一種基于跳頻技術的rssi定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線定位領域,特別涉及一種基于跳頻技術的RSSI定位方法。
【背景技術】
[0002] 定位的算法有很多種,根據(jù)定位過程中是否需要測量實際節(jié)點的距離,定位算法 可以分為:基于測距的定位算法和無需測距的算法?;跍y距的定位方法是通過測量節(jié)點 間的距離或角度信息,使用三角形質心、三邊測量、最小二乘法或最大似然估計等方法估算 節(jié)點的位置,目前比較常用的測距技術有TOA(time of arrival)、TD0A(time difference of arrival)、A0A (angel of arrival)和 RSSI (Received Signal Strength Indication)等;無 需測距的定位方法則無需測量節(jié)點間的距離或角度信息,僅根據(jù)網絡連通性等信息即可完 成節(jié)點的位置估算,常用的方法包括:質心算法,Amorphous算法,DV-Hop算法和APIT算法 等。與Τ0Α、TD0A、AOA等測距定位方法相比,基于RSSI技術的三邊定位方法不需要額外的 硬件開銷,具有低實現(xiàn)復雜度,低硬件資源開銷等優(yōu)勢。
[0003] 隨著信息化技術的不斷發(fā)展,人們對定位導航技術的需求日益增長。其中,基于無 線測距的定位方法在定位技術中具有舉足輕重的地位,在軍事、航海等領域發(fā)揮著越來越 大的作用。其中基于接收信號強度指示測距和三邊定位方法的定位技術是比較有代表性的 實現(xiàn)方案。RSSI,通過接收到的信號強弱可以對兩個通信節(jié)點間的距離進行估算,進而實現(xiàn) 定位。由于其定位原理簡單且不需要額外的硬件開銷即可獲取RSSI值實現(xiàn)定位,現(xiàn)已正逐 漸成為無線定位技術的研究熱點。然而實際測距中RSSI值受多徑效應的影響而造成測距 誤差較大,進而影響了定位精度,三邊定位方法受測距的準確性的制約,進一步影響了定位 坐標精度。因而,對如何提高RSSI測距定位精度、改進定位算法的研究是十分必要且有意 義的。
[0004] 目前針對RSSI測距精度的研究主要集中在兩方面,一方面是利用通信芯片給出 單信道的RSSI值進行大量的實際環(huán)境測試,并根據(jù)衰落信道模型進行取均值、高斯模型擬 合、差分運算等方法來減少測距誤差;另一方面是針對RSSI算法進行改進,有些通過篩選 奇異信號經過FIR和IIR濾波減少瞬間干擾和噪聲干擾,有的提出了對RSSI值進行加權的 算法,有的將最大似然估計引入到"常數(shù)-對數(shù)"模型定位中,然而這些方法均沒有考慮多 徑效應的影響。
[0005] 由于越來越多的無線技術都在使用ISM頻段,因此,在這個頻段上,通信極易受到 同頻干擾。
[0006] 因此,針對基于RSSI定位精度的問題,提供一種減小同頻干擾、障礙物遮擋和多 徑效應響應的方法已成為亟待解決的技術難題。
[0007] 跳頻技術是近些年來出現(xiàn)的一種新型無線技術,它建立在多信道通信基礎上,通 過不斷的變化信道來避免隨機干擾和多徑效應對通信可靠性的影響。跳頻過程中,兩個 無線設備的每個報文發(fā)送的信道都與上個報文發(fā)送的信道不同。這種技術最早使用在 IEEE802. 15. 1協(xié)議(藍牙)中。在藍牙簇中,想要和簇首進行通信的設備首先要同簇首進 行時間同步;然后利用哈希算法將簇首的地址映射成為一個跳頻序列。所有的節(jié)點都會遵 照這個跳頻序列,進行每分鐘1600次的信道切換。IEEE802. 15. 4也使用了跳頻技術,在 2. 4GHz頻段上,IEEE802. 15. 4共使用了 16個信道進行跳頻,并規(guī)定了信道之間的切換時間 要小于192 μ s。
【發(fā)明內容】
[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足,提供一種基于跳頻技術的RSSI定位方 法,以便減少多信道通信同頻干擾、障礙物遮擋和多徑效應對定位精度的影響,同時采用 MinMax定位算法,提高坐標計算精度。
[0009] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是:一種基于跳頻技術的RSSI定位方 法,包括以下步驟:
[0010] 步驟一,標定階段,在固定點測量多個信道RSSI值,記錄并計算RSSI測距模型中 的測距參數(shù);
[0011] 步驟二,系統(tǒng)準備,部署無線傳感器網絡,實現(xiàn)所述無線傳感器網絡中目標節(jié)點和 錨節(jié)點的同步;
[0012] 步驟三,目標節(jié)點分別通過多個信道與錨節(jié)點進行通信從而獲取RSSI值,錨節(jié)點 根據(jù)一個跳頻周期內收到的發(fā)送節(jié)點的位置信號強度,排除跳頻序列中RSSI值誤差相對 大的信道,更新跳頻序列并將該信道加入到黑名單;
[0013] 步驟四,信號處理階段,將RSSI值處理成信號強度幅值并進行優(yōu)化處理;
[0014] 步驟五,定位階段,在定位服務器上根據(jù)各個信號強度計算目標節(jié)點與錨節(jié)點之 間的距離值,并計算目標節(jié)點位置坐標。
[0015] 所述RSSI測距模型為"常數(shù)-對數(shù)"模型:
[0016] A = RSSI (d)+10*n*lg (d)
[0017] 其中,A為Im遠處信號接收功率,η為傳播因子,d為目標節(jié)點與錨節(jié)點之間的距 離,A, η為測距參數(shù)。
[0018] 所述RSSI測距模型中的測距參數(shù)通過多次多信道通信實驗確定,包括以下步驟:
[0019] 通過實測兩組不同的d位置的RSSI值,計算出本次實測的Α,η的值;
[0020] 通過多次多信道通信實測,將求出的Α,η取平均結果,作為Α,η的值。
[0021] 所述無線傳感器網絡是由錨節(jié)點、目標節(jié)點、定位服務器及網絡通路輔助設備組 成的時間同步的多信道TDM網狀網絡。
[0022] 所述將RSSI值處理成信號強度幅值并進行優(yōu)化處理,包括以下步驟:
[0023] 將信號強度值RSSI轉換為信號幅值:
[0024] 4 =A*(10,'iSS/,)a?
