胡婷++張錚

摘要：針對(duì)非視距誤差會(huì)導(dǎo)致無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)定位精度嚴(yán)重下降及單一定位算法易受環(huán)境影響等問題，本文提出了基于NLOS鑒別的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)混合定位算法。通過(guò)NLOS鑒別算法從各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)記錄時(shí)間信息中剔除具有NLOS誤差的錨節(jié)點(diǎn)，并利用混合定位算法完成最終對(duì)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的定位。仿真結(jié)果表明該算法有效地剔除了NLOS對(duì)系統(tǒng)定位結(jié)果的影響，并且，通過(guò)混合定位算法大大提升了系統(tǒng)定位性能。

關(guān)鍵詞：非視距；到達(dá)時(shí)間差；到達(dá)角度

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0150-03

當(dāng)下，越來(lái)越多的行業(yè)都產(chǎn)生了大量無(wú)線定位的需求，這就引領(lǐng)出了國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)線定位技術(shù)研究的浪潮[1-6]。當(dāng)前廣泛使用的無(wú)線節(jié)點(diǎn)測(cè)距方法大體有：基于信號(hào)到達(dá)強(qiáng)度的測(cè)距方法（RSSI）[7]、基于信號(hào)到達(dá)角度的測(cè)距方法（AOA）[7]、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)距方法（TOA）[8]以及基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的測(cè)距算法（TDOA）[9]等。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的定位誤差來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：（1）由于信道環(huán)境惡劣而產(chǎn)生的測(cè)量誤差；（2）定位算法導(dǎo)致定位方稱非線性而產(chǎn)生的計(jì)算誤差[10]。而由于非視距（NLOS）所造成的誤差是測(cè)量誤差重要的組成部分。傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)定位方法如：Chan算法[11]、Taylor級(jí)數(shù)展開法[12]等都未將NLOS誤差考慮在定位算法中，因此在節(jié)點(diǎn)在NLOS環(huán)境中通信時(shí)，兩種方法的定位性能都大大下降。

基于傳統(tǒng)方法依賴先驗(yàn)信息這一情況，本文提出了一種改進(jìn)的方法利用TOA與TDOA在非視距情況下的一些特性，消除非視距誤差的影響。

同時(shí)，在現(xiàn)今的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中，常常利用單個(gè)的定位方法來(lái)完成最終的標(biāo)簽定位工作，而這些方法都有各自的缺陷。因此本文提出了一種基于TDOA與AOA混合定位的方法，旨在綜合該兩種定位算法各自的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到提升系統(tǒng)定位精度的目的。

本文算法結(jié)構(gòu)為：（1）利用本文提出的NLOS鑒別算法從錨節(jié)點(diǎn)中篩選出有非視距通信情況的錨節(jié)點(diǎn)，并將該節(jié)點(diǎn)記錄的TOA信息刪除；（2）通過(guò)剩余的TOA信息結(jié)合錨節(jié)點(diǎn)可以記錄的AOA信息，并利用已有的定位方程完成標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)位置信息的計(jì)算。

1 非視距鑒別算法

為了辨別定位系統(tǒng)中是否存在非視距錨節(jié)點(diǎn)，需要利用特定算法進(jìn)行鑒別。

定位系統(tǒng)中，錨節(jié)點(diǎn)j與標(biāo)簽之間在時(shí)刻測(cè)量的TOA信息可以表示為：

（1）

其中表示系統(tǒng)測(cè)量的TOA信息，代表真實(shí)應(yīng)得的TOA信息，代表系統(tǒng)的測(cè)量噪聲，在這里認(rèn)為噪聲服從均值為0，方差為的高斯分布，表示錨節(jié)點(diǎn)j與標(biāo)簽之間由于非視距誤差而導(dǎo)致的時(shí)延，其均值為，方差為。因此如何求出或判斷出TOA信息中是否存在該時(shí)延量成為解決NLOS問題的關(guān)鍵。

針對(duì)存在時(shí)延的問題，本文提出了一種算法：算法中假設(shè)系統(tǒng)中錨節(jié)點(diǎn)的位置都已提前測(cè)量，且錨節(jié)點(diǎn)之間無(wú)障礙物能夠互相通視。在NLOS鑒別算法運(yùn)行過(guò)程中，利用錨節(jié)點(diǎn)之間能夠獲得的通信TOA信息，計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)之間通信的到達(dá)時(shí)間差也就是TDOA信息，記錄多組該信息，并統(tǒng)計(jì)其均方差記錄，作為參考均方差記為。用相同的方法記錄并計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽之間的TDOA信息并統(tǒng)計(jì)多組均方差記為，其中表示錨節(jié)點(diǎn)1與錨節(jié)點(diǎn)2之間TDOA信息的均方差，表示錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。將參考均方差與錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽之間計(jì)算的均方差進(jìn)行比對(duì)，若差距較大則計(jì)算出該組TDOA信息的兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽之間可能存在NLOS，經(jīng)過(guò)多組判斷從中找出具有NLOS通信的錨節(jié)點(diǎn)，最終完成對(duì)NLOS錨節(jié)點(diǎn)的剔除。

