无线传感器网络课件：定位技术

定位技术8.1测距技术8.2基于距离的定位8.3距离无关定位

8.1测距技术8.1.1到达时间ToA到达时间(ToA)测距方法的概念是使用测量到的信号传播时间和已知的信号速度确定信号发送方和接收方之间距离的方法。单程到达时间方法测量单向传播时间，即发送时间和信号到达时间之间的差值，并且要求发送方和接收方的时钟高精度同步。因此，双向到达时间方法可能更适合，在这种方法中，在发送方设备上测量信号的往返时间。总之，对于单向到达时间进行测量，两个节点i和j之间的距离为似地，在双向到达时间测量方法中，该距离计算公式为8.1.2到达时间差TDoA到达时间差(TDoA)方法是使用两个不同速度的信号，然后根据类似于ToA的方法，接收方能够确定其位置。接收方可以用如下公式计算距离发送方的距离：8.1.3到达角度AoA用于定位的另一种技术是确定信号传播的方向，到达角度(AoA)技术依赖于方向天线或空间天线阵列估计来自信标节点的信号的到达角度。8.1.4接收信号强度接收信号强度(RSS)方法的想法是信号随着行进的距离而衰减。无线设备中常见的设备是接收信号强度指示器(RSSI)，用于测量收到的无线电信号的幅度。许多无线网卡驱动都容易导出RSSI值，但它们的含义可能会由于供应商的不同而不同，而且RSSI值与信号功率强度之间不存在特定关系。在自由空间中，RSS值以与发送方距离的平方形式递减。更具体地说，如下Friis传输方程表达接收信号功率Pr与发送信号功率Pt的比值：

8.2基于距离的定位8.2.1三边测量法三边测量法是指基于节点本身与已知位置信标点之间的已测量距离来计算节点位置的方法。给定信标节点位置和传感器节点到信标节点的距离，传感器节点一定在以信标节点为圆心，以传感器节点到信标节点距离为半径的圆的圆周上。在二维空间中，为了获得唯一的位置，至少需要到传感器节点的三个非共线的信标节点距离测量值。在三维空间中，距离测量至少需要四个非共面的信标节点。然而，这种技术要求精确的距离测量值，由于距离测量的误差可能导致这种技术在传感器网络中不可行，因此，可能要求更多的节点辅助计算。8.2.2三角测量法三角测量法使用三角形的几何性质来估计传感器节点的位置。具体而言，三角测量法依赖于前一节所描述的角度测量值定位。确定传感器节点在二维空间中的位置需要至少两个方位线。8.2.3迭代多边定位和协作多边定位迭代多边定位(Iterativemultilateration)：为了定位第四个未知节点的位置，虽然三边测量定位技术要求至少存在三个信标节点，但扩展这种技术可以在一些节点没有三个与之相邻信标节点的情况下确定这些节点的位置。一旦一个节点使用来自信标节点的信标消息确定了自己的位置，它就变成了信标节点并且可向附近的其他节点广播包含其估计位置的信标消息。这种迭代多边定位过程不断重复，直到网络中所有节点都被定位为止。协作多边定位(collaborativemultilateration)：传感器和信标节点自组织部署时，没节点与三个信标节点相邻是不可能的，因此妨碍它确定自己位置。在这种情况下，节点可以使用协作多边定位技术来估计其位置。为了同时计算两个节点的位置，其中一个节点使用来自未知位置邻居节点的多跳信息求位置估计函数集合的解。仅当参与定位的节点至少有三个“参与邻居”节点时，协作多边定位方法才能确定唯一的位置解。参与邻居节点是指信标节点或至少有三个参与邻居节点的节点。如果节点S想执行协作多边定位技术定位，它有两个信标邻居节点可作为参与邻居节点并且节点T作为未知位置节点，因为节点T也有两个信标邻居节点并且节点S可作为参与邻居节点，节点T也是参与节点。因此，节点S求如下形式的位置估计方程组的解：8.2.4基于GPS的定位全球定位系统(GPS)是使用最广泛的位置感知系统，也是唯一全面投入运作的全球卫星导航系统(GNSS)，它由距离地球大约11000英里的绕地球运行的至少24颗卫星组成。GPS提供标准定位服务SPS和精密定位服务PPS两种级别的定位服务。SPS是一款对全球范围内的所有GPS用户没有任何限制或直接收费的定位服务。基于SPS的高品质的GPS接收机能够达到3m的精度；PPS是由美国及其盟国的军事用户使用的具有更高鲁棒性的GPS服务，包括加密和抗干扰技术。GPS卫星均匀分布在六个轨道上，并且它们大约以每小时7000英里的速度一天绕地球两次，卫星的数量和它们的空间分布确保几乎从地球上任何地方都能看到至少8颗卫星。每个卫星不断广播包含特定卫星标识、卫星位置、卫星状态，以及信号发送日期和时间的无线电波编码。除了卫星，GPS进一步依赖地面基础设施监控卫星的状态、信号完整性和轨道配置。至少六个分布在世界各地的监测站不断接收由卫星发送的数据，并且转发到主控站(MCS)。MCS使用来自监控站的数据计算修正卫星的轨道和时钟信息，然后再通过地面天线发送回相应的卫星。尽管三个卫星是足够进行定位的，但还需要第四个卫星来获得一个精确的位置。通过GPS的定位依赖于正确的定时进行精确的测量，即卫星和接收机的时钟必须精确同步。卫星都装有四个原子钟，以提供高度精确的时间读数。然而，用于GPS接收机上的时钟远不及卫星上的原子钟一样精确，引入的测量误差对定位质量有显著影响。因为无线电波以很高的速度传播，所以即使时间上小的错误也会导致在定位测量时的巨大偏差。虽然目前可用的大多数GPS接收机能够提供10m或更小精度的位置测量，可用进一步提高精度的先进技术。然而，在无线传感器网络中的几个节点上装配GPS接收器可能足以提供基于下一节描述的参考节点的定位服务。

8.3距离无关定位8.3.1AdHoc定位系统APSAPS是分布式的基于连通性定位算法，其至少需要三个信标节点估计节点位置，可以通过增加信标节点的个数来降低定位误差。每个信标节点都使用距离向量(DV)信息(Lu等人，2003)向网络中其他节点传播自己的位置，利用距离向量信息网络中的节点和单跳邻居之间交换路由表。8.3.2APITAPIT(ApproximatiePointInTriangulation)方法是基于区域的距离无关定位方案。与APS类似，APIT依赖于已知位置的几个信标节