基于非视距鉴别的无线传感器网络混合定位算法的研究与设计

算法分析　基于非视距鉴别的无线　传感器网络混合定位算法的研究与设计　胡婷张铮　（兰　・Ｉ，ｌ交通大学ｅ￣ｑ－－￣４－－－￣息工程学院，甘肃兰州７３／３０７０）　摘要：针对非视距误差会导致无线传感器网络定位系统定位精度严重下降及单一定位算法易受环境影响等问题，本文提出了基－－Ｔ＂ＮＬＯＳ　鉴别的无线传感器网络混合定位算法。通过ＮＬｏｓ鉴别算法从各个锚节点记录时间信息中剔除具有ＮＬ０ｓ误差的锚节点，并利用混合定　位算法完成最终对标签节点的定位。仿真结果表明该算法有效地剔除了ＮＬＯＳ对系统定位结果的影响，并且，通过混合定位算法大大提升　了系统定位性能。　关键词：非视距；到达时间差；到达角度　中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—９４１６（２０１７）０２－０１５０－０３　当下，越来越多的行业都产生了大量无线定位的需求，这就引　其中ｒ，（‘）表示系统测量的ＴＯＡ信息，ｆ，（‘）代表真实应得的　领出了国内外关于无线定位技术研究的浪洌卜刮。当前广泛使用的无　ＴＯＡ侮鼠，ｎ，（‘）代表系统的测量噪声，在这里认为噪声服从均值为　线节点测距方法大体有：基于信号到达强度的测距方法（ＲｓｓＩ）Ｉ７］、基　０，方差为　的高斯分布，ｅ，（‘）表示锚节岗与标签之间由于非视距　于信号到达角度的测距方法（ＡＯＡ）ｒ￣、基于信号到达时间的测距方　误差而导致的时延，其均值为　．，，方差为　，。因此如何求出或判　法（ＴＯＡ）ｔ￣以及基于信号到达时间差的测距算法（ＴＤＯＡ）嘲等。　无线传感器网络系统的定位误差来源主要有以下几个方面：（１）　断出ＴＯＡ信息中是否存在该时延量成为解￣：ＮＬＯＳ问题的关键。　针对存在时延的问题，本文提出了一种算法：算法中假设系统　由于信道环境恶劣而产生的测量误差；（２）定位算法导致定位方称非　中锚节点的位置都已提前测量，且锚节点之间无障碍物能够互相通　线陛而产生的计算误　州。而由于非视距（ＮＬＯＳ）所造成的误差是测　视。在Ｎ　）ｓ鉴别算法运行过程中，利用锚节点之间能够获得的通信　量误差重要的组成部分。传统的节点定位方法如：Ｃｈａｎ算法【ｌ“、　ＴＯＡ信息，计算锚节点之间通信的到达时间差也就是ＴＤＯＡ信息，　Ｔａｙｌｏｒ级数展开法Ｈ　等都未将ＮＬＯＳ误差考虑在定位算法中，因此　记录多组该信息，并统计其均方差记录，作为参考均方差记为　。用　在节点在ＮＬ０Ｓ环境中通信时，两种方法的定位性能都大大下降。　相同的方法记录并计算锚节点与标签之间的ＴＤＯＡ信息并统计多　基于传统方法依赖先验信息这一情况，本文提出了一种改进的　组均方差记为ｌ　。…　ⅣＪ　ｌ，其中　，　表示锚节点１与锚节点２　方法利用ＴＯＡ与ＴＤＯＡ在非视距情况下的一些特性，消除非视距误　之间ＴＤＯＡ信息的均方差，Ｎ表示锚节点个数。将参考均方差与锚　差的影响。　节点与标签之间计算的均方差进行比对，若差距较大则计算出该组　同时，在现今的无线传感器网络定位系统中，常常利用单个的　ＴＤＯＡ信息的两个锚节点与标签之间可能存在ＮＬＯＳ，经过多组判　定位方法来完成最终的标签定位工作，而这些方法都有各自的缺　断从中找出具有ＮＬ０ｓ通信的锚节点，最终完成对ＮＬｏｓ锚节点的剔　陷。