CN104678353B - 基于检测信号波长信息的锚节点布局及其测距定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于检测信号波长信息的锚节点布局方法，其特征在于，将信号发射/接收器布置到待检测空间内，计算所述发射/接收器发射出的存在有卷叠相位的发射信号的波长，建立一组包含有正有理数倍波长的递增序列，以信号发射/接收器为圆心，分别以该序列为半径由近及远建立同心球，待检测空间的定位水平面与同心球截交后形成一组同心圆弧线，每一条圆弧线上布置有任意数量的锚节点。该布局方法能够在保证定位精度的前提下减少锚节点间的相互影响，克服了以往锚节点布局密度过高对定位精度的负面影响，还可以提高处于检测边缘位置处的节点的定位精度，利用本布局在基于相位信息的协同测距中能获得较好的测距精度。

Description

基于检测信号波长信息的锚节点布局及其测距定位方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络节点定位技术领域，特别是复杂信道环境下的定位问题。

背景技术

随着无线传感器网络技术的不断进步，基于节点位置的服务的越来越引起人们的重视，而位置信息的准确获取则成为下一代技术发展的关键环节。目前已有的定位技术包括GPS，蓝牙，超声波，超宽带，Wi-Fi，计算机视觉，超高频射频识别(UHF RFID)等技术。其中，GPS已经成为应用最为广泛的室外定位技术，而UHF RFID凭借其非接触、高效、低功耗，造价低的优势，成为了近来年室内定位研究的热点以及难点。

目前定位技术中可利用的测量信息包括能量(RSS)和相位(Phase)两种信息。大量研究表明这两种测量信息有着自身的优点和不足，基于能量的定位方法，其优势在于能量信息获取简单，但不足在于能量信息极易受到传播环境和标签天线方向的影响，想要建立信号能量衰减与传播距离之间的通用数学模型是非常困难的，因此通过能量信息直接估计信号传播距离的精度是非常不理想的。对于能量信息目前比较经典的用法就是引入锚节点，通过比较锚节点与待定标签能量的近似度来获得目标的定位信息。传统锚节点的布局为网格式均匀分布，为了提高定位精度，在经济条件允许的前提下要求锚节点部署的密度越大越好。但由于锚节点之间会产生相互影响，密度过高时又会降低定位精度，因此通过增加锚节点的部署密度提高定位精度是存在局限性的。相对于能量信息，已有研究表明，即使在复杂信道环境下，窄带信号的相位信息仍然可以比较准确的获得，但存在周期模糊问题(或称为卷叠相位问题)，使得基于相位信息的定位技术存在很大的测距误差。目前也有研究将锚节点引入相位法中，但其布局原理类同于能量法。

发明内容

为了改善锚节点在定位方法中的局限性，提出了基于检测信号波长信息的锚节点布局方法。该布局方法能够在保证定位精度的前提下减少锚节点间的相互影响，克服了以往锚节点布局密度过高对定位精度的负面影响，还可以提高处于检测边缘位置处的节点的定位精度。由于锚节点与待定位节点处于同样的传播环境，因此该方法对动态环境因素具有很好的鲁棒性。利用本布局在基于相位信息的协同测距应用方法中获得较好的测距精度且硬件设备简单易实现。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于检测信号波长信息的锚节点布局方法，是将信号发射/接收器布置到待检测空间内，计算所述发射/接收器发射出的存在有卷叠相位wrapped phase的发射信号的波长，建立一组包含有正有理数倍波长的递增序列，以信号发射/接收器为圆心，分别以该序列为半径由近及远建立同心球，过同心球圆心的水平面与同心球的表面截交形成多条同心圆弧线，在每一个圆弧线上布置有任意数量的锚节点。

进一步讲，若锚节点之间发生相互干扰，则在每一个圆弧线上布置一个锚节点。

本发明提出的基于检测信号波长信息的锚节点布局的测距定位方法，包括下列步骤：

步骤一、按照本发明中的上述锚节点布局方法进行锚节点布局；

步骤二、待测节点进入检测空间，获得所有待测节点和锚节点的用于测距的测量信息：

信号发射/接收器发送的信号一部分用以测量接收信号的卷叠相位wrappedphase，另一部分用以测量接收信号的非卷叠相位unwrapped phase；信号传播过程接收与发射的相位差为：

式(1)和式(2)中，为接收信号的卷叠相位，单位为rad，为接收信号的非卷叠相位，单位为rad，为发射信号的初始相位，单位为rad；

步骤三、确定一待测节点和锚节点的非卷叠相位升序排序为：

式(3)中，M表示锚节点的个数，表示第j个锚节点的非卷叠相位差值，表示该待测节点的非卷叠相位差值；

根据步骤一中的正有理数倍确定该待测节点所在的整周期区间(2p_j，2p_j+1)，p_j表示第j个锚节点所在圆弧线半径为p_j倍的载波波长；p_j+1表示第j+1个锚节点所在圆弧线半径为p_j+1倍的载波波长；

