【《基于距离的定位算法概述》2500字】

基于距离的定位算法概述基于距离的定位算法大多是通过得到的距离信息或角度信息等建立数学等式从而计算出信标节点和未知节点之间的距离关系，然后通过三边测距法计算出未知节点的位置信息，目前应用较为广泛的基于距离的定位算法主要有TOA、TDOA、AOA、RSSI等。通常，测距算法需要增加硬件设备，成本相对增加，最终的定位精度受设备测距精度的影响较大。TOA定位算法TOA定位算法是通过测量某种已知传输速率的信号（如无线电信号、声信号、超声波信号等）从发射端到接收端经过的传输时间来计算信标节点与未知节点之间的距离，通常根据信号传播的路径可以分为单程测量和多程测量。单程测量是指测量信号从发射端到接收端的单向传播时间，信号到达接收端标志着测量结束。如图1.1，已知信号的传播速度为，接收端和发射端之间的距离为。时刻，信号由发送端发出，时刻，接收端接收到该信号，则d=v⋅这种方法的原理相对简单，能够获得较好的定位性能，但是为了保证定位精确度，需要发射结点和接收节点在时间上保持高度同步，因此也会增加额外的硬件成本。图1.1TOA测距原理图多程测量是指测量信号从发射端到接收端，再从接收端返回发射端的双向传播时间，信号重新返回发射端标志着测量结束。如图1.2,已知信号的传播速度为，接收端和发射端之间的距离为,时刻，信号由发送端发出，当接收端接收到信号后立刻将信号反馈给接收端，时刻，发送端接收到该信号，则：d=v⋅这种方法不要求时间同步，但是会受到本地时钟误差的影响，并且这种方法很容易受到外界环境的干扰，对传感器的硬件结构等有很高的要求。图1.2TOA测距原理图在TOA算法中，待待测节点收集到周围三个或更多信标节点的距离信息以后，便可以通过三边定位法来计算出待测节点的位置坐标，如图1.2，设未知节点O的坐标为，与周围三个信标节点A、B、C的距离分别为、、,A、B、C的位置坐标分别为、、，由三边定位法可得：&求解方程即可得出未知节点的位置坐标。&xTDOA定位算法TDOA定位算法是通过测量发射结点同一时刻发出的两种频率不同的信号（超声波信号和无线射频信号）到达接收节点的时间差来计算信标节点与未知节点之间的距离。与TOA算法相比，TDOA定位算法对时间同步没有严格的要求，不易受外界环境的干扰，进一步提高了计算结果的精确度。如图1.3所示，在发送节点上安装了无线信号发生器和超声波信号发生器，分别发送传播速度不同的两种信号，已知两种信号的传播速率分别为、，接收端和发射端之间的距离为。时刻，发送节点发出两种信号，和时刻，两种信号分别到达接收节点，则两个节点之间的距离d=图1.3TDOA测距原理图我们通过Cricket系统和AHLos系统可以看出TDOA技术在无线传感器网络定位中的应用。其中Cricket系统是由麻省理工大学研发的一种TDOA室内定位系统，用来确定静止或者移动的传感器节点在楼房内的具体位置信息。AHLos（Ad-HocLocalizationSystem）定位系统是一种基于TDOA定位算法的定位系统，通过计算未知节点与锚节点之间的距离，利用极大似然估计法、迭代多边算法、原子多边算法、协作多边算法等计算出待测节点的位置信息。TDOA定位算法实现起来相对容易，但是因为传感器节点要发射两种信号，所以需要额外的硬件设备增加了成本。AOA定位算法AOA定位算法是待测节点利用天线阵列或者多个超声波接收机通过测量发射结点发射的无线电信号或者超声波信号的相对角度来计算信标节点与未知节点之间的距离。如图1.4所示，设未知节点O的坐标为QUOTE(x,y)(x,y)，信标节点1、2、3…的位置坐标分别为QUOTEx1,y1x1,y1，QUOTEx2,y2x2,y2，QUOTEx3,y3x3,y3…QUOTExn,tan基于AOA的定位技术定位精度比较高，实现起来相对容易且不要求时间同步，但是缺点是需要额外配备麦克风阵列和多个无线接收器，节点的成本高，并且容易受到外界环境的影响。图1.4AOA原理图RSSI在信号传播过程中，信号强度会受到外界环境的影响而不断地衰减，一般传感器节点之间的距离越远，信号强度衰减越多。基于RSSI的定位算法是通过硬件设备测量发射结点的发射信号强度和接收节点的接收信号强度，比较两个信号强度可以得到信号在传输过程中的损耗，然后利用路径损耗模型来计算出已知结点和未知节点之间的距离，这种方法将信号的强度变化转化为了距离。路径损耗模型为：P其中，为接收节点与发射结点之间的距离；为参考距离；为接收节点接在距发射结点处接收到的信号强度；为参考距离处测得的参考信号强度，通常情况下，为了计算的方便取值1；为与外界环境有关的路径衰减因子，通常取值范围为1.0~4.0；为一个高斯随机噪声变量，它服从均值为0，方差为的高斯分布，在实际应用中有时会忽略不计。待待测节点收集到周围三个或更多信标节点的距离信息以后，便可以通过三边定位法来计算出待测节点的位置坐标。基于RSSI的定位算法利用信号的衰减模型来计算未知节点的位置，原理比较简单，相对于之前的三种定位技术来说硬件成本较低，因此目前应用范围很广，这种方法的缺点是性能不稳定，对环境有较大的依赖性，在定位过程中很容易会受到周围环境的影响，这种方法有待于深入的研究。极大似然估计法如图当传感器节点的数目较多时，可以使用极大似然估计法，设未知节点的位置坐标为，1，2，3n个信标节点的位置坐标分别为，，，距未知节点的距离分别为，，。图1.5