一種三維空間中的基于時間測距的定位方法
【專利摘要】一種三維空間中的基于時間測距的定位方法，步驟包括：將基站的坐標設(shè)置在三維坐標系的原點上、坐標軸上和空間任一點上，共有5個基站；將基于到達時間的測距方法中的信號發(fā)射時間作為一個未知量與移動臺位置同時進行計算；根據(jù)基于到達時間的測距方法中的圓周模型方法建立測量方程組；將得到的非線性方程組轉(zhuǎn)化為線性方程組獲得信號的發(fā)射時間和移動臺的坐標位置。本發(fā)明的方法能夠避免基于到達時間測距中整個系統(tǒng)中信號發(fā)射源點與各接收端要有精確地時間同步這一制約條件，計算量小，易于實現(xiàn)。
【專利說明】一種三維空間中的基于時間測距的定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于時間到達的定位技術(shù)，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定 位【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器組成，通過無線通信方式 形成的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息。 節(jié)點定位技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，不僅對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本應(yīng)用有 重要作用，也是目標監(jiān)測和追蹤的基礎(chǔ)。
[0003] 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法主要分為兩大類：基于測距的定位算法和無需 測距的定位算法。基于測距的定位算法通過測量節(jié)點間的距離或角度信息，使用三邊測量、 三角測量或最大似然估計定位法計算節(jié)點的位置。常用的測距技術(shù)有基于信號強度的測距 方法、基于到達時間的測距方法、基于到達時間差的測距方法和基于到達角度的測距方法； 無需測距定位算法則不需要距離和角度信息，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點定位，相比 之下，基于距離的定位算法測量精度較高，距離無關(guān)的定位算法對硬件要求較低。
[0004] 基于到達時間的測距方法是已知信號的傳播速度，根據(jù)傳播時間來計算節(jié)點間距 離，得到的結(jié)果精度高，但要求節(jié)點保持精確時間同步，對節(jié)點硬件和功耗提出了較高要 求?；诘竭_時間的定位算法多是建立在二維坐標空間下的，不能在三維空間中直接使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三維空間中的基于時 間測距的定位方法，能夠避免基于到達時間測距中整個系統(tǒng)中信號發(fā)射源點與各接收端要 有精確地時間同步這一制約條件，將信號發(fā)射時間作為未知量與移動臺位置同時進行估 算，最終通過計算得到信號發(fā)射時間，從而解決了基于到達時間測距定位算法的實現(xiàn)難度， 且計算量小，易于實現(xiàn)。
[0006] 本發(fā)明的解決方案是：一種三維空間中的基于時間測距的定位方法，所述方法包 括以下步驟：
[0007] A.在三維坐標系下確定基站坐標，將基站坐標確定在原點、X軸、Y軸、Z軸和空間 中一占.
