一种基于超宽带位置未知锚节点的自校准定位方法技术

本发明专利技术针对在某些复杂封闭环境中，采用超宽带无线传感器网络对移动目标进行定位的情况下，由于锚节点固定方式或安装载体的限制，使得超宽带锚节点的位置难以进行提前标定或标定位置容易发生改变，进而导致超宽带定位系统定位结果失效。本发明专利技术，通过移动节点在定位空间中的移动，利用超宽带定位系统实时测量得到的移动节点与锚节点之间的信号到达时间差（TDOA）等参数，并通过建立非线性测距模型、全局非线性优化模型、等效弹簧阻尼物理模型等形成锚节点迭代动态自校准方法，实现在超宽带锚节点位置未知下的锚节点自校准定位。本发明专利技术的自校准定位方法，提高了超宽带定位系统在锚节点位置未知或漂移情况下的定位稳定性和定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超宽带位置未知锚节点的自校准定位方法
本专利技术涉及一种无线传感器网络锚节点的自定位方法，更具体的，尤其涉及一种基于超宽带锚节点位置未知的自校准定位方法。
技术介绍
在复杂封闭环境中，由于无线电导航、卫星定位、天文导航需要借助外部设备的局限性，无法提前标定超宽带锚节点的位置；再者超宽带锚节点的位置会因某些外部不可抗因素而发生移动，而无法准确标定锚节点的位置；进而无法确定移动节点的位置。因此实现超宽带锚节点的自校准定位是无线传感器网络定位的一个关键技术。虽然超宽带的锚节点位置固定，但由于某些锚节点安装环境的限制以及安装位置的改变，使得锚节点难以使用外部传感器对其位置进行准确定位。因此，研究在不通过外部传感器测量仅利用超宽带自身测量信息的超宽带锚节点自校准策略，重点是建立非线性测距方程组下锚节点位置的自校准模型，以此解决复杂封闭环境中锚节点位置漂移和校准困难的问题。针对此问题，本专利技术设计了一种基于超宽带锚节点位置未知的自校准定位的方法。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于超宽带锚节点位置未知的自校准定位方法。本专利技术的基于超宽带锚节点位置未知的自校准定位方法，其特别之处在于，包括以下步骤：a)、在测量信号为离散、锚节点接收器时钟同步的基础上，建立基于TDOA的超宽带非线性测距模型，该超宽带非线性测距模型表示为：，其中表示接收器的位置、表示信号源的位置、表示信号产生的时间、表示信号到达的时间、c表示信号传播速度；b)、为了保证上述的非线性测距模型有解，在二维平面中通过变量之间的相互转换以减少变量的个数，同样在三维空间中通过设定一个常量来构建对称性测距方程组，以降低方程组的自由度，再根据自由度的正、负或零来判断测距方程组的解是否是不确定、超定以及唯一；c)、运用梯度下降法和牛顿法构建系统约束方程，并对每个锚节点对应的非线性测距方程进行维度最小化运算，然后将非线性方程组化简整理成最小二乘法下的标准矩阵形式，该标准矩阵形式表示为：；d)、在构建最小二乘法下标准矩阵形式的基础上，引入迭代式锥体对齐法对非线性测距模型进行求解，得到精确的超宽带锚节点模拟计算位置；e)、求得非线性测距模型的超宽带锚节点模拟位置解之后，在三维空间下对超宽带锚节点位置自校准方法进行验证，并与设定值进行比较，再计算模拟值与计算值之间的误差；f)、在计算得到模拟值与计算值之间的误差基础上，与设定误差阈值进行比较，如果误差在阈值范围内则判定该超宽带锚节点位置有效，如果误差超过阈值则返回步骤d)进行对超宽带锚节点位置再一次求解。本专利技术的基于超宽带锚节点位置未知的自校准定位的方法，步骤d)中所述的迭代式锥体对齐法对非线性测距模型进行求解需通过以下步骤来实现：d-1)、在得到标准矩阵形式的基础上，通过锥体对齐法构建弹簧质量模拟模型，并添加锥体信号时间，获得初步的测距模型解算方案，该锥体对齐法测距模型表示为：d-2)、在初步的测距模型解算方案的基础上，由于锚节点位置存在漂移，通过构建测距误差模型来增加锚节点位置误差的约束性，并通过对测距误差模型的约束性判定，来判断当前初步测距解算方案定位结果的有效性，如初步测距解算方案定位结果无效，则返回步骤d-1)；d-3)、在有效的测距解算方案定位结果的基础上，运用粒子群构成的弹簧质量系统来对经过优化后的非线性测距模型进行模拟，并且利用迭代逼近的方法来计算信号源和接收器的位置，其中在物理弹簧质量系统中进行模拟解算的过程中，移动节点和锚节点的离散信息包括速度、位置、质量且均服从牛顿惯性定律。d-4)、在弹簧质量模拟系统中引入一个二次阻尼因子来使得弹簧质量模拟系统更稳定，并通过欧拉克默法对模拟系统的时间步长进行整合，以进一步提高迭代计算的超宽带锚节点的位置精度，获得高精度的超宽带锚节点的位置。本专利技术的有益效果是：本专利技术的无线传感器网络中锚节点的自定位方法，通过在无线传感器网络中部署非标定超宽带锚节点，移动锚节点在封闭复杂环境中不断向周围同时发送两种不同信号，利用两种在空气中传播速度的巨大差异，在接收端通过记录两种不同信号到达时间的差异，可直接把时间转化为距离，其TDOA算法模型为：；再利用基于超宽带位置未知锚节点的自校准定位方法，就可以获得超宽带锚节点的准确位置。