一種基于跳頻技術(shù)的rssi定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線定位領(lǐng)域，特別涉及一種基于跳頻技術(shù)的RSSI定位方法。
【背景技術(shù)】
[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(shí)際節(jié)點(diǎn)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(diǎn) 間的距離或角度信息，使用三角形質(zhì)心、三邊測量、最小二乘法或最大似然估計(jì)等方法估算 節(jié)點(diǎn)的位置，目前比較常用的測距技術(shù)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(diǎn)間的距離或角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息即可完 成節(jié)點(diǎn)的位置估算，常用的方法包括：質(zhì)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(shù)的三邊定位方法不需要額外的 硬件開銷，具有低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，低硬件資源開銷等優(yōu)勢。
[0003] 隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對定位導(dǎo)航技術(shù)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(shù)中具有舉足輕重的地位，在軍事、航海等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越 大的作用。其中基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示測距和三邊定位方法的定位技術(shù)是比較有代表性的 實(shí)現(xiàn)方案。RSSI，通過接收到的信號(hào)強(qiáng)弱可以對兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間的距離進(jìn)行估算，進(jìn)而實(shí)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(shí)現(xiàn)定位，現(xiàn)已正逐 漸成為無線定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)。然而實(shí)際測距中RSSI值受多徑效應(yīng)的影響而造成測距 誤差較大，進(jìn)而影響了定位精度，三邊定位方法受測距的準(zhǔn)確性的制約，進(jìn)一步影響了定位 坐標(biāo)精度。因而，對如何提高RSSI測距定位精度、改進(jìn)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(jìn)行大量的實(shí)際環(huán)境測試，并根據(jù)衰落信道模型進(jìn)行取均值、高斯模型擬 合、差分運(yùn)算等方法來減少測距誤差；另一方面是針對RSSI算法進(jìn)行改進(jìn)，有些通過篩選 奇異信號(hào)經(jīng)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(jìn)行加權(quán)的 算法，有的將最大似然估計(jì)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(yīng)的影響。
[0005] 由于越來越多的無線技術(shù)都在使用ISM頻段，因此，在這個(gè)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(yīng)響應(yīng)的方法已成為亟待解決的技術(shù)難題。
[0007] 跳頻技術(shù)是近些年來出現(xiàn)的一種新型無線技術(shù)，它建立在多信道通信基礎(chǔ)上，通 過不斷的變化信道來避免隨機(jī)干擾和多徑效應(yīng)對通信可靠性的影響。跳頻過程中，兩個(gè) 無線設(shè)備的每個(gè)報(bào)文發(fā)送的信道都與上個(gè)報(bào)文發(fā)送的信道不同。這種技術(shù)最早使用在 IEEE802. 15. 1協(xié)議（藍(lán)牙）中。在藍(lán)牙簇中，想要和簇首進(jìn)行通信的設(shè)備首先要同簇首進(jìn) 行時(shí)間同步；然后利用哈希算法將簇首的地址映射成為一個(gè)跳頻序列。所有的節(jié)點(diǎn)都會(huì)遵 照這個(gè)跳頻序列，進(jìn)行每分鐘1600次的信道切換。IEEE802. 15. 4也使用了跳頻技術(shù)，在 2. 4GHz頻段上，IEEE802. 15. 4共使用了 16個(gè)信道進(jìn)行跳頻，并規(guī)定了信道之間的切換時(shí)間 要小于192 μ s。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于跳頻技術(shù)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(yīng)對定位精度的影響，同時(shí)采用 MinMax定位算法，提高坐標(biāo)計(jì)算精度。
[0009] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于跳頻技術(shù)的RSSI定位方 法，包括以下步驟：
[0010] 步驟一，標(biāo)定階段，在固定點(diǎn)測量多個(gè)信道RSSI值，記錄并計(jì)算RSSI測距模型中 的測距參數(shù)；
[0011] 步驟二，系統(tǒng)準(zhǔn)備，部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和 錨節(jié)點(diǎn)的同步；
[0012] 步驟三，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別通過多個(gè)信道與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信從而獲取RSSI值，錨節(jié)點(diǎn) 根據(jù)一個(gè)跳頻周期內(nèi)收到的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的位置信號(hào)強(qiáng)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(hào)處理階段，將RSSI值處理成信號(hào)強(qiáng)度幅值并進(jìn)行優(yōu)化處理；
[0014] 步驟五，定位階段，在定位服務(wù)器上根據(jù)各個(gè)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之 間的距離值，并計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。
