CN103501536A - 一种无线节点彼此间距动态获取方法及无线节点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线节点彼此间距动态获取方法，基于N个已知彼此间距的参照无线节点，获得与参照无线节点位于同一区域的目标无线节点与参照无线节点之间的间距，充分考虑到需定位目标无线节点所处的环境，避免了传统针对无线节点间距的静态获取方法，采用动态获取方法，大大提高了无线节点彼此间距的获取精度；本发明还涉及一种无线节点定位方法，采用二次定位，先针对固定参照无线节点进行定位，再通过获取目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距的方式，最终实现对目标无线节点的精确定位，大大提高了定位的精度，避免了传统的方法中定位难、信号接收差、精度低的问题。

Description

一种无线节点彼此间距动态获取方法及无线节点定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线节点彼此间距动态获取方法及无线节点定位方法。 

背景技术

多年来，无处不在的精确定位一直是阻碍基于位置的个人服务发展的主要因素之一。现有的定位***和机制常常有很大的局限。它们要么需要专门的硬件（如GPS和A-GPS），无法在大多数的便携式节点上部署；或者无法做到无处不在的覆盖（例如，未部署的WIFI的区域，阴影区域的GPS定位，室内定位，或任何与空中GPS卫星不存在直接可见路径的区域），或者是极不准确的（例如，基于无线蜂窝网的定位）。现有的定位***和方法都基于单个无线节点，将定位某一个无线节点的过程与定位其它无线节点的过程隔离开来（以下称为“个体定位”）。由于一个单一的无线装置可用的无线接口受限，以及每个单独的无线接口的工作方式的限制，因此个体定位有很大的局限性。 

发明内容

针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于动态校准，能够有效提高无线节点彼此间距获取精度的无线节点彼此间距动态获取方法。 

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种无线节点彼此间距动态获取方法,基于N个已知彼此间距的参照无线节点,N≥2，获得与参照无线节点位于同一区域的目标无线节点与参照无线节点之间的间距，包括如下步骤: 

步骤001.在N个已知彼此间距的参照无线节点中，选择k个参照无线节点作为无线参照路标，1≤k<N； 

步骤002.获取（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点分别相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵P如下： 

其中，P_i表示第i个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵，p_ij表示第i个参照无线节点相对第j个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值，i＝{1、…、N-k}，j＝{1、…、k}； 

步骤003.根据Q＝RP^T(PP^T)^-1，获得（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值与间距的转换模型Q，其中，P^T为P的转置矩阵，R为（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点分别与各个无线参照路标之间的间距矩阵， 

R_i表示第i个参照无线节点与各个无线参照路标之间的间距矩阵，r_ij表示第i个参照无线节点与第j个无线参照路标之间的间距； 

步骤004.获得目标无线节点相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值，根据信号接收强度值与间距的转换模型Q，获得目标无线节点相对各个无线参照路标之间的间距。 

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤002中，所述无线信号为蜂窝网络通讯信号或WIFI信号或蓝牙信号或红外线信号或射频信号。 

本发明所述一种无线节点彼此间距动态获取方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果： 

（1）本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法，充分考虑到需定位目标无线节点所处的环境，基于与目标无线节点位于同一区域的N个已知彼此间距的参照无线节点，动态准确得目标无线节点与参照无线节点之间的间距，避免了传统针对无线节点间距的静态获取方法，大大提高了无线节点彼此间距的获取精度； 

（2）本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法中，针对无线信号的选 择可以采用蜂窝网络通讯信号或WIFI信号或蓝牙信号或红外线信号或射频信号等等，多种无线信号均可选择应用在本方法中，有效扩大了本方法应用范围，使得本方法能够有效适应更多的情况中。 

与此相应，针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无线节点彼此间距动态校准获取，针对目标无线节点采用二次定位实现精确定位的无线节点定位方法。 

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种无线节点定位方法,需要定位的目标无线节点所在区域内拥有N个已知彼此间距的参照无线节点，且N个参照无线节点中拥有k个固定参照无线节点，1≤k<N，无线节点定位方法包括如下步骤： 

步骤01.针对k个固定参照无线节点进行定位； 

步骤02.选择k个固定参照无线节点作为无线参照路标，根据权利要求1所述无线节点彼此间距动态获取方法，获取目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距，权利要求1中无线节点彼此间距动态获取方法如下： 

步骤001.选择k个固定参照无线节点作为无线参照路标，1≤k<N； 

步骤002.获取（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点分别相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵P如下： 

其中，P_i表示第i个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵，p_ij表示第i个参照无线节点相对第j个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值，i＝{1、…、N-k}，j＝{1、…、k}； 

