并且可向附近的其他節(jié)點廣播包含其估計位置的信標(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)點都被定位為止。協(xié)作多邊定位(collaborativemultilateration)：傳感器和信標(biāo)節(jié)點自組織部署時，沒節(jié)點與三個信標(biāo)節(jié)點相鄰是不可能的，因此妨礙它確定自己位置。在這種情況下，節(jié)點可以使用協(xié)作多邊定位技術(shù)來估計其位置。為了同時計算兩個節(jié)點的位置，其中一個節(jié)點使用來自未知位置鄰居節(jié)點的多跳信息求位置估計函數(shù)集合的解。僅當(dāng)參與定位的節(jié)點至少有三個“參與鄰居”節(jié)點時，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)點是指信標(biāo)節(jié)點或至少有三個參與鄰居節(jié)點的節(jié)點。如果節(jié)點S想執(zhí)行協(xié)作多邊定位技術(shù)定位，它有兩個信標(biāo)鄰居節(jié)點可作為參與鄰居節(jié)點并且節(jié)點T作為未知位置節(jié)點，因為節(jié)點T也有兩個信標(biāo)鄰居節(jié)點并且節(jié)點S可作為參與鄰居節(jié)點，節(jié)點T也是參與節(jié)點。因此，節(jié)點S求如下形式的位置估計方程組的解：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的定位服務(wù)?；赟PS的高品質(zhì)的GPS接收機能夠達到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)星均勻分布在六個軌道上，并且它們大約以每小時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)送日期和時間的無線電波編碼。除了衛(wèi)星，GPS進一步依賴地面基礎(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)計算修正衛(wèi)星的軌道和時鐘信息，然后再通過地面天線發(fā)送回相應(yīng)的衛(wèi)星。盡管三個衛(wèi)星是足夠進行定位的，但還需要第四個衛(wèi)星來獲得一個精確的位置。通過GPS的定位依賴于正確的定時進行精確的測量，即衛(wèi)星和接收機的時鐘必須精確同步。衛(wèi)星都裝有四個原子鐘，以提供高度精確的時間讀數(shù)。然而，用于GPS接收機上的時鐘遠(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。因為無線電波以很高的速度傳播，所以即使時間上小的錯誤也會導(dǎo)致在定位測量時的巨大偏差。雖然目前可用的大多數(shù)GPS接收機能夠提供10m或更小精度的位置測量，可用進一步提高精度的先進技術(shù)。然而，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的幾個節(jié)點上裝配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，其至少需要三個信標(biāo)節(jié)點估計節(jié)點位置，可以通過增加信標(biāo)節(jié)點的個數(shù)來降低定位誤差。每個信標(biāo)節(jié)點都使用距離向量(DV)信息(Lu等人，2003)向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點傳播自己的位置，利用距離向量信息網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點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信標(biāo)節(jié)