基于TOF测距的无线传感器网络定位技术研究

摘要

无线传感器网络作为一种新兴的信息感知和处理技术，广泛应用于工农业生产、军事侦查、医疗、环境监测等领域，而这些所有应用的前提是必须知道节点的位置信息，否则节点采集的信息就失去了其应有的价值。节点的定位技术是无线传感器网络的重要关键技术。针对现有定位算法的计算量大、能耗大、定位精度低及稳定性差等缺点，基于飞行时间（Time of Flight，TOF）测距技术，设计了两种新型无线传感器网络节点定位算法，并分别对两种定位算法进行仿真和实验验证。
　　本文将测距和测角度相结合，设计了一种基于旋转定向天线的定位算法。在分析TOF测距原理的基础上，针对TOF测距方法存在的测距偏移现象，并且偏移量是随环境变化而变化，设计了一种基于偏移量补偿的TOF测距方法，首先通过在线建模求测距偏移量，然后利用偏移量对测距结果进行补偿。为了提高定向天线测角精度，依据定向天线的波瓣图，设计了一种基于曲线拟合的定向天线测角方法。最后将TOF测得的距离和定向天线测得的角度相结合得到未知节点的位置信息。实验结果表明该定位算法的测距精度达到0.83m，测角精度达到1.65°，且最终的定位精度高达3.94％。
　　本文通过大量仿真和实验发现三边测量定位算法的缺陷，在测距精度很高的情况下，时常会存在异常定位误差，经过详细分析及公式推导发现是三边测量定位算法的锚节点布局产生了病态矩阵，最终导致了异常的定位误差，因此本文设计了一种基于矩阵向量正交度的定位算法，该算法用矩阵向量正交度来衡量定位矩阵的病态程度，剔除病态程度大的锚节点布局，运用病态程度小的锚节点布局定位未知节点。实验和仿真证明基于矩阵向量正交度的定位算法能有效克服三边测量定位算法存在的异常值问题，相比于最近三边测量定位算法，在锚节点布局合理的情况下，定位精度提高了4.95％，在锚节点布局不合理的情况下，定位精度提高了56.12％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无需测距技术的定位算法

1．2．2 基于测距技术的定位算法

1．3 主要研究内容及论文结构

2 无线传感器网络定位技术

2．1 无线传感器网络定位常用术语及性能评价指标

2．2 无线传感器网络定位常用测距技术

2．3 测距技术分析

2．4 基于测距技术的无线传感器网络定位算法

2．4．1 三边测量定位算法

2．4．2 极大似然估计定位算法

2．5 本章小节

3 基于旋转定向天线的定位算法

3．1 基于偏移量补偿的TOF测距方法

3．1．1 TOF测距实验

3．1．2 基于偏移量补偿的TOF测距方法设计

3．2 基于曲线拟合的定向天线测角方法

3．2．1 定向天线工作原理及测角方法

3．2．2 定向天线测角实验

3．2．3 曲线拟合法求方位角

3．3 组合定位算法设计

3．4 算法实验分析

3．4．1 无线传感器网络实验平台搭建

3．4．2 实验结果分析

3．5 本章小节

4 基于矩阵向量正交度的定位算法

4．1 问题引入

4．2 定位误差分析及矩阵向量正交度

4．3 算法设计

4．4 算法仿真分析

4．4．1 仿真及结果分析

4．4．2 矩阵向量正交度因素对算法的影响

4．4．3 锚节点布局因素对算法的影响

4．5 算法实验分析

4．5．1 无线传感器网络实验平台搭建

4．5．2 实验结果分析

4．6 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