步骤003.根据Q＝RP^T(PP^T)^-1，获得（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值与间距的转换模型Q，其中，P^T为P的转置矩阵，R为（N-k）个参照无线节点中，各个 参照无线节点分别与各个无线参照路标之间的间距矩阵， 

R_i表示第i个参照无线节点与各个无线参照路标之间的间距矩阵，r_ij表示第i个参照无线节点与第j个无线参照路标之间的间距； 

步骤004.获得目标无线节点相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值，根据信号接收强度值与间距的转换模型Q，获得目标无线节点相对各个无线参照路标之间的间距。 

步骤03.在k个固定参照无线节点已定位的基础之上，根据目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距，定位目标无线节点的位置。 

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤01中，采用GPS或者A-GPS或者北斗定位卫星对k个固定参照无线节点进行定位。 

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤03中，根据目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距，采用三点定位法，定位目标无线节点的位置。 

本发明所述一种无线节点定位方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果： 

（1）本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法，采用二次定位，针对目标无线节点所在区域内固定参照无线节点先做定位，再通过获取目标无线节点与各个参照无线节点之间的间距的方式，最终实现对目标无线节点的精确定位，大大提高了定位的精度，避免了传统的方法中定位难、信号接收差、精度低的问题； 

（2）本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法中，针对一次定位，可以采用多种卫星定位方式进行定位，有效提高了一次定位的精度，而且不受卫星定位方式的限制； 

（3）本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法中，在获取目标无线节点相对各个无线参照路标之间的间距的基础之上，结合无线参照路标的定位，大 大提高了最终针对目标无线节点的定位精度。 

附图说明

图1是本发明设计无线节点彼此间距动态获取方法及无线节点定位方法的工作结构示意。 

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。 

本发明设计了一种无线节点彼此间距动态获取方法,基于N个已知彼此间距的参照无线节点,N≥2，获得与参照无线节点位于同一区域的目标无线节点与参照无线节点之间的间距，包括如下步骤: 

步骤001.在N个已知彼此间距的参照无线节点中，选择k个参照无线节点作为无线参照路标，1≤k<N； 

步骤002.获取（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点分别相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵P如下： 

其中，P_i表示第i个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵，p_ij表示第i个参照无线节点相对第j个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值，i＝{1、…、N-k}，j＝{1、…、k}； 

获得（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点分别与各个无线参照路标之间的间距矩阵R如下： 

其中，R_i表示第i个参照无线节点与各个无线参照路标之间的间距矩阵，r_ij 表示第i个参照无线节点与第j个无线参照路标之间的间距； 

根据间距矩阵R和信号接收强度矩阵P，针对（N-k）个参照无线节点中各个参照无线节点和第j个无线参照路标，构成信号接收强度值与间距之间转换误差的方差方程如下： 

$\underset{i=1}{\overset{N-k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(r_{\mathrm{ij}}-Q_j{P}_i)}^2={\left|\right|R_i-Q_{j}P\left|\right|}^2---\left(1\right)$

其中，Q_j表示各个参照无线节点相对第j个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值与间距之间的转换模型； 

针对方程（1）进行方差最小化处理，获得Q_j=R_jP^T(PP^T)^-1，将Q_j推广到针对所有的无线参照路标，获得Q＝RP^T(PP^T)^-1； 

步骤003.根据Q＝RP^T(PP^T)^-1，获得（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值与间距的转换模型Q，其中，P^T为P的转置矩阵； 

步骤004.获得目标无线节点相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值，根据信号接收强度值与间距的转换模型Q，获得目标无线节点相对各个无线参照路标之间的间距。 

发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法，充分考虑到需定位目标无线节点所处的环境，基于与目标无线节点位于同一区域的N个已知彼此间距的参照无线节点，动态准确得目标无线节点与参照无线节点之间的间距，避免了传统针对无线节点间距的静态获取方法，大大提高了无线节点彼此间距的获取精度。 

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤002中，所述无线信号为蜂窝网络通讯信号或WIFI信号或蓝牙信号或红外线信号或射频信号。 

本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法中，针对无线信号的选择可以采用蜂窝网络通讯信号或WIFI信号或蓝牙信号或红外线信号或射频信号等等，多种无线信号均可选择应用在本方法中，有效扩大了本方法应用范围，使得本方法能够有效适应更多的情况中。 

本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法在实际应用过程中，针对N个已知彼此间距的参照无线节点，获得和参照无线节点位于同一区域的目标无线节点与无线参照路标之间的间距的过程中，无线节点可以是实际应用中的蜂窝数据信号基站、无线信号基站、无线路由、手机、笔记本等固定或非固定无线节点，基于N个已知彼此间距的参照无线节点、以及各个参照无线节点分别相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度，由于参照无线节点与目标无线节点位于同一区域，所以已知彼此间距的参照无线节点之间，无线信号的信号接收强度值与间距的关系即可代表其所在区域环境下无线信号的信号接收强度值与间距的关系，将这个关系在应用到目标无线节点上，即可准确获得目标无线节点与无线参照路标之间的间距，避免了传统方法中不论环境、不论地区，均采用唯一的无线信号的信号接收强度值与间距的关系去获得无线节点间距的方法，大大提高了目标无线节点与无线参照路标之间间距的获取精度。 

