基于時(shí)間差測(cè)量的傳感網(wǎng)時(shí)間同步和定位聯(lián)合處理方法
【專利摘要】一種基于時(shí)間差測(cè)量的傳感網(wǎng)時(shí)間同步和定位聯(lián)合處理方法，按如下步驟進(jìn)行：(1) 未知節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署；（2）信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的部署與標(biāo)定；（3）到達(dá)時(shí)間差（TDOA)測(cè)量；（4）測(cè)量數(shù)據(jù)收集；（5）迭代優(yōu)化估計(jì),按五個(gè)子步驟進(jìn)行；（6）坐標(biāo)圖的繪制與時(shí)間同步參數(shù)標(biāo)定。本發(fā)明通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的TDOA測(cè)量建立節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)與時(shí)鐘參數(shù)的約束關(guān)系，采用傳感網(wǎng)中存在部分已知位置坐標(biāo)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，以迭代優(yōu)化方法估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)及時(shí)間同步的時(shí)鐘參數(shù)，既實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，又實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)估計(jì)，且該方法不依賴于發(fā)送信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)，節(jié)省預(yù)先的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步成本，時(shí)間同步的時(shí)鐘參數(shù)和位置坐標(biāo)估計(jì)精度高。
【專利說(shuō)明】
基于時(shí)間差測(cè)量的傳感網(wǎng)時(shí)間同步和定位聯(lián)合處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種無(wú)需時(shí)鐘參數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱傳感網(wǎng)）時(shí)間同步和定位 方法，尤其是一種基于到達(dá)時(shí)間差(TD0A)測(cè)量的傳感網(wǎng)時(shí)間同步和定位的聯(lián)合處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì) 象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，從而為遠(yuǎn)程用戶提供詳盡而準(zhǔn)確的信息。采用無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息收集和處理，這些數(shù)據(jù)必須和位置信息相結(jié)合才有意義，甚至有時(shí)需要傳 感器節(jié)點(diǎn)發(fā)回單純的位置信息。常用的GPS系統(tǒng)利用同步衛(wèi)星時(shí)鐘提供實(shí)時(shí)測(cè)距以對(duì)傳感 器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，但GPS信號(hào)沿空間進(jìn)行直線傳播，僅適應(yīng)于無(wú)遮擋的室外環(huán)境，并且其設(shè) 備通常能耗高、體積大、成本高，需要固定的基礎(chǔ)硬件設(shè)施等，難以滿足低成本的無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)定位需求。GPS定位方法的局限性激發(fā)了一種低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法的 推出，即采用已知位置坐標(biāo)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)去推算未知節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置，再通過(guò)節(jié)點(diǎn)間測(cè)距方 法估算未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)這一新方法的產(chǎn)生。
[0003] 常用的測(cè)距方法包括接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)、聲音能量強(qiáng)度、到達(dá)時(shí)間（T0A)及到達(dá) 時(shí)間差(TD0A)等。節(jié)點(diǎn)間以電磁波的形式進(jìn)行相互通信，接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)隨傳輸路徑的 延長(zhǎng)而衰減，RSS方法無(wú)需額外硬件，具備低功耗、低成本等特點(diǎn)，但其RSS傳播易受到多徑 效應(yīng)干擾。聲音能量強(qiáng)度隨距離延長(zhǎng)而衰減，能量強(qiáng)度的檢測(cè)在硬件上容易實(shí)現(xiàn)，尤其適合 于本身具有聲音處理功能的多媒體無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但聲音能量強(qiáng)度的測(cè)距能力有 限。T0A測(cè)距方法通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間建立節(jié)點(diǎn)間的距離關(guān)系，其測(cè)距精度依賴于信號(hào)的 傳播速度和節(jié)點(diǎn)上精確的CPU計(jì)時(shí)能力。通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的TD0A測(cè)距方 法消除了節(jié)點(diǎn)上共同存在的時(shí)間偏移和軟件延遲，有效減少了因偏移和延遲而導(dǎo)致的測(cè)距 誤差。采用T0A或TD0A的測(cè)距方法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，所依賴的硬件成本低，因此在傳感網(wǎng)定位領(lǐng)域 得到了大量的應(yīng)用。