定义第j个锚节点非卷叠相位差和第j+1个锚节点非卷叠相位差之间的区间等分间隔为：

根据上述等分间隔建立一虚拟锚节点非卷叠相位差序列，如下：

将该待测节点在上述虚拟锚节点非卷叠相位差序列中排序，得到如下式(6)：

式(6)中，n为正整数，从而得到该待测节点至信号发射/接收器正整周期k：

式(7)中，表示下取整运算；

利用提取的卷叠相位差计算距离l

式(8)中，f_c为存在有卷叠相位wrapped phase的发射信号的频率，单位Hz，c为电磁波的传播速度，单位为m/s，距离l的单位为m；

该待测节点至信号发射/接收器的直射距离单位为m；

以此类推，得到进入检测空间中所有待测节点至信号发射/接收器的直射距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在测试场景为1.815×1.815米的范围空间内，考虑了两条到达路径，分别为直射路径和一条反射路径，简单起见，假设所有的信号在到达节点后都按原路返回。设定信噪比增益为10dB，采用蒙特卡洛方法在matlab仿真环境中进行2000次的仿真实验。实验结果表明，本方法平均测距精度约为0.02米，由此表明，本方法测距精度较高。

附图说明

图1为本发明实施例中参考标签布局示意图。

图2为本发明实施例以发射单频副载波调幅信号为例的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明一种基于检测信号波长信息的锚节点布局方法，是将信号发射/接收器布置到待检测空间内，计算所述发射/接收器发射出的存在有卷叠相位wrapped phase的发射信号的波长，建立一组包含有正有理数倍波长的递增序列，以信号发射/接收器为圆心，分别以该序列为半径由近及远建立同心球，待检测空间的定位水平面与同心球截交后形成一组同心圆弧线，每一条圆弧线上布置有任意数量的锚节点。

实施例：基于检测信号波长信息的锚节点布局的测距定位，如图2所示，本实施例以无源超高频射频识别技术为例，信号发射/接收器由具有发射/接收天线的读卡器表示，待测节点由待定位无源射频标签表示，锚节点由已知位置的无源射频标签表示，可称为参考标签，发射信号采用单频副载波调幅信号，其中，载波频率为910MHz，副载波频率为2MHz，采样频率为32MHz，采样数为1024。

步骤一、进行参考标签布局：

测试场景大小为1.815×1.815米的二维空间，将读卡器布置到检测空间拐角处，并将其所在位置设定为坐标原点(0，0)，以读卡器为圆心，计算载波信号的波长λ，以序列{1.5λ,2.5λ,3.5λ,4.5λ,5.5λ,6.5λ,7.5λ}为半径画同心球，以该二维空间为横切面，则横切面中同心圆弧的半径分别为{1.5λ,2.5λ,3.5λ,4.5λ,5.5λ,6.5λ,7.5λ}，由于标签天线之间存在相互干扰，则在每一个圆弧线上布置一个参考标签，参考标签的个数M＝7，如图1所示。

虽然已经说明参考标签所在的圆弧线，应遵循以下几点原则：

1)首先第一个参考标签位于读卡器覆盖区域的中心线上，即若读卡器位于90°拐角处，则第一个参考标签位于45°的对角线上；

2)第二个参考标签位于覆盖区域的下三角区，而且在覆盖区域内，尽量靠近Y轴附近，目的在于尽量拉大参考标签之间的距离，降低相互间的干扰。

3)第三个参考标签位于覆盖区域的上三角区，而且在覆盖区域内，尽量靠近X轴附近。

其后的参考标签依照以上三条原则继续放置。

这种布局方法不仅保证待定位标签永远不会处于监控边缘，还可以降低参考标签部署密度，减少参考标签之间的相互干扰，使得测距精度得以提升。

步骤二、待测节点进入检测空间，获得所有待测节点和参考标签的用于测距的测量信息：

单频副载波信号调幅信号中，副载波信号的相位表示非卷叠相位值，超高频载波信号的相位表示卷叠相位值。超高频载波信号的初始相位为0°，副载波信号的初始相位为0°，待测标签位置为(0.2475,1.0725)，与读卡器的直射距离为1.1007m。

1)读卡器发射的单频副载波调幅信号s(t)和接收的标签反向散射信号r(t)可表示为

s(t)＝A·[1+m_acos(2πf₀t)]·cos(2πf_ct)

其中，副载波信号频率为f₀，副载波信号接收相位为超高频载波信号频率为f_c，超高频载波信号接收相位为超高频发射载波信号振幅为A，超高频接收振幅为A’，m_a为调制系数，m(t)为标签的反向散射信号，信号传播过程中附加噪声为z。

