張凱婷, 王 欣

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

?

一種基于多頻率的差分修正定位算法

張凱婷, 王 欣

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

礦井巷道電磁波傳播具有特殊性與復(fù)雜性,通過分析煤礦井下巷道內(nèi)電磁波的傳播特性,提出了一種基于多頻率的差分修正定位算法．該算法首先通過自身坐標(biāo)和參考節(jié)點(diǎn)的誤差補(bǔ)償進(jìn)行節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)定位,然后利用RSSI損耗模型求得不同頻率的參考坐標(biāo),賦予加權(quán)值,求得未知節(jié)點(diǎn)定位坐標(biāo)．仿真分析結(jié)果表明該方法的定位精度可達(dá)0.5 m．

井下巷道; 精確定位; RSSI; 差分修正; 多頻率

0 引言

井下人員定位系統(tǒng)的精確定位問題一直是目前礦井通信的一個(gè)重要研究課題．精確定位技術(shù)主要有移動(dòng)蜂窩網(wǎng)定位系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)和A-GPS定位系統(tǒng)系統(tǒng)3種定位技術(shù),這些都是廣泛的室外定位．然而,在擁擠的建筑群和室內(nèi),GPS等信號(hào)不能到達(dá),當(dāng)然對(duì)于井下環(huán)境,這些定位技術(shù)也無法實(shí)現(xiàn)．井下人員的精確定位和室內(nèi)定位技術(shù)二者在應(yīng)用環(huán)境中有諸多相似的地方:電磁波都是在非自由受限的空間內(nèi)傳播、都有噪聲干擾、多徑效應(yīng)明顯等各種情況．因此,可以借鑒一些室內(nèi)定位的技術(shù)來進(jìn)行井下精確定位[1-6]．

本文采用高斯迭代法描述節(jié)點(diǎn)信息,通過研究電磁波傳播規(guī)律[7],提出了以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離信息為基準(zhǔn)的定位算法．該算法根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的信息,采用多頻率互補(bǔ)的思想進(jìn)行改進(jìn),以期實(shí)現(xiàn)提高未知節(jié)點(diǎn)的定位精度．

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 RSSI信標(biāo)節(jié)點(diǎn)選取

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的實(shí)際過程中,煤礦井下人員定位的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位通常是依賴人工部署來實(shí)現(xiàn)的．假設(shè)每次定位中,在監(jiān)測的區(qū)域環(huán)境設(shè)置了m個(gè)帶有編號(hào)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)．未知節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度值越大,則信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離未知節(jié)點(diǎn)越近,由此得出的測距誤差當(dāng)然也越小．所以在開始定位時(shí),一般選擇接收RSSI值最大的信標(biāo)節(jié)點(diǎn),記錄該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI值和位置信息

在實(shí)際無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的一般過程中,接收RSSI值受環(huán)境的影響很大,同一個(gè)位置上,一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到的RSSI值存在著小概率事件．大量的實(shí)驗(yàn)研究分析可以知道,接收信號(hào)強(qiáng)度服從高斯分布,即RSSI～(m,σ2)．有:

(1)

式中,F(x)為RSSI的密度函數(shù),m是所接收的信號(hào)的強(qiáng)度的均值,σ2為其方差．由文獻(xiàn)[8]可知:當(dāng)高斯分布函數(shù)值大于0.6時(shí),認(rèn)為對(duì)應(yīng)的RSSI值為高概率發(fā)生值;當(dāng)高斯分布函數(shù)值小于或等于0.6時(shí),則認(rèn)為是小概率事件．即要求:

(2)

其中,0.6即為選取的閾值．

1.2 基于多頻率互補(bǔ)的改進(jìn)算法設(shè)計(jì)

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)布置在巷道側(cè)壁是最合適的,假設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)布置在巷道兩邊側(cè)壁的位置與工作人員攜帶下井的接收器的位置在大致在同一平面內(nèi)．圖1中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為F1(x1,y1),F2(x2,y2),…,Fm(xm,ym),U為未知節(jié)點(diǎn)．F1是與距離未知節(jié)點(diǎn)U最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn),假設(shè)其為差分參考節(jié)點(diǎn),參考節(jié)點(diǎn)F1到各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)F1,F2,…,Fm的實(shí)際距離分別為du1,du2,…,dum;未知節(jié)點(diǎn)U到各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)F1,F2,…,Fm的計(jì)算距離分別為d1,d2,…,dm．

圖1 差分修正定位

引入?yún)⒖脊?jié)點(diǎn)的差分修正系數(shù):

(3)

未知節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離差分系數(shù)為:

(4)

(5)

將三邊算法方程組采用線性方法進(jìn)行改寫,可以得到定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為:

(6)

將Δdf1,Δdf2,…,Δdfn帶入上式,從而求得相應(yīng)的坐標(biāo),也是未知節(jié)點(diǎn)的參考坐標(biāo):(Δxf1,Δyf1),(Δxf2,Δyf2),…,(Δxfn,Δyfn)．

采取質(zhì)心算法思想,并引入權(quán)值,即得未知節(jié)點(diǎn)基于頻率的差分修正坐標(biāo)為:

(7)

1.3 算法實(shí)現(xiàn)流程

開始定位時(shí),選擇參考節(jié)點(diǎn),根據(jù)參考信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度值對(duì)RSSI傳輸模型進(jìn)行修正,初步提高定位準(zhǔn)確性,實(shí)際定位時(shí),以頻率互補(bǔ)的方式進(jìn)行再次定位,達(dá)到精確定位要求．針對(duì)上述分析,不同頻率的路徑損耗模型下的改進(jìn)算法流程如圖2所示．

