董思騰

摘要：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國獲得的具有獨立專利權的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。由于其導航和定位以及短消息格式的通信功能，它被廣泛用于許多領域。另外，作為時代發(fā)展趨勢的網(wǎng)絡熱點，無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)以其大規(guī)模，低成本，省時省力的信息認知特性已經(jīng)滲透到各個領域的各個方面，包括信息收集和信息解析。響應國防和安全，環(huán)境保護監(jiān)控，工業(yè)監(jiān)控和智能能源等多個領域對信息深度，廣度和深度的收集和解決要求，以及信息傳輸?shù)恼w和局部兩級要求和制導控制。在對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)進行調查之后，明確提出了一種基于北斗定位系統(tǒng)和無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)的集成系統(tǒng)，并進行了科學研究以改進其優(yōu)化算法。

關鍵詞：北斗系統(tǒng);無線傳感網(wǎng)絡;定位算法

全世界衛(wèi)星導航的基本結構都集中在國防上，并且在民用方面很受歡迎。導航產(chǎn)品在各種行業(yè)中的應用遇到不同的發(fā)展趨勢機會^[1]。

另外，物聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn)解放了大家對電子工業(yè)使用的想象，并提出了各種應用要求。在短短的兩年內，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)從熱點的定義轉移到了戰(zhàn)略部署和總體規(guī)劃鏈接^[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術的關鍵-傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡技術已成為世界所有國家的戰(zhàn)略要地。無線傳感器網(wǎng)絡集成了多種技術，例如傳感器，電子計算機和信息解決方案。它具有認知，計算和交流的多種功能，并具有多種優(yōu)勢，例如小型化，聯(lián)網(wǎng)和集成^[3]。

一 數(shù)學模型及基本算法

WSN的QoS路由數(shù)學模型。無線傳感器Internet可以使用無向加權圖G（V，E）來顯示圖中的端點指示Internet節(jié)點，而邊緣指示連接Internet中節(jié)點的通信鏈路。 V表示一組傳感器節(jié)點，E表示一組Internet鏈接。 V中的每個節(jié)點都表示一個傳感器，當且僅當傳感器Vk和Vl可以進行信息交換時，對于Vk，Vi∈V，ekl =（Vk，Vl）∈E。由于動能的限制，不可能在兩個隨機傳感器之間交換信息。由于傳輸受限，通常每個傳感器只能與周圍的許多傳感器交換信息?？梢钥闯?，G不完整。數(shù)字。無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)中的端到端路由器問題是在無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)中找到從數(shù)據(jù)預處理管理中心t到檢查和監(jiān)視中心d的最佳方法，以便檢查和監(jiān)視中心可以立即獲得檢測或跟蹤區(qū)域的信息內容并進行比較。設p=p（s，d）是從源節(jié)點s到目的節(jié)點d的路徑，e是路徑p上的鏈接，即e∈p。對于多約束路由問題，由于各個目標之間缺少統(tǒng)一的度量尺度，往往不能使每個指標的要求達到最優(yōu)。所以，通常是盡可能兼顧多個目標，求其滿意解。

基本蟻群算法原理。蟻群算法是一種基于研究的智能進化算法，通過模擬自然界中尋找食物的螞蟻的個人行為而明確提出。為了分析基本蟻群算法，尋找最短路徑問題的基本蟻群算法概括如下：1）遷移概率。假設所有螞蟻的組合為{a1，a2，...，am}。在每個搜索周期內，每個螞蟻根據(jù)路徑選擇概率選擇從起點到終點的路徑。當所有螞蟻都完成時在進行路徑搜索后，可以說優(yōu)化算法已經(jīng)執(zhí)行了搜索周期時間。在第t個搜索周期中，從連接點i到連接點j的路徑選擇概率pkij（t）定義如下：

式中：集合allow edk={0，1，…，n-1}-tabuk表示螞蟻k下一步允許選擇的節(jié)點集，tabuk（k=1，2，…，m）表示螞蟻k在本次循環(huán)中已經(jīng)走過節(jié)點的集合，該集合隨進化過程動態(tài)調整。α表示運動軌跡的相對必要性，并且反映了螞蟻在健身運動的整個過程中積累的信息。值越大，螞蟻傾向于選擇其他螞蟻經(jīng)過的路徑的能力就越強。 β表示可見性的相對必要性，反映了整個健身鍛煉過程中螞蟻的討論因素。在螞蟻選擇路徑中，被重視程度越高，其值越大，遷移概率就越接近貪婪標準[8]。

二 北斗衛(wèi)星導航定位算法

2003年5月25日，“長征3A”火箭發(fā)動機在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心被使用，成功地將第三顆“北斗一號”導航定位通信衛(wèi)星發(fā)送到了外層空間。