2 混合定位算法

基于TDOA與AOA混合定位的技術(shù)是結(jié)合TDOA與AOA信息完成定位的一種方法。在定位過(guò)程中，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)，錨節(jié)點(diǎn)記錄TOA和AOA信息，由于各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間的距離不等，可以通過(guò)TOA信息計(jì)算各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的相對(duì)于標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的TDOA信息，利用TDOA信息可以計(jì)算出各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)相對(duì)于標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的距離差，結(jié)合已經(jīng)獲得的信號(hào)AOA信息，利用混合定位算法可以完成對(duì)標(biāo)簽的定位計(jì)算。

這里我們只考慮二維情況下的定位。假設(shè)錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息用來(lái)表示，標(biāo)簽坐標(biāo)為，則錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽之間的距離信息可表示為，由此可得：

（2）

令，將其帶入公式（2）化簡(jiǎn)可得：

（3）

令，依據(jù)此繼續(xù)化簡(jiǎn)公式（3）可得：

（4）

錨節(jié)點(diǎn)上加裝的小型天線陣列可獲得的標(biāo)簽廣播信號(hào)到達(dá)錨節(jié)點(diǎn)的角度信息表示為：

（5）

聯(lián)立公式（4），公式（5）并變換矩陣形式可得：

（6）

令矩陣中：

則可得：

（7）

從上式可以看出，B矩陣的行列式值為且從錨節(jié)點(diǎn)1獲得的AOA信息可知矩陣行列式值不為0，因此存在逆矩陣，則可變換得：

（8）

令：

（9）

則有：

（10）

將上述公式帶入可得：

（11）

其中：

（12）

（13）

（14）

從這些等式中可以看出，式中只有一個(gè)未知數(shù)，即為標(biāo)簽和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離信息。因此，可以通過(guò)距離信息完成定位。

3 仿真性能分析

3.1 不同非視距時(shí)延下的仿真分析

如圖1所示為系統(tǒng)只有一個(gè)非視距錨節(jié)點(diǎn)，所得到的不同NLOS時(shí)延情況下的定位精度分析結(jié)果圖?？v軸表示定位誤差，橫軸表示TOA測(cè)量噪聲的均方差。

由仿真結(jié)果可以看出算法有效地降低了NLOS誤差對(duì)定位的影響。

從上表1中可清楚看出，NLOS時(shí)延對(duì)TDOA的影響是非常大的，因此本文方法可以有效地鑒別并剔除NLOS時(shí)延的影響。

3.2 不同非視距節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的仿真分析

如圖2，圖3所示為在不同NLOS錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及NLOS時(shí)延均方差情況下標(biāo)簽定位誤差仿真分析對(duì)比圖。

由仿真結(jié)果可以看出算法有效地降低了NLOS誤差對(duì)定位的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種非視距誤差的鑒別算法，利用錨節(jié)點(diǎn)之間通視的先驗(yàn)條件，通過(guò)非視距情況下標(biāo)簽與錨節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量TOA信息會(huì)起伏變化這一特性剔出非視距錨節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，本文還提出了一種混合定位算法，成功解決了定位方法單一容易受環(huán)境影響的問題，降低了系統(tǒng)定位需求的錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，在不影響定位精度的情況下降低了系統(tǒng)成本。通過(guò)仿真分析驗(yàn)證，證明了該兩種方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]孫利民，等編著.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社，2005.

[2]李哲濤，李仁發(fā)，魏葉華.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步與測(cè)距協(xié)同算法[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010（04）

[3]杜存功，丁恩杰，苗曙光，王滿意，朱微維.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)定位算法的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010（01）.

[4]王亮，曹建安.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（23）.

[5]劉志華，趙壽君，齊冬梅.三維無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的序列垂心定位[J].無(wú)線電工程，2010（04）.

[6]杜存功，丁恩杰，苗曙光，王滿意，朱微維.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)定位算法的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010（01）.

[7]張怡，席彥彪，李剛偉，趙凱華.基于卡爾曼濾波的TDOA/AOA混合定位算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2015（20）.

[8]汪苑，林錦國(guó).幾種常用室內(nèi)定位技術(shù)的探討[J].中國(guó)儀器儀表，2011（02）.

[9]王鵬，雷斌，張洪順，魏勇.TDOA定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)無(wú)線電，2013（01）.

[10]李軍，張會(huì)清.一種室內(nèi)定位中NLOS誤差抑制算法[J].控制工程，2009，16（7）：117-119.

[11]李婭菲，朱烜璋.非視距條件下的測(cè)距信息融合定位方法研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015（05）.