[0004] 在2002國(guó)際會(huì)議上首次提出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步研究課題后，該領(lǐng)域的研究 人員陸續(xù)完善了時(shí)間同步的相關(guān)理論，并開(kāi)發(fā)出多種時(shí)間同步算法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí) 間同步研究以提高同步精度和實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步為目標(biāo)，通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)的通信傳輸延遲提高時(shí) 間戳標(biāo)記的準(zhǔn)確度，減少了延遲不確定性對(duì)時(shí)間同步精度的不利影響，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造 如生成樹(shù)等集中式、平面型路由結(jié)構(gòu)來(lái)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)間的同步消息，從而實(shí) 現(xiàn)全網(wǎng)同步。比較著名的時(shí)間同步算法包括采用接收到接收同步模式的RBS算法、節(jié)點(diǎn)間相 互廣播數(shù)據(jù)包的PBS算法及基于發(fā)送接收模式的雙向單播同步ERTSP算法等。
[0005] 上述時(shí)間同步和定位方法都是通過(guò)單獨(dú)的方法實(shí)現(xiàn)，通訊和計(jì)算成本較高，且精 度受各種測(cè)量方法的限制。采用T0A或TD0A建立節(jié)點(diǎn)間距離約束關(guān)系以估計(jì)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo) 的方法與時(shí)間測(cè)量有關(guān)。然而由于初始化或環(huán)境因素變化有可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)計(jì)時(shí)時(shí)鐘失步， 導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間的不準(zhǔn)確，為此提出了時(shí)間同步和定位的聯(lián)合處理方法，既實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步， 又實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)的估計(jì)。
[0006] 通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)到達(dá)時(shí)間（T0A)的方法實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步和定位的聯(lián)合處理方 法依賴于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)，即要求發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)是已知的。獲取發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí) 鐘參數(shù)耗費(fèi)節(jié)點(diǎn)間大量的通信與計(jì)算成本，并且T0A方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊較為敏感。節(jié)點(diǎn)可以通 過(guò)發(fā)送錯(cuò)誤的偽造時(shí)間進(jìn)行測(cè)量攻擊，T0A方法的到達(dá)時(shí)間測(cè)量結(jié)果偏差較大，測(cè)距精度較 低。而本專利申請(qǐng)采用了 TD0A測(cè)量方法獲取節(jié)點(diǎn)間距離信息，既實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步的時(shí)鐘參 數(shù)估計(jì)，又確定了未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)，且不依賴于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)，減少了通訊與計(jì)算 成本，時(shí)鐘參數(shù)和位置坐標(biāo)估計(jì)精度高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于時(shí)間差測(cè)量的傳感網(wǎng)時(shí)間同步和定位 聯(lián)合處理方法，采用如下技術(shù)方案：
[0008] 本基于時(shí)間差測(cè)量的傳感網(wǎng)時(shí)間同步和定位的聯(lián)合處理方法，按以下步驟進(jìn)行：
[0009] (1)未知節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署:為監(jiān)測(cè)某一區(qū)域范圍內(nèi)的傳感信息，在所監(jiān)測(cè)的區(qū)域范 圍內(nèi)隨機(jī)部署1~100個(gè)待標(biāo)定時(shí)間同步和位置坐標(biāo)參數(shù)的未知節(jié)點(diǎn)；