在此鏈接中，北斗導航系統(tǒng)軟件使用地球上兩個地平面為60°的衛(wèi)星來執(zhí)行雙測距傳感器。另一個保存的通信衛(wèi)星可以用于音頻信號。精確定位的基本概念是：以2顆衛(wèi)星上的已知坐標和中心為基準，每顆衛(wèi)星將本地衛(wèi)星與客戶設備之間的測得距離作為半經(jīng)度，然后獲得2個球體，客戶設備必須位于這兩個領域。兩顆衛(wèi)星分別發(fā)射到接收部分。根據(jù)中心站接收到的反射部分，中心站計算此方法所需的時間為t1，t2，然后在估算之后即可實現(xiàn)準確而精確的定位。整個計算過程是：

c× t1= 2（r1+ R1）

c× t2= 2（r2+ R2） . （3）

由于通信衛(wèi)星1和通信衛(wèi)星2是地球上的同步衛(wèi)星，因此這兩個衛(wèi)星和南站的地心坐標都是已知的。這種帶有通訊功能的定位方式，非常適用于傳感器網(wǎng)絡的信標節(jié)點。一方面，此信標節(jié)點迅速標定了自身及整個傳感器網(wǎng)絡的絕對地理位置，另一方面，對所收集到的信息立刻予以傳輸，完整實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡的功能。其缺點是單接收機定位精度為10 m級，定位精度尚需提高。

三 北斗接收器與傳感器網(wǎng)絡混合的原理及綜合定位算法

一般的傳感器網(wǎng)絡由傳感器節(jié)點、信標節(jié)點、匯聚節(jié)點、信息網(wǎng)節(jié)點、信息中心5部分組成。

這種傳感器Internet部署計劃的優(yōu)點是在最短的時間內弄清“北斗”信標節(jié)點的位置和傳感器節(jié)點的相對位置。該計劃綜合定位優(yōu)化算法的過程為：

使“北斗”信標節(jié)點完成基本定位。整個定位過程可以充分利用特性不斷提高的雙衛(wèi)星導航系統(tǒng)來完善系統(tǒng)軟件進行多源差計算，并立即提高“北斗”信標節(jié)點的定位精度，從而實現(xiàn)定位每個信標節(jié)點的精度為m級。

在AHLOS優(yōu)化算法的基礎上，計算每個傳感器節(jié)點與信標節(jié)點（點D）的相對坐標，因此相對定位精度為cm級。

后2步的定位解算算法，主要根據(jù)3個以上節(jié)點可以列出過定義方程，按照所要求的精度，不斷累進計算求精。設Δp1，Δp2，…，ΔpN為已知節(jié)點1，2，…，N到未知節(jié)點0的矢量差，ax1，ax2，ay1，ay2，…，axN，ayN為系數(shù)，Δx0，Δy0為坐標差，則形成過定義方程的最小二乘法公式為：

為使函數(shù)f（Δx0，Δy0）取得最小值時，對函數(shù)求導并令為0，得：

可得出

在傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點之間連接很多，大多數(shù)節(jié)點都可以直接或間接獲得3個以上參考點的不精確距離。

四 基于RSSI的融合定位算法仿真

將北斗衛(wèi)星數(shù)設置為M，將無線傳感器Internet錨節(jié)點數(shù)設置為N，并將傳感器技術節(jié)點之間的距離設置為幾十米到五米任何幾百米都不同，未知節(jié)點可以另外接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號和錨節(jié)點數(shù)據(jù)信號，從而獲得通信衛(wèi)星偽距和RSSI的準確測量值。

本節(jié)基于RSSI融合定位算法進行了仿真仿真，并將其與純北斗定位算法，純RSSI精確定位算法和融合定位算法進行了比較。圖4.1比較了當錨點數(shù)分別為0和4時系統(tǒng)軟件的定位精度與北斗衛(wèi)星數(shù)的變化相伴的情況。圖4.1顯示了定位精度與無線傳感器節(jié)點數(shù)量之間的相關性，并比較了北斗衛(wèi)星是否對精確定位結果有害。通信衛(wèi)星數(shù)相同時，無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)錨點越多，定位精度越高，相同數(shù)量的錨點節(jié)點同時獲得。

圖 4.1 ?不同錨節(jié)點數(shù)下的定位精度變化

圖 4.2 不同場景下定位誤差曲線

圖4.2比較了在相同錨點下有無北斗衛(wèi)星的定位收斂速度。從圖中可以看出，使用北斗衛(wèi)星，定位結果可以在很短的時間內非常穩(wěn)定和精確。根據(jù)對北斗定位系統(tǒng)的定位算法，RSSI算法，RSSI組合算法和改進的RSSI組合算法的仿真，與純北斗導航系統(tǒng)，純無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)和融合系統(tǒng)的實際定位效果進行了比較，系統(tǒng)融合了北斗導航系統(tǒng)和無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，與純無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)相比，融合系統(tǒng)的定位精度逐步提高;借助無線傳感器互聯(lián)網(wǎng)，可以在通信衛(wèi)星數(shù)少于4顆時完成定位，擴大了定位的應用領域。

五 總結與展望

物聯(lián)網(wǎng)技術時代的到來加速了整個信息社會的融合。從信息的最低層，Internet的中上層到高級的系統(tǒng)軟件，已經(jīng)顯示出集成的發(fā)展趨勢。此外，北斗導航衛(wèi)星網(wǎng)站導航的基礎建設正在不斷推進，逐步完善，產(chǎn)業(yè)鏈的使用正在迅速增長。傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡技術的發(fā)展趨勢也很快，各種困難也得到了緩解，國家標準初具規(guī)模。

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