一种分布式无线协作定位方法技术

本发明专利技术公开了一种分布式无线协作定位方法，涉及通信与网络技术领域，具体包括：首先，搭建分布式无线协作定位装置；随机选择一个目标节点，其余节点统称为协作定位节点。目标节点广播发送协作定位请求，得到各协作定位节点的响应消息；同时，目标节点发送测距请求，各协作定位节点返回自身位置的先验信息；目标节点建立消息传递的局部因子图；利用先验信息计算局部因子图中所有待定位节点的随机向量的后验概率，并进行因子分解，计算局部因式节点；最后，利用目标节点的随机向量先验概率，以及与因式节点传递的消息，求出目标节点的位置，实现最终定位。本发明专利技术降低了参数化消息传递算法的计算复杂度，对于网络设备的无线协作定位具有重要意义。有重要意义。有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式无线协作定位方法


[0001]本专利技术涉及通信与网络
，具体是一种分布式无线协作定位方法。

技术介绍

[0002]位置感知能力已成为无线网络需具备的基础能力之一，无线定位技术已被广泛应用于军事、商业和公共服务等各方面。
[0003]无线定位技术主要包括两类，分别基于空间卫星系统和地面无线网络。其中，基于空间卫星系统的定位技术适于室外开阔环境；在室内、城市峡谷、林地等GPS信号较弱甚至无GPS信号的环境，则需要基于地面的无线网络进行定位。然而，在基于地面无线网络的定位技术中，锚节点的位置模糊和数目不足会导致很大的定位误差，甚至无法定位。
[0004]传统的地面无线网络定位技术通过布置高密度或高发射功率的锚节点来改善定位误差；而新型无线协作定位技术则通过建立待定位节点间的对等通信和信号测量来提高定位精度，同时提高定位服务的可用性和可靠性。此外，集中式协作定位方法在大型网络中存在中心节点通信开销大、对中心节点故障敏感、网络的可拓展性和鲁棒性差等问题；而分布式协作定位方法具有更好的可扩展性和鲁棒性，在协作定位技术中更具吸引力。
[0005]基于因子图的消息传递算法在分布式协作定位技术中有重要应用前景。目前针对基于因子图的消息传递算法在协作定位方面的研究主要分为两个方向：其一，核心思想在于基于参数化消息的传递过程，待定位节点通过特定的相似度度量指标来寻找某个概率分布，用以近似该节点位置的后验概率分布，然后使用此近似分布的参数来替代原始分布的参数，最后通过因子图上随机变量间的消息传递，解算出网络中各个待定位节点的位置；其二，核心思想在于基于粒子化消息的消息传递过程，待定位节点通过对该节点位置的后验概率分布按特定的采样规则进行采样，使基于采样点(即粒子)重构的概率分布的参数等于原始后验概率分布的参数，最后通过因子图上随机变量间的消息传递，解算出网络中各个待定位节点的位置。
[0006]对于基于参数化消息表示的消息传递协作定位算法，需要通过最优化特定的相似度度量指标来求解原始后验概率分布的近似分布的最优参数，其计算复杂度高且可能存在多个局部最优解。
[0007]对于基于粒子化消息表示的消息传递协作定位算法，需要通过特定的采样方法从待定位节点位置的后验概率分布中抽取大量粒子来表示该后验概率分布。由于算法的性能与粒子数目正相关，一般需要使用大量的粒子数来表示原始分布。另外，这类算法的计算复杂度与粒子数平方成正比，其通信开销与粒子数成正比，因此该类算法的计算复杂度和通信开销都很高。

