基于伪随机码相关性检测的节点定位方法技术

本发明专利技术公开一种基于伪随机码相关性检测的节点定位方法，用于实现无线传感器网络内节点的精准定位，该方法包括步骤：1)基于超声波伪随机码TDOA检测方法，测量无线传感器网络内节点对之间的距离值；2)构建节点的空间距离矩阵，对于未能测量到距离的节点对，使用Euclidean和最短路径融合方法进行处理；3)将节点的空间距离矩阵处理成所有节点的空间相对坐标系统；4)利用平面转换模型将所有节点的空间相对坐标系统转换成绝对坐标。本发明专利技术利用伪随机码相关检测技术，对节点发射出的超声信号进行编码，有效地增加了节点的测距距离和测量精度。仿真实验结果表明，本发明专利技术在不同网络规模和测距误差条件下均能够获得更高的定位精度和较小的定位误差。

【技术实现步骤摘要】
基于伪随机码相关性检测的节点定位方法
本专利技术属于无线通讯
，涉及无线传感器网络的节点定位方法，具体涉及一种基于伪随机码相关性检测的节点定位方法。本发放可有效地增加节点的测距距离和测量精度。
技术介绍
随着无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)的不断研究和发展，WSN已经广泛应用于军事国防、环境监测、反恐、危险区域监视等诸多领域。尤其在目前日益紧张的国际和国内反恐形势背景下，当WSN应用在战场目标打击任务中，其节点通过抛洒的方式布置在工作地域内，节点的初始位置不可知。传感器节点在工作区域内首先需要通过定位网络系统来确定自身在网络中的位置，以及自身与其他节点之间的位置关系。当传感器网络在工作区域内感知到目标对象的时候，根据感知到的目标对象的位置、移动方向以及速度等信息，预估计出对目标对象进行攻击的最佳攻击位置，选取当前网络中的若干个节点对目标对象进行打击。而节点定位性能的优劣，对任务如何分配有着重要的影响。因此，实现节点定位具有十分重要的研究意义与使用价值。在WSN中，依据节点是否知道自身的具体位置，可以将节点分为锚节点和未知节点两种。由于未知节点在实际应用中对硬件的要求高，实际操作复杂度大，而针对基于锚节点定位的研究相对易于操作。近年来，国内外学者已经提出了很多WSN节点定位相关方法，每种方法均具有优缺点，截止目前，还没有一个统一的标准对这些定位方法进行分类。根据节点的定位过程是否需要测量节点对的距离或者角度信息，分为基于测距和基于距离无关的定位。基于测距的定位技术需要测量两个相邻的节点间的距离值或者角度值，利用实际测得的距离值来计算未知节点的坐标。现有的测距技术有很多种，常用的测距技术包括信号强度(RadioSignalStrengthIndicator，RSSI)测量法、到达角(AngelofArrival，AOA)测量法、到达时间(TimeofArrival，TOA)测量法以及到达时间差(TimeDifferenceofArrival，TDOA)测量法等。基于距离无关的定位技术主要是利用节点的连通性信息等方法来估测节点之间的距离值，实现节点的位置估计。此类测距技术主要有DV-Hop定位、质心定位及APIT定位等，这些方法无需直接测量节点间的真实距离，只需要进行距离估算即可，大大降低了定位节点对硬件的要求，但是定位精度较差。其中，TDOA测距法是基于超声波硬件进行测距，无需同步节点之间的系统时间，测距精度较高，抗干扰能力强，易于实现，且能够提供厘米级甚至毫米级的测距精度，在WSN定位方案中使用较为广泛，但是当前的超声波设备由于硬件条件限制，测距距离较短。采用多维定标技术(MultidimensionalScaling，MDS)可建立MDS-MAP超声波定位方法，但是定位精度优势并不明显。
技术实现思路
本专利技术针对上述MDS-MAP超声波定位精度不高的技术缺陷，提供一种基于伪随机码相关性检测的节点定位方法。本专利技术基于伪随机码TDOA测距技术，通过节点定位的优化改进，有效地实现了网络高精度相对定位和绝对定位，从而为WSN提供更好地节点定位服务支持。具体而言，为了解决上述问题，本专利技术采取如下的技术方案：基于伪随机码相关性检测的节点定位方法，用于实现无线传感器网络内节点的精准定位，所述节点定位方法包括下述步骤：1)基于超声波伪随机码TDOA检测方法，测量无线传感器网络内节点对之间的距离值；2)构建节点的空间距离矩阵；3)将节点的空间距离矩阵处理成所有节点的空间相对坐标系统；4)利用平面转换模型将所有节点的空间相对坐标系统转换成绝对坐标。作为本专利技术所述技术方案的优选方式之一，所述步骤1)中，依据线性反馈移位寄存器原理生成生成m序列，使用2ASK调制方法生成m序列调制信号，利用RF信号作为时间同步信号，超声波发射端发出调制信号，超声波接收端采集携带伪随机序列的超声信号。作为本专利技术所述技术方案的优选方式之一，所述步骤2)中，节点的空间距离矩阵包括直接可测的节点间的距离值，对于节点间的距离小于最大测距范围，节点间的距离直接可测，以真实的节点间距离值构建节点的空间距离矩阵。