与此相应，本发明设计了一种无线节点定位方法,需要定位的目标无线节点所在区域内拥有N个已知彼此间距的参照无线节点，且N个参照无线节点中拥有k个固定参照无线节点，1≤k<N，无线节点定位方法包括如下步骤： 

步骤01.针对k个固定参照无线节点进行定位； 

步骤02.选择k个固定参照无线节点作为无线参照路标，根据权利要求1所述无线节点彼此间距动态获取方法，获取目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距，权利要求1中无线节点彼此间距动态获取方法如下： 

步骤001.选择k个固定参照无线节点作为无线参照路标，1≤k<N； 

步骤002.获取（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点分别相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵P如下： 

其中，P_i表示第i个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵，p_ij表示第i个参照无线节点相对第j个无线参照路标发出无线 信号的信号接收强度值，i＝{1、…、N-k}，j＝{1、…、k}； 

获得（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点分别与各个无线参照路标之间的间距矩阵R如下： 

其中，R_i表示第i个参照无线节点与各个无线参照路标之间的间距矩阵，r_ij表示第i个参照无线节点与第j个无线参照路标之间的间距，i＝{1、…、N-k}，j＝{1、…、k}； 

根据间距矩阵R和信号接收强度矩阵P，针对（N-k）个参照无线节点中各个参照无线节点和第j个无线参照路标，构成信号接收强度值与间距之间转换误差的方差方程如下： 

$\underset{i=1}{\overset{N-k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(r_{\mathrm{ij}}-Q_j{P}_i)}^2={\left|\right|R_i-Q_{j}P\left|\right|}^2---\left(1\right)$

其中，Q_j表示各个参照无线节点相对第j个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值与间距之间的转换模型； 

针对方程（1）进行方差最小化处理，获得Q_j=R_jP^T(PP^T)^-1，将Q_j推广到针对所有的无线参照路标，获得Q＝RP^T(PP^T)^-1； 

步骤003.根据Q＝RP^T(PP^T)^-1，获得（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值与间距的转换模型Q，其中，P^T为P的转置矩阵； 

步骤004.获得目标无线节点相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值，根据信号接收强度值与间距的转换模型Q，获得目标无线节点相对各个无线参照路标之间的间距。 

步骤03.在k个固定参照无线节点已定位的基础之上，根据目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距，定位目标无线节点的位置。 

本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法，采用二次定位，针对目标无线节点所在区域内固定参照无线节点先做定位，再通过获取目标无线节点与各个参照无线节点之间的间距的方式，最终实现对目标无线节点的精确定位，大大提高了定位的精度，避免了传统的方法中定位难、信号接收差、精度低的问题。 

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤01中，采用GPS或者A-GPS或者北斗定位卫星对k个固定参照无线节点进行定位。 

本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法中，针对一次定位，可以采用多种卫星定位方式进行定位，有效提高了一次定位的精度，而且不受卫星定位方式的限制。 

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤03中，根据目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距，采用三点定位法，定位目标无线节点的位置。 

本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法中，在获取目标无线节点相对各个无线参照路标之间的间距的基础之上，结合无线参照路标的定位，大大提高了最终针对目标无线节点的定位精度。 

如图1所示，本发明设计的一种无线节点定位方法在实际应用过程当中，无线节点可以是实际应用中的蜂窝数据信号基站、无线信号基站、无线路由、手机、笔记本等固定或非固定无线节点，其中N个已知彼此间距的参照无线节点中，拥有k个固定参照无线节点，首先通过GPS或者A-GPS或者北斗定位卫星对所述固定参照无线节点进行定位，选择蜂窝数据信号基站、无线信号基站、无线路由等固定参照无线节点作为无线参照路标，再基于需要定位的目标无线节点所在区域内拥有N个已知彼此间距的参照无线节点的基础之上，通过动态方法获取（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点与无线参照路标之间无线信号的信号接收强度值与间距的关系，由于此无线信号的信号接收强度值与间距的关系即可代表其所在区域环境下无线信号的信号接收强度值与间距的关系，将这个关系在应用到目标无线节点上，即可准确获得目标无线节点与无线参照路标之间的间距，避免了传统方法中不论环境、不论地区，均采用唯一的无线信号的信号接收强度值与间距的关系去获得无线节点与无线参照路标之间间距的方法，大大提 高了目标无线节点与无线参照路标之间间距的获取精度，在此基础上通过三角定位法即可准确获知目标无线节点相对无线参照路标的准确位置信息，结合之前固定参照无线节点已定位的信息，即可准确获知目标无线节点的精确位置，以上采用两次定位的方法即可提高目标无线节点的定位精度，并且克服了现有技术中定位的缺点，如在遮挡区域，卫星信号难以到达或是接收不良好的情况，运用了本方法，即可先针对固定参照无线节点进行定位，在此基础上再通过高精度的无线节点间距获取方法，直至最终目标无线节点的高精度定位，相比现有技术中运用卫星针对目标进行定位的过程而言，大大提高了定位的精度。 