因此本文提出了一种基于ＴＤＯＡ与ＡＯＡ混合定位的方法，旨在　除。　综合该两种定位算法各自的优点，达到提升系统定位精度的目的。　本文算法结构为：（１）利用本文提出的ＮＬ０ｓ鉴别算法从锚节点　中筛选出有非视距通信情况的锚节点，并将该节点记录的ｒ０Ａ信息　删除；（２）通过剩余的Ｔ０Ａ信息结合锚节点可以记录的ＡＯＡ信息，并　利用已有的定位方程完成标签节点位置信息的计算。　２混合定位算法　基于ＴＤＯＡ与ＡＯＡ混合定位的技术是结合ＴＤＯＡ与ＡＯＡ信息　完成定位的一种方法。在定位过程中，标签节点广播信号，锚节点记　录Ｔ０Ａ和ＡＯＡ信息，由于各个锚节点和标签节点之间的距离不等，　可以通过Ｔ０Ａ信息计算各个锚节点的相对于标签节点的ＴＤＯＡ信　１非视距鉴别算法　息，利用ＴＤＯＡ信息可以计算出各个锚节点相对于标签节点的距离　标签的定位计算。　为了辨别定位系统中是否存在非视距锚节点，需要利用特定算　差，结合已经获得的信号ＡＯＡ信息，利用混合定位算法可以完成对　法进行鉴别。　定位系统中，锚节点ｊ与标签之间在　时刻测量自勺，ＩＤＡ信息可以　表示为：　这里我们只考虑二维晴况下的定位。假设锚节点坐标信息用　（　，　）ｉ＝１，２，．．．，Ｎ来表示，标签坐标为　，　），则锚节点和标签　ｒ，（‘）＝　（　）＋　（　）＋　（ｔ）　收稿日期：２０１７－０１－０５　（１）　之间的距离信息可表示为　。＝√（　—ｘｏ）　＋（ｙ　一　）　，由此可得：　作者简介：胡婷（１９８　－），女，陕西杨凌人，就读于兰州交通大学，主要从事无线传感器网络定位技术方面的研究；张铮（１９９１），女，河北承德　人，就读于兰州交通大学，主要从事数字图像处理方面的研究。　ｌ舅　扣　　：。ｌ与应用　算法分析　矗　二　二　：　二　（　一　）　一　ｏ—　）　一币点时角度佰思表不力：　、　ｔａＩ１　：　ｘｏ一　２，．．．，Ⅳ　令△　＝　一　，将其带入公式（２）化简可得：　（　一ｘ２）Ｘｏ＋（　１一Ｙ２）Ｙｏ＝　。联立公式（４），公式（５）并变换矩阵形式可得：　Ａｄ＋　［△ｄ　＋（　＋　）一（《＋　）］　（３）　Ｘ１－Ｘ２　－￣＝　Ｉｐｏ　１－［　］　令ｇ＝　△　。＋（　＋ｙ２）一（《＋　；）】，依据此继续化简公式（３）　令矩阵中：　可得：　（　－ｘ２）Ｘｏ＋（　一　）　＝　０Ａｄ＋ｇ　（４）　肛ｌ　ｔａｌ　一１　ｊ　ｌ锚节点上加装的小型天线阵列可获得的标签广播信号到达锚　ｓ＝表１　ＮＬＯＳ时延均方差为１　０Ｉ７时ＴＤＯＡ的统计均方差对比表　嘲　噪声均方差　１０　１０＿９　１０－　ｄ　ｌｒ—ｏＡｄ　＋参考均方差　０．１５２　１．２５６　１６．９８３　Ｌ　锄一ｇ　］　无ＮＬＯＳ时延　０．１５５　１．３８７　１７．２２５　则可得：　有ＮＬＯＳ时延　９５．４８８　８８．２８６　８３．１５２　言　１０’　叠　｛　仲　’０’　１玎。　噪声均方麓　图１不同ＮＬＯＳ时延均方差曲线定位误差对比图　噪声均方差　图２　ＮＬＯＳ时延均方差为１Ｏ－７时不同ＮＬＯＳ节点个数定位误差曲线对比图　算法分析　噪声均方箍　图３　ＮＬＯＳ时延均方差为１０　时不同ＮＬＯＳ节点个数定位误差曲线对比图　从上式可以看出，Ｂ矩阵的行列式值为－（ｘ１一ｘ２）一（　—ｙ２）ｔａｎ０１　阵，则可变换得：　ａｌ　ｌｇ＋ａｌ２（Ｘ１　ｔａｎＯ，　－ｙ１）＋ｋａ２　ｇ　ａ２２　ｔａｒＯ，Ｙ　４－ｑｌ由仿真结果可以看出算法有效地降低了ＮＬＯＳ误差对定位的影　　目从锚节点１获得的ＡＯＡ信息可知矩阵行列式值不为０，因此存在逆矩　响。