技术实现思路

[0008]为解决现有的消息传递协作定位技术研究中面临的高计算复杂度问题，降低网络中节点的运算量、通信开销及协作定位耗时，更好地为网络中的节点提供快速定位保障，本
专利技术提出了一种分布式无线协作定位方法。
[0009]所述的分布式无线协作定位方法，具体步骤如下：
[0010]步骤一、搭建包括目标节点，若干待定位节点和若干锚节点的分布式无线协作定位的装置；
[0011]具体为：各节点按任意拓扑分布于空间区域内，组成一个ad hoc网络，随机选择其中一个待定位节点为目标节点，与目标节点进行通信的其余待定位节点以及锚节点，统称为目标节点的协作定位节点。
[0012]其中，每个待定位节点均包括：第一控制单元、第一无线通信单元、第一存储单元和第一计算单元；第一控制单元操控各待定位节点的运动轨迹；
[0013]目标节点中第一无线通信单元获取其通信范围内的所有协作定位节点，保存到协作定位节点列表中；并接收协作定位响应信号、测距信号到达时刻、测距信号响应时刻和协作定位节点的位置信息。
[0014]第一存储单元用于保存协作定位节点列表、目标节点与所有协作定位节点之间的测距信息、目标节点的位置信息的估计值以及协作定位节点的位置信息。
[0015]第一计算单元完成目标节点与各协作定位节点之间距离的计算、目标节点的位置计算以及目标节点的位置更新，并存储到第一存储单元。
[0016]锚节点包括：第二控制单元、第二无线通信单元和第二存储单元；第二控制单元实现各锚节点的运动轨迹操控；
[0017]第二无线通信单元获取所有与该锚节点进行通信的待定位节点，保存到待定位节点列表中，存储到第二存储单元中；同时，接收协作定位请求和测距请求，并发送自身位置信息给与本锚节点通信的待定位节点。
[0018]第二存储单元用于存储锚节点的位置，并传输至第二无线通信单元。
[0019]第二无线通信单元感知锚节点与列表中各节点的连接状态，若锚节点与列表中的某待定位节点断开通信，则在列表中删除断开节点，并更新列表。
[0020]步骤二、目标节点通过其第一无线通信单元广播发送协作定位请求，得到其通信范围内各协作定位节点的响应消息，获取与该目标节点直接通信的协作定位节点集合，保存到协作定位节点列表存储在目标节点的第一存储单元中；
[0021]协作定位节点集合中包括已知实际位置的锚节点与未知实际位置的待定位节点；
[0022]步骤三、目标节点向协作定位节点集合中的各节点发送测距请求，各协作定位节点通过各自的第一无线通信单元将自身位置的先验信息、接收到测距请求的时刻以及发送测距响应消息的时刻分别发送给目标节点，存储在目标节点的第一存储单元中；
[0023]步骤四、目标节点的第一计算单元根据协作定位节点列表，建立描述目标节点与其协作定位节点间消息传递过程的局部因子图；
[0024]所述局部因子图中，将列表中每个节点的位置分别作为一个随机变量，用边表示；对于每一个因子，用一个节点表示；如果随机变量出现在因子中，将对应于随机变量的边与对应于因子的节点相连接。对于出现在多于两个因子中的随机变量，构造一个等号节点，连接该等号节点的每条边上的随机变量是相同的；
[0025]步骤五、利用各协作定位节点的先验信息，计算局部因子图中所有待定位节点的随机向量的后验概率，并进行因子分解，计算局部因式节点；
[0026]具体过程为：
[0027]步骤501、计算目标节点与各协作定位节点之间的欧氏距离；
[0028]目标节点i与协作定位节点j之间的欧式距离表示为：
[0029][0030]其中c为电磁波在空气中传播的速度；t4为目标节点i接收到测距响应的本地时刻；t1为目标节点i向协作定位节点j发送测距请求的本地时刻；t3为协作定位节点j向目标节点i发送测距响应的本地时刻；t2为协作定位节点j接收到测距请求的本地时刻；
[0031]步骤502、利用欧氏距离计算目标节点的观测模型；
[0032]目标节点i在时刻t对欧式距离d
ij
的观测模型为
[0033][0034]其中为目标节点i在时刻t对自身与协作定位节点j之间距离的测量误差。
[0035]步骤503、对观测模型进行线性化处理，将各个节点的观测方程处理为线性模型；
[0036]线性化公式为：
