第6章 定位技术.pptVIP

第6章 定位技术 6.1 节点定位技术基本概念 6.2 基于距离的定位算法 6.3 与距离无关的定位算法 无线传感器节点的位置信息对于传感网来说至关重要，没有位置信息的监测数据往往毫无意义。 在传感网的各种应用中，监测到事件后关心的一个重要问题就是该事件发生的位置。 如在环境监测应用中需要知道采集的环境信息所对应的具体区域位置； 对于突发事件，需要知道森林火灾现场位置，战场上敌方车辆运动的区域，天然气管道泄漏的具体地点等。 传感器节点自身定位就是根据少数已知位置的节点，按照某种定位机制确定自身位置。只有在传感器节点自身正确定位之后，才能确定传感器节点监测到的事件发生的具体位置，这需要监测到该事件的多个传感器节点之间的相互协作，并利用它们自身的位置信息，使用特定定位机制确定事件发生的位置。 全球定位系统GPS(Global Position System)是目前应用最广泛最成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距对用户节点进行定位，具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是GPS定位适应于无遮挡的室外环境，用户节点通常能耗高体积大，成本也比较高，需要固定的基础设施等，这使得不适用于低成本自组织的传感网。 在机器人领域中，机器人节点的移动性和自组织等特性，其定位技术与传感网的定位技术具有一定的相似性，但是机器人节点通常携带充足的能量供应和精确的测距设备，系统中机器人的数量很少，所以这些机器人定位算法也不适用于传感网。 受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，为每个传感器安装GPS模块等这些传统定位手段并不实际，甚至在某些场合可能根本无法实现，因此必须采用一定的机制与算法实现传感器节点的自身定位 6.1 节点定位技术基本概念 1．定位的含义 无线传感网定位问题是指网络通过特定方法提供节点的位置信息。 其定位方式可分为节点自身定位和目标定位。 自身定位：是确定网络节点的坐标位置的过程。节点自身定位是网络自身属性的确定过程，可以通过人工标定或者各种节点的自定位算法完成。 目标定位：是确定网络覆盖区域内一个事件或者一个目标的坐标位置。目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，确定事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。 位置信息有多种分类方法。通常有物理位置和符号位置两大类。 物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标的相对或者绝对位置。 符号位置指目标与一个基站或者多个基站接近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关系，提供目标大致的所在范围。 在很多传感网应用场合中，必须知道各节点物理位置的坐标信息。通过人工测量或配置来获得节点坐标的方法往往不可行。通常传感网能够通过网络内部节点之间的相互测距和信息交换，形成一套全网节点的坐标。这才是经济和可行的定位方案。 从广义上来讲，无线传感网的定位问题包括传感器节点的自身定位和对监控目标的定位。目标定位侧重于传感网在目标跟踪方面的应用，是对监控目标的位置估计，它以先期的节点自身定位为基础。从不同的角度出发，无线传感网的定位方法可以进行如下分类。 （1）根据是否依靠测量距离，分为基于测距的定位和不需要测距的定位。 （2）根据部署的场合不同，分为室内定位和室外定位。 （3）根据信息收集的方式，网络收集传感器数据用于节点定位被称为被动定位，节点主动发出信息用于定位被称为主动定位。 2．基本术语 （1）信标节点：指预先获得位置坐标的节点，也被称作锚点。其余节点被称为非锚点。 （2）测距：指两个相互通信的节点通过测量的方式来估计出彼此之间的距离或角度。 （3）连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。 节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。 网络连接度是所有节点的邻居节点数目的平均值，它反映了传感网节点配置的密集程度。 （4）邻居节点：传感节点通信半径以内的所有其他节点，被称为该节点的邻居节点。 （5）接收信号强度指示（Received signal Strength Indicator，RSSI）：节点接收到无线信号的强度大小，被称为接收信号的强度指示。 （6）到达角度（Angle of Arrival，AoA）：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，被称为信号相对接收节点的到达角度。 （7）视线关系（Line of sight，LoS）:如果两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则称这两个节点间存在视线关系。 （8）非视线关系（None Line of sight，NLoS）：两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。 3．定位性能的评价指标 （1）定位精度： 定位精度指提供的位置信息的精确程度，它分为相对精度和绝对精度。 绝对精度指以长度为单位度量的精度。例如，GPS的精度为1～10m，现在使用GPS导航系统的精度约5m。一些商业的室内定位系统提供30cm的精度，可以用