[0008] B.基于步驟A中將基站坐標確定在原點、X軸、Y軸、Z軸和空間中一點上，將基于 時間到達的測距方法中的信號發(fā)射時間作為一個未知量代入后面步驟C得到的方程組中 必有解，信號發(fā)射時間為基站和移動臺的時間差，這一步驟避免了要求信號源點和各接收 端要有精確的時間同步這一約束條件；
[0009] C.利用基于時間到達的測距方法中的圓周模型建立非線性測距方程，并將步驟B 中的未知量信號發(fā)射時間代入該非線性方程組；
[0010] D.通過數(shù)學(xué)變換將步驟C中得到的非線性方程組轉(zhuǎn)換為線性方程組解得步驟B中 的未知量信號發(fā)射時間，將信號發(fā)生時間代入方程中即可獲得移動臺在步驟A中建立的坐 標系中的具體坐標位置。
[0011] 所述步驟A中，選擇原點和坐標軸上的點作為基站的坐標位置。
[0012] 所述步驟B中，將信號發(fā)射時間作為一個未知量時，能夠避免要求系統(tǒng)中信號源 點和各接收端要有精確地時間同步這一約束條件。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點在于：
[0014] (1)本發(fā)明將信號發(fā)射時間作為一個未知量與移動臺位置同時進行估計，避免了 時間同步這一制約條件，不必要求源點和各接收端精確的時間同步，簡化了實現(xiàn)過程，降低 了系統(tǒng)對硬件的要求，更利于操作實現(xiàn)；
[0015] (2)本發(fā)明將信號發(fā)射時間作為一個未知量可以減少該算法的實現(xiàn)難度和提高定 位精度，傳統(tǒng)的基于時間到達的測距方法中要求系統(tǒng)中信號源點和各移動臺的接收端要有 精確地時間同步，對時間同步的限制要求較高且不易實現(xiàn)，本發(fā)明避免了這一約束條件；
[0016] (3)本發(fā)明是建立在三維空間坐標系下的，可以在三維空間中進行應(yīng)用，適用性 強。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明實現(xiàn)流程圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明中基于到達時間測距的圓周模型示意圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明中信號接收端的示意圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明提供的案例實施流程圖。

【具體實施方式】
[0021] 以下包括術(shù)語的簡單詞匯，將有助于理解下面的實施例的詳細描述，但這些細節(jié) 并不是為了限制本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可以在偏離這些具體細節(jié)的其他實施方案 中實踐本發(fā)明。術(shù)語"基站"表示已知具體坐標位置的信號接收端；術(shù)語"移動臺"表示未 知具體位置待定位的信號發(fā)射端。
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明一種三維空間中的基于時間測距的定位方法，包括下列步驟：
[0023] A.建立系統(tǒng)的三維坐標系，將已知具體坐標位置的基站放置在原點、X軸、Y軸、Z 軸和空間中任一點上，這5個基站的坐標分別為（0,0,0)，（X2,0,0)，（0，Y3,0)，（0,0，Z 4)， (X5, Y5，Z5)，并設(shè)這5個基站接收端為BSji = 1，2,3,4,5);
[0024] B.從待定位的移動臺發(fā)射信號到第i個接收端的基于到達時間測量值為ti，信號 的發(fā)射時間為t0,其中有η =屯-屯=c · (trtd)，η為移動臺到第i個基站的距離，φ為 其測量值，c是信號在空氣中的傳播速度：c = 3X 108m/s ;
[0025] 由位置關(guān)系可得：
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種三維空間中的基于時間測距的定位方法，其特征在于：所述方法包括以下步 驟： A. 在三維坐標系下確定基站坐標，將基站坐標確定在原點、X軸、Y軸、Z軸和空間中一 占 . B. 基于步驟A中將基站坐標確定在原點、X軸、Y軸、Z軸和空間中一點上，將基于時間 到達的測距方法中的信號發(fā)射時間作為一個未知量代入后面步驟C得到的方程組中必有 解，信號發(fā)射時間為基站和移動臺的時間差，這一步驟避免了要求信號源點和各接收端要 有精確的時間同步這一約束條件； C. 利用基于時間到達的測距方法中的圓周模型建立非線性測距方程，并將步驟B中的 未知量信號發(fā)射時間代入該非線性方程組； D. 通過數(shù)學(xué)變換將步驟C中得到的非線性方程組轉(zhuǎn)換為線性方程組解得步驟B中的未 知量信號發(fā)射時間，將信號發(fā)生時間代入方程中即可獲得移動臺在步驟A中建立的坐標系 中的具體坐標位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維空間中的基于時間測距的定位方法，其特征在于：所述 步驟A中，選擇原點和坐標軸上的點作為基站的坐標位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維空間中的基于時間測距的定位方法，其特征在于：所述 步驟B中，將信號發(fā)射時間作為一個未知量時，能夠避免要求系統(tǒng)中信號源點和各接收端 要有精確地時間同步這一約束條件。
【文檔編號】H04W64/00GK104270817SQ201410541416
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】康一梅, 王佳瑋 申請人:北京航空航天大學(xué)