[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(yuǎn)處信號(hào)接收功率，η為傳播因子，d為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)確定，包括以下步驟：
[0019] 通過實(shí)測兩組不同的d位置的RSSI值，計(jì)算出本次實(shí)測的Α，η的值；
[0020] 通過多次多信道通信實(shí)測，將求出的Α，η取平均結(jié)果，作為Α，η的值。
[0021] 所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由錨節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、定位服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)通路輔助設(shè)備組 成的時(shí)間同步的多信道TDM網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
[0022] 所述將RSSI值處理成信號(hào)強(qiáng)度幅值并進(jìn)行優(yōu)化處理，包括以下步驟：
[0023] 將信號(hào)強(qiáng)度值RSSI轉(zhuǎn)換為信號(hào)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(biāo)號(hào)，RSSI1為測量的第i個(gè)信道的信 號(hào)強(qiáng)度值；
[0026] 計(jì)算多次信號(hào)幅值A(chǔ)1的中心值A(chǔ)。，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(jìn)而計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離值。
[0028] 所述信號(hào)幅值的中心值A(chǔ)。的計(jì)算方法為：
[0029]
[0030] 丄/ymwj丨」λλι η w丨」肉，u/ywi節(jié)點(diǎn)到地面的商度，λ為射 頻信號(hào)的波長；
[0031] 由于定位發(fā)生在單片機(jī)上，計(jì)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A(chǔ)niax最小值Α_，近似計(jì)算信號(hào)幅值的中心值：
[0032]
[0033] 所述信號(hào)幅值的中心值Α。的近似計(jì)算方法為：
[0034] 取Α:的最f倌Α-最小值A(chǔ)min,近似計(jì)算信號(hào)幅值A(chǔ)i的中心值：
[0035]
[0036] 所述利用幅值的中心值A(chǔ)。計(jì)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(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離值，具體為：
[0040] 將幅值的中心值A(chǔ)。代入到式^ 中計(jì)算距離值d。
[0041] 所述在定位服務(wù)器上根據(jù)各個(gè)信號(hào)強(qiáng)度及距離值計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，具體 為：
[0042] 錨節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算距離d,然后以寬為2d,中心點(diǎn)為錨節(jié)點(diǎn)繪制正方形，目 標(biāo)節(jié)點(diǎn)即在其周圍的所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)正方形的重疊區(qū)域內(nèi)；
[0043] 錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（xm, ym),錨節(jié)點(diǎn)接收到的RSSI值計(jì)算距離未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)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(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)為：
[0044] (xa-da, ya-da) X (xa+da, ya+da)；
[0045] 以此類推可知其余錨節(jié)點(diǎn)的頂點(diǎn)坐標(biāo)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(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為：
[0048] [max (Xi-(Ii), max (Yi-(Ii) ] X [min (Xi-(Ii), min (Yi-(Ii)]
[0049] 則，估計(jì)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置是重疊區(qū)域的中心位置，其坐標(biāo)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(diǎn)和有益效果：
[0052] 1.引入跳頻技術(shù)，通過不斷的變化信道來避免隨機(jī)干擾和多徑效應(yīng)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(jìn)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(rèn)知黑名單的跳頻方式，可以有效的降低RSSI值篩選過程的時(shí) 間，提高系統(tǒng)可用性。
[0054] 3.引入MinMax定位算計(jì)算定位坐標(biāo)，能有效的抑制因測距誤差加大造成定位坐 標(biāo)計(jì)算不準(zhǔn)確，提1?定位坐標(biāo)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(jié)構(gòu)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(shí)施方式】
[0059] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0060] 如圖1所示，錨節(jié)點(diǎn)AP表示已知位置的參考節(jié)點(diǎn)，實(shí)心圓表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，閃電符號(hào) 表示無線通信鏈路。系統(tǒng)的最基本組成包括：（1)三個(gè)及以上的錨節(jié)點(diǎn)，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置 信息已知。錨節(jié)點(diǎn)具有無線收發(fā)功能，接收天線布局方向一致。（2)待測的目