进一步地，所述节点的空间距离矩阵还包括不能直接测量的节点间的距离值，若两节点间的距离超出最大测距范围，利用Euclidean测距方法获取所述两节点间的距离值。进一步地，对经Euclidean测距方法仍不能获取距离值的节点对，采用最短路径融合方法获取所述节点对的距离值。作为本专利技术所述技术方案的优选方式之一，所述步骤4)中，所述平面转换模型的坐标转换参数包括两个平移参数、一个旋转参数和一个尺度参数。与现有技术相比，本专利技术所述基于伪随机码相关性检测的节点定位方法至少具有下述的有益效果或优点：本专利技术研究了基于伪随机码相关检测MDS-MAP的WSN网络节点定位技术。针对超声波阈值检测方法的不足，采用相关检测的方法来实现节点之间信号传输时间的检测。在此基础上，本专利技术提出一种改进的基于伪随机码相关性检测的节点定位方法，以实现WSN精确定位。通过仿真实验证实，本专利技术所述节点定位方法比迭代三边定位、迭代多点定位、现有MDS-MAP超声波定位方法等的定位精度更高,定位误差显著降低，可满足较大范围的定位需求。附图说明图1是实施例所述线性反馈移位寄存器原理方框图。图2是实施例所述超声波接收端接收到的信号图形。图3是实施例所述m序列超声波接收信号。图4是对图3所示m序列超声波接收信号进行相关处理后的结果图。图5是利用Euclidean测距方法获取两节点间的距离值的示意图。图6是仿真实验的定位结果误差对比图，其中，a图的平均相对误差设置为0.25％，b图的平均相对误差设置为0.45％。具体实施方式为了便于理解本专利技术的目的、技术方案及其效果，现将结合实施例对本专利技术做进一步详细阐述。超声波测距的关键技术之一是对超声波信号传播时间的检测，对超声信号的处理方法直接关系到节点的测距范围和测距精度。对于信号传输时间的检测方法，针对不同的硬件条件和系统需求，目前已有多种检测方法，其中实际应用最为广泛的是阈值检测法和相关检测法。阈值检测方法是最简单的测距方法，其根据接收信号的强度幅值是否超过阈值来判断信号的到达时刻，接收信号的强度幅值设定不同，检测到的信号到达时刻就不同，收发节点之间的距离也随之改变。该方法具有实现简单、速度快等优点，但是对噪声的抗干扰能力较弱，当接收信号受到严重干扰或者测量距离较远时，有效信号可能被噪声所“淹没”，阈值检测将无法正确判定出信号的到达时刻。针对阈值检测方法的不足，本实施例采用相关检测的方法来实现节点之间信号传输时间的检测。相关检测法是一种对时域信号进行处理的方法，根据超声波信号的有规律性和噪声的随机性，对接收信号与本地信号进行互相关计算处理，找到相关结果峰值出现时刻，便可以确定超声波的到达时间，进而算出距离值。相比于单脉冲信号而言，使用伪随机码对超声波信号编码有优势，有更强的抗干扰能力和抑制信号“拖尾”现象。为了实现节点的精确定位，本实施例提出一种改进的基于伪随机码相关性检测的节点定位方法。该方法首先基于超声波伪随机码相关检测的方法测量传感器网络内节点对之间的距离值，利用Euclidean测距方法及最短路径融合方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于伪随机码相关性检测的节点定位方法，用于实现无线传感器网络内节点的精准定位，所述节点定位方法包括下述步骤：1)基于超声波伪随机码TDOA检测方法，测量无线传感器网络内节点对之间的距离值；2)构建节点的空间距离矩阵；3)将节点的空间距离矩阵处理成所有节点的空间相对坐标系统；4)利用平面转换模型将所有节点的空间相对坐标系统转换成绝对坐标。

【技术特征摘要】
1.基于伪随机码相关性检测的节点定位方法，用于实现无线传感器网络内节点的精准定位，所述节点定位方法包括下述步骤：1)基于超声波伪随机码TDOA检测方法，测量无线传感器网络内节点对之间的距离值；2)构建节点的空间距离矩阵；3)将节点的空间距离矩阵处理成所有节点的空间相对坐标系统；4)利用平面转换模型将所有节点的空间相对坐标系统转换成绝对坐标。2.根据权利要求1所述基于伪随机码相关性检测的节点定位方法，其特征在于，所述步骤1)中，依据线性反馈移位寄存器原理生成生成m序列，使用2ASK调制方法生成m序列调制信号，利用RF信号作为时间同步信号，超声波发射端发出调制信号，超声波接收端采集携带伪随机序列的超声信号。3.根据权利要求1所述基于伪随机码相关性检测的节点定位方法，其特征在于，所述步骤2)中，节...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洲洲，郝杰，申良，曹国震，李中，
申请(专利权)人：西安航空学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61