一种基于测距的无线传感网络的高精度定位改进算法

摘要

本文首先介绍了无线传感器网络的基本概念，简单介绍了无线传感器网络的结构、特点及国内外的一些研究与应用。无线传感器网络的节点定位算法分为基于测距的定位算法和无需测距的定位算法两大分类。因为无需测距的定位算法精度较低，所以，为提高定位精度，必然使用基于测距的定位算法。在实际应用中，不可能避免信号的非视距传播，因此，如何消除非视距误差对定位的影响，就成为无线传感网络定位中的一个最重要、最核心的问题。所以本文在通过分析需测距的定位算法后，将着重探讨非视距环境中基于测距的定位算法。 本文通过介绍了常用的基于测距技术定位算法的测量原理，推导了计算公式，探讨了影响基于测距定位精度的因素，总结了距离测量值的误差，分析了非视距误差的特点和对定位的影响，介绍了包括传统残差检测定位算法在内的减小其影响的方法。基于传统残差检测定位算法需要遍历所有的分组，当可用传感器节点数目较大时，计算量就会很大，耗时会太长，不利于实际应用。 在保证一定的定位精度前提下，针对传统的残差检测算法计算量太大的特点，本文创新性地提出专用的改进型的残差检测算法。该算法首先将距离测量值以四个一组进行分组，用残差最小的子分组中的三个节点距离测量值，再选择一个未经计算的节点距离测量值进行组合，检测是否包含了非视距信号，通过重复该步骤，就会选出视距信号。考虑采用基于信号到达的时间TOA的算法，只需要确定三个来自视距传播的信号即可，不必选出所有的视距信号。该算法会避免计算包含非视距信号的分组，降低了计算量。 为了精确测量时间，在ARM的控制下，触发发射器发射无线电波，通过改变延时电路时间，使接收到的返回信号与延时时间信号“同时”到达，可认为无线电波从发射到接收的时间与延时的总时间相当。步长为10ns的延时时间用 ARM对100MHZ时钟同步脉冲进行测量；步长为50ps的延时时间用可编程延迟芯片实现测量,这样实现了测量时间精度为50ps，从而达到测量距离精度为1.5cm。 本文利用优化的残差检测算法可以判断出视距信号，结合精确测量信号到达时间的原理，设计了精确测量信号到达的时间的硬件及相应的软件，制定了相互通信的协议。 使用新的改进算法，本文通过实验测量非视距环境下的目标定位，验证了定位精度为1.5cm范围内，测量误差在1.5cm，新算法的计算量被大大降低，可在不复杂的实际环境中进行应用。

目录

第1章 绪论

1.1 背景

1.2 无线传感器网络

1.3 无线传感网络定位算法的现状

1.4无线传感网络协议栈的标准

1.5 本文研究的内容和结构安排

第2章 无线传感网络现有的定位算法

2.1 基于测距的定位技术

2.2无需测距技术的定位

2.3影响测距定位精度的因素[84]

2.4 测距误差

2.5 本章小结

第3章 基于测距的无线传感网络定位的改进算法

3.1 精确测量信号到达的时间

3.2 优化残差检测算法

3.3 本章小结

第4章 实验仿真

4.1视距环境下使用优化残差算法的影响

4.2非视距环境下测量误差

4.3结论

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1 结论

5.2 进一步工作的方向

参考文献

致谢

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