2)将接收信号分成两路信号，一路信号直接进行带通采样，然后利用全相位FFT(All-phase FFT)算法提取超高频载波信号的接收相位计算超高频载波信号发射与接收的相位差为

3)另外一路信号进行I/Q解调，并将高频信号滤去，只保留副载波信号。

4)利用全相位FFT(All-phase FFT)算法提取副载波信号的接收相位则副载波信号发射与接收的相位差为

5)按照上述步骤3)到4)的过程逐一求取读卡器跟每个参考标签之间副载波信号的相位差{0.0415,0.0691,0.0968,0.1244,0.1521,0.1797,0.2073},单位弧度。

6)待定位标签进入读卡器监控区域后，按照1)到4)的过程求取读卡器跟待定位标签之间副载波信号的相位差为0.0893rad，载波信号的相位差3.3035rad。

步骤三、确定一待测节点和参考标签的副载波信号相位升序排序为：

根据得出：{0.0415,0.0691,0.0893,0.0968,0.1244,0.1521,0.1797,0.2073}

确定该待测标签所在的整周期区间为(2×2.5，2×3.5),则定义第2个参考标签副载波相位差和第3个参考标签副载波相位差之间的相位差值区间等分间隔为：

根据得出

根据上述等分间隔建立一虚拟参考标签副载波相位差序列，如下：

{0.0691,0.08295,0.0968} (5)

将该待测标签在上述虚拟参考标签副载波相位差序列中排序，根据式(6)：

得到：{0.0691,0.08295,0.0893,0.0968}，式(6)中，n为1；根据得到该待测节点至读卡器正整周期k：其中，表示下取整运算；

利用提取的副载波信号相位差并根据计算距离l， $l=\frac{3.3035}{4\mathrm{\π}\·910\×{10}^6}\·3\×{10}^8=0.0866$ (单位m)

根据(单位m)求得该待测节点至读卡器的直射距离 $d=3\·\frac{3\×{10}^8}{910\×{10}^6}+0.0866=1.0756\left(m\right),$ 该计算的直射距离与实际直射距离相比误差e为e＝1.1007-1.0756＝0.0251 (m)。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于检测信号波长信息的锚节点布局方法，其特征在于，将信号发射/接收器布置到待检测空间内，计算所述信号发射/接收器发射出的存在有卷叠相位的发射信号的波长，建立一组包含有正有理数倍波长的递增序列，以信号发射/接收器为圆心，分别以该序列为半径由近及远建立同心球，待检测空间的定位水平面与同心球截交后形成一组同心圆弧线，每一条圆弧线上布置有任意数量的锚节点。

2.根据权利要求1所述基于检测信号波长信息的锚节点布局方法，其中，若锚节点之间存在相互干扰，则在每一个圆弧线上布置一个锚节点。

3.一种基于检测信号波长信息的锚节点布局的测距定位方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一、根据权利要求1或2所述基于检测信号波长信息的锚节点布局方法进行锚节点布局；

步骤二、待测节点进入检测空间，获得所有待测节点和锚节点的用于测距的测量信息：

信号发射/接收器发送的信号一部分用以测量接收信号的卷叠相位，另一部分用以测量接收信号的非卷叠相位；信号传播过程接收与发射的相位差为：

式(1)和式(2)中，为接收信号的卷叠相位，单位为rad，为接收信号的非卷叠相位，单位为rad，为发射信号的初始相位，单位为rad；

步骤三、确定一待测节点和锚节点的非卷叠相位升序排序为：

式(3)中，M表示锚节点的个数，表示第j个锚节点的非卷叠相位差值，表示该待测节点的非卷叠相位差值；

根据步骤一中的正有理数倍确定该待测节点所在的整周期区间(2p_j，2p_j+1)，p_j表示第j个锚节点所在圆弧线半径为p_j倍的载波波长；p_j+1表示第j+1个锚节点所在圆弧线半径为p_j+1倍的载波波长；

定义第j个锚节点非卷叠相位差和第j+1个锚节点非卷叠相位差之间的区间等分间隔为：

根据上述等分间隔建立一虚拟锚节点非卷叠相位差序列，如下：

将该待测节点在上述虚拟锚节点非卷叠相位差序列中排序，得到如下式(6)：

式(6)中，n为正整数，从而得到该待测节点至信号发射/接收器正整周期k：

式(7)中，表示下取整运算；

利用提取的卷叠相位差计算距离l

式(8)中，f_c为存在有卷叠相位的发射信号的频率，单位Hz，c为电磁波的传播速度，单位为m/s，距离l的单位为m；

该待测节点至信号发射/接收器的直射距离单位为m；

以此类推，得到进入检测空间中所有待测节点至信号发射/接收器的直射距离。