圖2 差分修正定位算法實(shí)現(xiàn)流程

2 仿真與分析

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)均勻的布置在巷道壁上,假設(shè)參與定位的節(jié)點(diǎn)數(shù)有m個(gè),距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可能由于巷道內(nèi)人、物等影響.此外無線電波的衰落特性也會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的強(qiáng)度值偏差較大,因此考慮多頻率定位,進(jìn)行定位仿真．

采用Matlab工具對(duì)改進(jìn)算法進(jìn)行仿真,在矩形巷道中,采用改進(jìn)模型,取d0=1 m,分別求出不同頻率下RSSI(d0)的值,并帶入模型．不同頻率下定位誤差如圖3所示.

由圖3可知,改進(jìn)算法能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位需求,定位誤差控制在1 m左右．各個(gè)頻率的定位誤差為:ERR4000 MHz=0.3926,ERR3000 MHz=0.6191,ERR2000 MHz=0.8319,ERR1000 MHz=0.9180．頻率在1 000 MHz時(shí)誤差較大,當(dāng)頻率增高時(shí),發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度越大,從而接收信號(hào)更為準(zhǔn)確,定位誤差也會(huì)相對(duì)減?。?/p>

圖3 不同頻率下定位誤差仿真分析

圖4 基于頻率的差分修正定位算法定位誤差

圖5 雙頻率下定位誤差仿真分析

由改進(jìn)算法,將不同頻率下得出的位置坐標(biāo)進(jìn)行求加權(quán)質(zhì)心,從而得出定位誤差仿真圖如圖4所示．由圖4可以看出,改進(jìn)算法由于做過一次初定位后,使用質(zhì)心算法,并由距離信息作為加權(quán)因子,未知節(jié)點(diǎn)修正點(diǎn)的距離比用單一頻率得出的距離更短,說明精確度更高．仿真顯示,大約有90%的未知節(jié)點(diǎn)定位精度可以控制在0.6 m以內(nèi),平均誤差ERR=0.4386．本定位算法對(duì)硬件要求不高,定位精度較高,能較好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位對(duì)成本和功耗的要求,是一種可選的定位方案．

從上述分析中可以看出,頻率越高,定位精度也就相對(duì)較高,所以實(shí)際應(yīng)用中可以選取較高的兩個(gè)頻段定位,這樣不僅滿足了精確定位的要求,而且簡化了計(jì)算,大約有90%的未知節(jié)點(diǎn)定位精度可以控制在0.5 m以內(nèi),平均定位誤差ERR=0.3255．定位效果如圖5所示．

3 小結(jié)

本文主要是針對(duì)在頻率受影響的巷道環(huán)境中RSSI的定位算法測距精度不理想的問題,提出基于多頻率互補(bǔ)得出不同未知節(jié)點(diǎn)的參考定位坐標(biāo),運(yùn)用加權(quán)質(zhì)心思想,從而得出有效頻率下的定位坐標(biāo)．仿真實(shí)驗(yàn)表明,本文方法能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)定位,且與其他方法相比,具有較高的定位精度和較強(qiáng)的可行性．為使定位精度更高,今后還可以通過Kalman濾波器等平滑濾波來進(jìn)一步優(yōu)化算法性能,從而得到更好的定位效果．

[1] 陳維克,李文鋒,首珩,等. 基于RSSI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)加權(quán)質(zhì)心定位算法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版, 2006, 30(2):265-268.

[2] 張楠,柴常,王存蓮. 井下移動(dòng)人員精確定位算法研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,27(4):63-68..

[3] 任維政,徐連明,鄧中亮,等. 基于RSSI的測距差分修正定位算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2007, 21(7):1247-1250.

[4] 朱浩,顧宗海,蘇金,等. 一種基于交點(diǎn)質(zhì)心求解的RSSI定位算法及其優(yōu)化[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版, 2010,31(6):26-31.

[5] 趙昭,陳小惠. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于 RSSI的改進(jìn)定位算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009, 22(3):391-394.

[6] Jacard B, Maldonado O. Microwave modeling of rectangular tunnels[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1984,32:576-58.

[7] 孫繼平,李繼生,雷淑英. 煤礦井下無線通信傳輸信號(hào)最佳頻率選擇[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2005, 24(3): 378-380.

[8] 章堅(jiān)武,張璐,應(yīng)瑛,等. 基于ZigBee的RSSI測距研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009, 22(2): 285-288.

[責(zé)任編輯：蔣海龍]

Differential Correction and Localization Algorithm based on Multi Frequency

ZHANG Kai-ting, WANG Xin

(School of Physics and Electronic and Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, China)

Because of the particularity and complexity of the electromagnetic wave propagation in the mine tunnel, this paper put forward a difference correction algorithm based on multi frequency. The algorithm firstly for node coordinate positioning through error compensation between coordinates and the reference nodes, and then obtained coordinates at different frequencies according to the RSSI loss model, attached to a weighted value, obtain the unknown node location coordinates. Through the simulation analysis, positioning accuracy of this method can reach 0.5 m.

mine tunnel; precise positioning; RSSI; differential correction; multi-frequency

2016-06-22

張凱婷(1988-),女,山西晉中人,助教，碩士，研究方向?yàn)榈V井人員定位與數(shù)據(jù)融合． E-mail: zhangkaiting.1@163.com

TN929.5

A

1671-6876(2016)04-0300-05