[0025] 其中,A1為信道幅值,k為常系數(shù),i為信道標號,RSSI1為測量的第i個信道的信 號強度值;
[0026] 計算多次信號幅值A1的中心值A。,將A。換算成RSSI值,即為優(yōu)化的RSSI值;
[0027] 根據(jù)優(yōu)化后的RSSI值,進而計算目標節(jié)點與錨節(jié)點之間的距離值。
[0028] 所述信號幅值的中心值A。的計算方法為:
[0029]
[0030] 丄/ymwj丨」λλι η w丨」肉,u/ywi節(jié)點到地面的商度,λ為射 頻信號的波長;
[0031] 由于定位發(fā)生在單片機上,計算能力較小,為了求解Α。的近似值,可使用特解的方 式來完成。取A 1的最大值Aniax最小值Α_,近似計算信號幅值的中心值:
[0032]
[0033] 所述信號幅值的中心值Α。的近似計算方法為:
[0034] 取Α:的最f倌Α-最小值Amin,近似計算信號幅值Ai的中心值:
[0035]
[0036] 所述利用幅值的中心值A。計算出優(yōu)化的RSSI值,具體為:
[0037] RSSI = 2*log10 (A/k)
[0038] 其中,k為常系數(shù)。
[0039] 所述計算目標節(jié)點與錨節(jié)點之間的距離值,具體為:
[0040] 將幅值的中心值A。代入到式^ 中計算距離值d。
[0041] 所述在定位服務器上根據(jù)各個信號強度及距離值計算目標節(jié)點的位置坐標,具體 為:
[0042] 錨節(jié)點與目標節(jié)點的計算距離d,然后以寬為2d,中心點為錨節(jié)點繪制正方形,目 標節(jié)點即在其周圍的所有信標節(jié)點正方形的重疊區(qū)域內;
[0043] 錨節(jié)點的坐標為(xm, ym),錨節(jié)點接收到的RSSI值計算距離未知節(jié)點的估計距離 為Clni,以2*4為邊長,(X ni, yj為中心畫正方形,則正方形的四個頂點的坐標為:
[0044] (xa-da, ya-da) X (xa+da, ya+da);
[0045] 以此類推可知其余錨節(jié)點的頂點坐標為:
[0046] (Xi-Cli, Yi-(Ii) X (xj+dj, Y^di)
[0047] 最終正方形重疊區(qū)域的四個頂點坐標為:
[0048] [max (Xi-(Ii), max (Yi-(Ii) ] X [min (Xi-(Ii), min (Yi-(Ii)]
[0049] 則,估計的目標節(jié)點的位置是重疊區(qū)域的中心位置,其坐標為:
[0050] [ (max (Xi-(Ii) +min (Xfdi)) /2,(max Cyi-(Ii) +min (yfdi)) /2]
[0051] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0052] 1.引入跳頻技術,通過不斷的變化信道來避免隨機干擾和多徑效應對通信可靠性 的影響,篩選出可靠度更高的RSSI值,與直接獲取RSSI進行測距定位的各種方法相比,定 位精度顯著提高。
[0053] 2.使用帶有信道認知黑名單的跳頻方式,可以有效的降低RSSI值篩選過程的時 間,提高系統(tǒng)可用性。
[0054] 3.引入MinMax定位算計算定位坐標,能有效的抑制因測距誤差加大造成定位坐 標計算不準確,提1?定位坐標精度。
【附圖說明】
[0055] 圖1是本發(fā)明定位系統(tǒng)的基本組成結構示意圖;
[0056] 圖2是本發(fā)明定位算法流程圖;
[0057] 圖3是本發(fā)明測距參數(shù)獲取流程圖;
[0058] 圖4是本發(fā)明MinMax定位方法示意圖。
【具體實施方式】
[0059] 下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0060] 如圖1所示,錨節(jié)點AP表示已知位置的參考節(jié)點,實心圓表示目標節(jié)點,閃電符號 表示無線通信鏈路。系統(tǒng)的最基本組成包括:(1)三個及以上的錨節(jié)點,每個錨節(jié)點的位置 信息已知。錨節(jié)點具有無線收發(fā)功能,接收天線布局方向一致。(2)待測的目