‘　４结语　ｌ　ｊ　１十　一１，△　ｌ］ｊ　…ａ２１　（８）　本文提出了一种非视距误差的鉴别算法，利用锚节点之间通视　的先验条件，通过非视足且隋况下标签与锚节点之间的测量ＴＯＡ信息　会起伏变化这一特性剔出非视距锚节点。同时，本文还提出了一种　令：　僚　ａ△Ｉ　：ｉ１ｇ＋ａ　　２（ｘｌｔａｎ０１一）一　）‘‘）　，一Ｊ，　２　则有：　成功解决了定位方法单一容易受环境影响的问题，　（～　９），　混合定位算法，降低了系统定位需求的锚节点个数，在不影响定位精度的情况下降　低了系统成本。通过仿真分析验证，证明了该两种方法的有效性。　参考文献　［　：　］　将上述公式带入　ｌ２０＝（　一ｘｏ）　＋（　，一　）　可得：　口　＋　ｄｌｏ＋ｃ＝０　其中：　（１１）　［１］孙利民，等编著．无线传感器网络［Ｈ］．清华大学出版社，２００５．　［２］李哲涛，李仁发，魏叶华．无线传感器网络中时间同步与测距协同　算法［Ｊ］．计算机研究与发展，２０１０（０４）　［３］杜存功，丁恩杰，苗曙光，王满意，朱微维．无线传感器网络改进型节　（１２）　点定位算法的研究［Ｊ］．传感器与微系统，２０１０（０１）．　（１３）　［４］王亮，曹建安．无线传感器网络定位算法研究进展［Ｊ］．现代电子技　ａ：Ｐ　＋　２—１　ｂ＝２ｐｌ（ｍ１一　）＋２Ｐ２（ｍ２一Ｙ１）　（１４）　术，２０１　１（２３）．　从这些等式中可以看出，式中只有一个未知数，即为标签和锚　［５］刘志华，赵寿君，齐冬梅．三维无线传感器网络节点的序列垂心定　节点之间的距离信息ｄ　因此，可以通过距离信息完成定位。　位［Ｌ］］．无线电工程，２０１０（０４）．　ｃ＝（　１一ｘ１）　＋（　２一　）　３仿真性能分析　３．１不同非视距时延下的仿真分析　如图ｌ所示为系统只有一个非视距锚节点，所得到的不同ＮＬＯＳ　时延情况下的定位精度分析结果图。纵轴表示定位误差，横轴表示　ＴＯＡ测量噪声的均方差。　由仿真结果可以看出算法有效地降低了ＮＬＯｓ误差对定位的影　响。　［６］杜存功，丁恩杰，苗曙光，王满意，朱微维．无线传感器网络改进型节　点定位算法的研究［０］．传感器与微系统，２０１０（０１）．　［７］张怡，席彦彪，李刚伟，赵凯华．基于卡尔曼滤波的ＴＤＯＡ／ＡＯＡ：；￣Ｉ合定　位算法［Ｊ］．计算机工程与应用，２０１５（２０）．　［８］汪苑，林锦国．几种常用室内定位技术的探讨［Ｊ］．中国仪器仪表，　２０１　１（Ｏ２）．　［９］王鹏，雷斌，张洪顺，魏勇．ＴＤ０Ａ定位系统的设计与实现［Ｊ］．中国无　线电，２０１３（０１）．　从上表ｌ中可清楚看出，ＮＬＯＳ时延对ＴＤＯＡ的影响是非常大　的，因此本文方法可以有效地鉴别并剔除ＮＬＯＳ时延的影响。　５．２不同非视距节点个数下的仿真分析　如图２，图３所示为在不同ＮＬＯＳ锚节点个数及ＮＬＯＳ时延均方　差情况下标签定位误差仿真分析对比图。　［１０］李军，张会清．一种室内定位中ＮＬＯＳ误差抑制算法［Ｊ］．控制工程，　２００９。１６（７）：１　１７—１　１９．　［１１］李娅菲，朱炬璋．非视距条件下的测距信息融合定位方法研究　［Ｊ］．电子测量与仪器学报．２０１５（０５）．