无线传感器网络原理及应用第4章 定位技术ppt课件.ppt

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1、第4章定位技术4.1定位技术简介4.2基于距离的定位4.3与距离无关的定位算法4.1定位技术简介4.1.1定位技术的概念、常见算法和分类　　1.无线传感器网络定位技术概念在传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身的位置，把传感器节点分为信标节点(beaconnode)和未知节点(unknownnode)。信标节点在网络节点中所占的比例很小，可以通过携带GPS定位设备等手段获得自身的精确位置。信标节点是未知节点定位的参考点。除了信标节点以外，其他传感器节点就是未知节点，它们通过信标节点的位置信息来确定自身位置。

2、在如图4-1所示的传感网络中，M代表信标节点，S代表未知节点。S节点通过与邻近M节点或已经得到位置信息的S节点之间的通信，根据一定的定位算法计算出自身的位置。图4-1传感器网络中信标节点和未知节点2．节点位置计算的常见方法传感器节点定位过程中，未知节点在获得对于邻近信标节点的距离，或者获得邻近的信标节点与未知节点之间的相对角度后，通常使用下列方法计算自己的位置。1)三边测量定位法(trilateration)　　三边测量定位法是一种常见的目标定位方法，其理论依据是在二维空间中，当一个节点获得三个或者三个以上参考节点

3、的距离时，就可以确定该节点的坐标。三边测量技术建立在几何学的基础上，它用多个点与目标之间的距离来计算目标的坐标位置。如图4-2所示，在二维空间中，最少需要得到三个参考点的距离才能唯一地确定一点的坐标。假设目标节点的坐标为(x，y)，三个信标节点A、B、C的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，以及它们到未知目标节点的距离分别为ρ1、ρ2、ρ3，则根据二维空间距离计算公式，可以建立如下方程组：图4-2三边测量定位法由公式(4-1)即可解出节点D的坐标(x，y)：(4-1)2)三角测量法(triang

4、ulation)　　三角测量法的原理如图4-3所示，已知A、B、C三个节点的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，节点D到A、B、C的角度分别为∠ADB、∠ADC、∠BDC、假设节点D的坐标为(x，y)。对于节点A、C和∠ADC，确定圆心为O1(xO1，yO1)、半径为r1的圆，，则(4-2)图4-3三角测量法原理图由公式(4-2)能够确定圆心O1的坐标和半径r1。同理对A、B、∠ADB和B、C、∠BDC，也能够确定相应的圆心O2(xO2，yO2)、O3(xO3，yO3)，半径r2、r3。最后利

5、用三边测量法，由O1、O2、O3确定D节点的坐标(x，y)。3)极大似然估计法(maximumlikelihoodestimation)　　如图4-4所示，已知获得信标节点1、2、3…n的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)…(xn，yn)，它们到待定位节点D的距离分别为ρ1，ρ2，ρ3…ρn，假设D的坐标为(x，y)，则存在公式：(4-3)图4-4极大似然估计法公式(4-3)可表示为线性方程式AX=b，其中使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点D的坐标为4.1.2定位算法分类在传感器网络中，

6、根据定位过程中是否测量实际节点间的距离，把定位算法分为基于距离的(range-based)定位算法和与距离无关的(range-free)定位算法，前者需要测量相邻节点间的绝对距离或方位，并利用节点间的实际距离来计算未知节点的位置；后者无需测量节点间的绝对距离或方位，而是利用节点间估计的距离计算节点位置。4.2基于距离的定位基于距离的定位机制(range-based)是通过测量相邻节点间的实际距离或方位进行定位的。具体过程通常分为三个阶段：第一个阶段是测距阶段，首先测量未知节点到邻居节点的距离或角度，然后进一步计算到邻

7、近信标节点的距离或方位，在计算到邻近信标节点的距离时，可以计算未知节点到信标节点的直线距离，也可以用二者之间的跳断距离作为直线距离的近似；第二个阶段是定位阶段，计算出未知节点到达三个或三个以上信标节点的距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标；第三个阶段是修正阶段，对求得的节点的坐标进行求精，提高定位精度，减少误差。基于距离的定位算法通过获取电波信号的参数，如接收信号强度(RSSI)、信号传输时间(TOA)、信号到达时间差(TDOA)、信号到达角度(AOA)等，再通过合适的定位算法来

8、计算节点或目标的位置。4.2.1基于TOA的定位在TOA方法中，主要利用信号传输所消耗的时间预测节点和参考点之间的距离。系统通常使用慢速信号(如超声波)测量信号到达的时间，原理如图4-5所示。超声信号从发送节点传递到接收节点，而后接收节点再发送另一个信号给发送节点作为响应。通过双方的“握手”，发送节点即能从节点的周期延迟中推断出距离为式中，V代