[0037][0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式无线协作定位方法，其特征在于，具体步骤如下；首先，搭建包括目标节点，若干待定位节点和若干锚节点的分布式无线协作定位的装置；具体为：各节点按任意拓扑分布于空间区域内，组成一个ad hoc网络，随机选择其中一个待定位节点为目标节点，与目标节点进行通信的其余待定位节点以及锚节点，统称为目标节点的协作定位节点；然后，目标节点通过其第一无线通信单元广播发送协作定位请求，得到其通信范围内各协作定位节点的响应消息，目标节点根据协作定位响应消息生成协作定位节点列表；接着，目标节点向列表中的各协作定位节点发送测距请求，协作定位节点将自身位置的先验信息、本地接收到测距请求的时刻以及本地发送测距响应消息的时刻发送至目标节点；目标节点的第一计算单元根据协作定位节点列表，建立描述目标节点与其协作定位节点间消息传递过程的局部因子图；最后，利用各协作定位节点的先验信息，计算局部因子图中所有待定位节点在各个时刻的位置的后验概率分布，并进行因子分解，计算局部因式节点；进一步通过对目标节点在给定时刻的位置的先验概率进行预测，计算所有与目标节点的位置相连接的因式节点向该位置传递的消息，以及从该位置向所有与该位置相连接的因式节点传输的消息，进而求出目标节点在给定时刻的位置的后验概率分布，即目标节点的位置，实现分布式无线协作定位。2.如权利要求1所述的一种分布式无线协作定位方法，其特征在于，所述分布式无线协作定位的装置中，每个待定位节点均包括：第一控制单元、第一无线通信单元、第一存储单元和第一计算单元；第一控制单元操控各待定位节点的运动轨迹；目标节点中第一无线通信单元获取其通信范围内的所有协作定位节点，保存到协作定位节点列表中；并接收协作定位响应信号、测距信号到达时刻、测距信号响应时刻和协作定位节点的位置信息；第一存储单元用于保存协作定位节点列表、目标节点与所有协作定位节点之间的测距信息、目标节点的位置信息的估计值以及协作定位节点的位置信息；第一计算单元完成目标节点与各协作定位节点之间距离的计算、目标节点的位置计算以及目标节点的位置更新，并存储到第一存储单元；锚节点包括：第二控制单元、第二无线通信单元和第二存储单元；第二控制单元实现各锚节点的运动轨迹操控；第二无线通信单元获取所有与该锚节点进行通信的待定位节点，保存到待定位节点列表中，存储到第二存储单元中；同时，接收协作定位请求和测距请求，并发送自身位置信息给与本锚节点通信的待定位节点；第二存储单元用于存储锚节点的位置，并传输至第二无线通信单元；第二无线通信单元感知锚节点与列表中各节点的连接状态，若锚节点与列表中的某待定位节点断开通信，则在列表中删除断开节点，并更新列表。3.如权利要求1所述的一种分布式无线协作定位方法，其特征在于，所述协作定位节点集合中包括已知实际位置的锚节点与未知实际位置的待定位节点。4.如权利要求1所述的一种分布式无线协作定位方法，其特征在于，所述局部因子图
中，将列表中每个节点的位置分别作为一个随机变量，用边表示；对于每一个因子，用一个节点表示；如果随机变量出现在因子中，将对应于随机变量的边与对应于因子的节点相连接；对于出现在多于两个因子中的随机变量，构造一个等号节点，连接该等号节点的每条边上的随机变量是相同的。5.如权利要求1所述的一种分布式无线协作定位方法，其特征在于，所述计算局部因子图中所有待定位节点的随机向量的后验概率和局部因式节点的具体过程为：步骤501、计算目标节点与各协作定位节点之间的欧氏距离；目标节点i与协作定位节点j之间的欧式距离表示为：其中c为电磁波在空气中传播的速度；t4为目标节点i接收到测距响应的本地时刻；t1为目标节点i向协作定位节点j发送测距请求的本地时刻；t3为协作定位节点j向目标节点i发送测距响应的本地时刻；t2为协作定位节点j接收到测距请求的本地时刻；步骤502、利用欧氏距离计算目标节点的观测模型；目标节点i在时刻t对欧式距离d
ij
的观测模型为的观测模型为其中为目标节点i在时刻t对自身与协作定位节点j之间距离的测量误差；步骤503、对观测模型进行线性化处理，将各个节...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨少石，曹越，冯志勇，张涛，王丽华，杨春雷，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：