本发明设计的一种无线节点定位方法在实际应用过程当中，由于蜂窝数据信号基站、无线信号基站、无线路由等固定无线节点的位置是可以通过地图等方式精确获得的，所以针对N个已知彼此间距的参照无线节点，选择蜂窝数据信号基站、无线信号基站、无线路由等固定无线节点作为无线参照路标，最终可以大大提高目标无线节点的定位精度；其中，当准确获知目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距后，由于无线参照路标的位置是精确可知的，自然目标无线节点相对无线参照路标位置可以精确得到，进而可以提高最终目标无线节点的定位精度。 

本发明设计的无线节点定位方法改进了传统定位方法，先针对固定参照无线节点进行定位。各个无线节点拥有不同的定位功能，并在地理上与其它待定位或者已经定位的无线节点接近。本发明基于这样一个现实，即一组本地无线节点之间的对等发现功能已经普遍存在，包括采用WIFI，蓝牙，红外线，蜂窝网络和RFID等等。通过这些短距离的无线通讯信号，各个无线节点可确定自身与其它相邻的本地无线节点之间的距离关系。根据无线节点之间的距离关系，一组无线节点的组定位相对单个节点的独立个体定位来说，具有更高的准确性，可用性，和实用性。 

对一组无线节点的定位质量取决于邻近目标或无线节点之间的距离的准确性和及时性。本发明设计的无线节点彼此间距动态获取方法，能够适应实际环境的变化，实现实时精确的测量值与距离之间的转换关系。 

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。 

Claims (5)

1.一种无线节点彼此间距动态获取方法,其特征在于：基于N个已知彼此间距的参照无线节点,N≥2，获得与参照无线节点位于同一区域的目标无线节点与参照无线节点之间的间距，包括如下步骤: 

步骤001.在N个已知彼此间距的参照无线节点中，选择k个参照无线节点作为无线参照路标，1≤k<N； 

步骤002.获取（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点分别相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵P如下： 

其中，P_i表示第i个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度矩阵，p_ij表示第i个参照无线节点相对第j个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度i＝{1、…、N-k}，j＝{1、…、k}； 

步骤003.根据Q＝RP^T(PP^T)^-1，获得（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点相对各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值与间距的转换模型Q，其中，P^T为P的转置矩阵，R为（N-k）个参照无线节点中，各个参照无线节点分别与各个无线参照路标之间的间距矩阵，

R_i表示第i个参照无线节点与各个无线参照路标之间的间距矩阵，r_ij表示第i个参照无线节点与第j个无线参照路标之间的间距； 

步骤004.获得目标无线节点相对由各个无线参照路标发出无线信号的信号接收强度值，根据信号接收强度值与间距的转换模型Q，获得目标无线节点相对各个无线参照路标之间的间距。 

2.根据权利要求1所述一种无线节点彼此间距动态获取方法，其特征在于：所述步骤002 中，所述无线信号为蜂窝网络通讯信号或WIFI信号或蓝牙信号或红外线信号或射频信号。 

3.一种无线节点定位方法,其特征在于：需要定位的目标无线节点所在区域内拥有N个已知彼此间距的参照无线节点，且N个参照无线节点中拥有k个固定参照无线节点，1≤k<N，无线节点定位方法包括如下步骤： 

步骤01.针对k个固定参照无线节点进行定位； 

步骤02.选择k个固定参照无线节点作为无线参照路标，根据权利要求1所述无线节点彼此间距动态获取方法，获取目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距； 

步骤03.在k个固定参照无线节点已定位的基础之上，根据目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距，定位目标无线节点的位置。 

4.根据权利要求3所述一种无线节点定位方法，其特征在于：所述步骤01中，采用GPS或者A-GPS或者北斗定位卫星对k个固定参照无线节点进行定位。 

5.根据权利要求3所述一种无线节点定位方法，其特征在于：所述步骤03中，根据目标无线节点与各个无线参照路标之间的间距，采用三点定位法，定位目标无线节点的位置。 

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