无线传感器网络中一种高精度定位算法-智能与网络化系统研究所.doc资源-CSDN文库

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无线传感器网络中一种高精度定位算法

摘要：随着无线传感器网络的研究，无线传感器网络的定位已经成为非常重要的研究内容

目前，主要有基于测距和非测距的两种方法。基于测距的方法比非测距方法获得的精度更

高。在基于测距的方法中，到达时间差（tdoa）的方法需要很少的时间同步。本文提出了

一种高精度的 tdoa 定位算法，他利用了滚动平均的方法的倒是检查的平均值来减少测量误

差，以及采用不受约束的最小乘方估算法来获得精确的定位。仿真的结果和误差分析证明

了他的有效性。

1、引言

无线传感器网络包括很多带有传感单元，分布信息采集单元和无线通信单元的传感器

节点。在各种微-集合传感器的帮助下，无线传感器网络采集实时的现场信息，如温度，湿

度，速率，方向等。然后把信息通过多跳依赖的方法传送到终端。无线传感器网络在很多

领域有着广泛的应用前景。如军事，国防和农业等。所以它被认为 21 世纪最重要的技术之

一。

传感器节点定位已经在整个无线传感器网络中有很大的影响。他在整个事件的观测，目标

跟踪或者网络重构中是不可缺少的一步。传感节电采集到的数据必须包含位置信息，否则

它是没用的。例如，当我们知道了节电的相关位置后他的温度信息才是有用的。无线传感

器网络的自身的定位也能应用在定位和跟踪外部目标或者改善路由的效率。无线传感器网

络的定位能够分成两类。一种是自身的定位，另一种是外部目标的定位。如目标的跟踪，

本文我们谨讨论前者。

GPS 全球定位系统被广泛应用在定位。它具有高精度和实时性。但是 GPS 智能应用在

没有阻碍物的外部环境。而且节点的能量消耗非常高和噪音大。无线传感器的规模是很大

的而且节点的成本很高，所以每个传感节点都装入 GPS 是不现实的。目前，提出了很多传

感器网络的定位算法。关于定位的机械特性，算法可以分成两类：测距和非测距。测距方

法需要测量绝对的点到点的距离和角度，然后利用三边测量法，三角测量法或者极大似然

法来定位。距离的测量一般有 4 种常用的方法，就是，rssi,toa,tdoa,aoa。非测距不需要距离

或者角度的测量，它包括质心法，凸点法，dv-hop，apit,amorphos 和 mds-map 方法。非测

距方法想对测距法来说硬件要求低和成本更低，但是定位精度差。

在传感器网络中，由一些节点称为锚节点，它有更多的能量和能够精确的知道自身的

位置。另外的叫做未知节点。测距方法基本的思想是利用锚节点和未知节点的几何关系。

测距方法包括两种典型的方法，3 点定位法和角度定位法。前者需要知道未知节点之间的

距离和需要至少三个锚节点，而且锚节点不能分布在同一直线上。另一种方法需要获得未

知节点到两个锚节点之间的角度。在这些方法中，aoa 需要一个天线组合或者一些超声波

接受器；toa 需要严格的时间同步，实际上，很难使锚节点和未知节点实现时间同步；rssi

方法需要根据信号衰减因子和信号传播距离建立一个模型来获得未知节点的位置，但是由

于环境的因素精确的模型是很难确定的；tdoa 方法需要知道未知节点信号到达两个锚节点

的时间差，而不是传播时间，所以不需要特别的时间戳和时间的同步要求也较低。本文提

出了一种基于 tdoa 的定位方法，它能够通过滚动平均来获得时间差的平均值来减少测量的

误差然后采用不守约束的最小乘方估算法来获得位置精确的信息。文章的其他部分包括：

第 2 部分简单描述了 tdoa 理论；第 3 部分是提出了一种基于 tdoa 的自身定位算法；第 4 部

分描述了试验的实施和误差的分析来估算提出算法的优越性；最后提出结论。

2、 tdoa 理论

时间差的方法（tdoa）是时间到达方法（toa）的改进。Toa 需要知道信号传播的时间

和需要严格的时间同步。而 tdoa 利用锚节点和未知节点的信号传播的时间差，而不是传播

事件本身。在这种方法，tdoa 能够减少对时间同步的要求，传感器网络中主要有两种方法

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