附图说明图1是本专利技术的基于超宽带位置未知锚节点的自校准定位方法的结构图；图2是本专利技术的现场实物简图；图中1为超宽带锚节点、2为复杂封闭环境、3为信号传播、4为移动节点、5为移动节点移动轨迹；图3是本专利技术的TDOA算法模型图；图4是本专利技术的锥体对齐算法图式表示图；图5是本专利技术的锥体对齐算法在三维空间下局部最小值的分布图；图6是本专利技术的在三维空间下模拟位置误差分布图。具体实施方式下面结合附图与实例对本专利技术作进一步说明。本专利技术的基于超宽带位置未知锚节点的自校准定位方法，包括以下步骤：a)、在测量信号为离散、锚节点接收器时钟同步的基础上，建立基于TDOA的超宽带非线性测距模型，该超宽带非线性测距模型表示为：，其中表示接收器的位置、表示信号源的位置、表示信号产生的时间、表示信号到达的时间、c表示信号传播速度。移动锚节点可放置在移动的小车上，以方便在整个网络部署空间中移动，如图2所示，在地面任意部署移动节点，在空间中部署几个超宽带锚节点，移动节点发送超宽带信号，超宽带锚节点接收信号。在应用TDOA算法模型测距过程中，利用不同信号在空气中传播速度的巨大差异，在接收端通过记录两种不同信号到达时间差异，可直接把时间转化为距离，如图3所示，TDOA算法测距模型，根据此模型可获得两点之间的距离为：。b)、为了保证上述的非线性测距模型有解，在二维平面中通过变量之间的相互转换以减少变量的个数，同样在三维空间中通过设定一个常量来构建对称性测距方程组，以降低方程组的自由度，再根据自由度的正、负或零来判断测距方程组的解是否是不确定、超定以及唯一。在降低自由度的过程中，需要找到与自由度相对应的超宽带锚节点、移动节点的数量理论界限，更好地找到具有唯一解的非线性测距模型。c)、运用梯度下降法和牛顿法构建系统约束方程，并对每个锚节点对应的非线性测距方程进行维度最小化运算，然后将非线性方程组化简整理成最小二乘法下的标准矩阵形式，该标准矩阵形式表示为：。构建的系统约束方程为：，要对其中的函数值进行迭代更新，其中矩阵值U要用适当的值进行初始化。d)、在构建最小二乘法下标准矩阵形式的基础上，引入迭代式锥体对齐法对非线性测距模型进行求解，得到精确的超宽带锚节点模拟计算位置。该步骤可通过以下步骤实现。d-1)、在得到标准矩阵形式的基础上，通过锥体对齐法构建弹簧质量模拟模型，并添加锥体信号时间，获得初步的测距模型解算方案，该锥体对齐法测距模型表示为：如图4所示，给出了锥体对齐法的图示模型，增添了锥体信号时间来获得测距模型。d-2)、在初步的测距模型解算方案的基础上，由于锚节点位置存在漂移，通过构建测距误差模型来增加锚节点位置误差的约束性，并通过对测距误差模型的约束性判定，来判断当前初步测距解算方案定位结果的有效性，如初步测距解算方案定位结果无效，则返回步骤d-1)。d-3)、在有效的测距解算方案定位结果的基础上，运用粒子群构成的弹簧质量系统来对经过优化后的非线性测距模型进行模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超宽带位置未知锚节点的自校准定位方法，其特征在于：超宽带定位系统包括固定安装的锚节点以及放置在移动目标上的移动节点，其中锚节点和移动节点的位置均未知，超宽带定位系统能够实时测量出移动节点与锚节点之间的信号到达时间差（TDOA）参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于超宽带位置未知锚节点的自校准定位方法，其特征在于：超宽带定位系统包括固定安装的锚节点以及放置在移动目标上的移动节点，其中锚节点和移动节点的位置均未知，超宽带定位系统能够实时测量出移动节点与锚节点之间的信号到达时间差（TDOA）参数。2.根据权利要求1所述的基于超宽带位置未知锚节点的自校准定位方法，其特征在于，包括以下步骤：a)、在测量信号为离散、锚节点接收器时钟同步的基础上，建立基于TDOA的超宽带非线性测距模型，该超宽带非线性测距模型表示为：，其中表示接收器的位置、表示信号源的位置、表示信号产生的时间、表示信号到达的时间、c表示信号传播速度；b)、为了保证上述的非线性测距模型有解，在二维平面中通过变量之间的相互转换以减少变量的个数，同样在三维空间中通过设定一个常量来构建对称性测距方程组，以降低方程组的自由度，再根据自由度的正、负或零来判断测距方程组的解是否是不确定、超定以及唯一；c)、运用梯度下降法和牛顿法构建系统约束方程，并对每个锚节点对应的非线性测距方程进行维度最小化运算，然后将非线性方程组化简整理成最小二乘法下的标准矩阵形式，该标准矩阵形式表示为：；d)、在构建最小二乘法下标准矩阵形式的基础上，引入迭代式锥体对齐法对非线性测距模型进行求解，得到精确的超宽带锚节点模拟计算位置；e)、求得非线性测距模型的超宽带锚节点模拟位置解之后，在三维空间下对超宽带锚节点位置自校准方法进行验证，并与设定值进行比较，再计算模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海，李莉，罗涛，梁海波，张禾，饶悦，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51