[0010] (2)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的部署與標(biāo)定:在步驟（1)所述的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)再部署3~10個(gè)信標(biāo)節(jié) 點(diǎn)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)采用人工標(biāo)定或GPS方式獲取；
[0011] (3) TD0A測(cè)量:信標(biāo)節(jié)點(diǎn)j以超聲波和電磁波兩種不同傳播方式在同一時(shí)刻向未知 節(jié)點(diǎn)i發(fā)送信號(hào)，節(jié)點(diǎn)i分別在其時(shí)鐘計(jì)時(shí)時(shí)間爲(wèi)及為&時(shí)刻接收到兩種不同信號(hào)，TD0A 測(cè)量的到達(dá)時(shí)間差（10(^)表示為^^ =慫，|-及，：，則有節(jié)點(diǎn)間的測(cè)量方程關(guān)系式
-，C1&C2分別為超聲波和電磁波兩種不同方式的信號(hào)傳播速度，《 :為 未知節(jié)點(diǎn)i的時(shí)鐘漂移率；
[0012] ⑷測(cè)量數(shù)據(jù)收集:節(jié)點(diǎn)間所有的TD0A測(cè)量到達(dá)時(shí)間差全部統(tǒng)一發(fā)送到服務(wù) 器或集中式處理器上；
[0013] (5)迭代優(yōu)化估計(jì):在步驟(4)所述的服務(wù)器或集中式處理器上進(jìn)行時(shí)間同步和位 置坐標(biāo)參數(shù)的迭代優(yōu)化估計(jì)，按如下子步驟進(jìn)行：
[0014]①初始化未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)為所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)的平均值，時(shí)鐘漂移率等于 1，誤差閾值￡等于1〇_6及初始化迭代次數(shù)K等于0;
[0015] ②根據(jù)步驟(3)所述的測(cè)量方程關(guān)系式建立估計(jì)方法的優(yōu)化函數(shù)，并進(jìn)行時(shí)鐘參 數(shù)和位置坐標(biāo)的參數(shù)估計(jì)；
[0016] ③迭代次數(shù)K = K+1，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大值100,停止迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)束進(jìn)入子 步驟⑤;否則以當(dāng)前的參數(shù)估計(jì)值迭代優(yōu)化估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及時(shí)鐘漂移率；
[0017] ④根據(jù)兩次相鄰迭代結(jié)果的誤差估計(jì)判斷，是否滿足誤差小于設(shè)定閾值e，若滿 足，則停止迭代計(jì)算進(jìn)入子步驟⑤;否則更新當(dāng)前參數(shù)估計(jì)結(jié)果，轉(zhuǎn)入子步驟③進(jìn)入下一次 迭代優(yōu)化過(guò)程；
[0018] ⑤將當(dāng)前迭代優(yōu)化的估計(jì)結(jié)果作為未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及時(shí)鐘漂移率的估計(jì)值，計(jì) 算結(jié)束；
[0019] (6)坐標(biāo)圖的繪制與時(shí)間同步參數(shù)標(biāo)定:在所部署區(qū)域的坐標(biāo)圖上，繪制未知節(jié)點(diǎn) 與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，以估計(jì)的未知節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移率標(biāo)定時(shí)間同步參數(shù)。
[0020] 現(xiàn)有技術(shù)中，采用到達(dá)時(shí)間（T0A)方法的時(shí)間同步和定位聯(lián)合處理方法依賴于信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間，需要信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步參數(shù)。而時(shí)鐘同步參數(shù)的獲取需要額外的計(jì) 算與通信成本，且依賴于其它硬件設(shè)施，成本代價(jià)高。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是采用超聲波和電磁波兩種不同傳播方式的到達(dá)時(shí)間差 (TD0A)測(cè)量實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步和定位的聯(lián)合處理，不依賴于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間，無(wú)需任何節(jié) 點(diǎn)時(shí)鐘同步參數(shù)，通訊與計(jì)算成本低。以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)和1D0A測(cè)量建立測(cè)量方程，既 實(shí)現(xiàn)了未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，又實(shí)現(xiàn)了位置坐標(biāo)估計(jì)，且估計(jì)誤差小、可靠性高。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為部署的15個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)分布圖；
[0023]圖2為節(jié)點(diǎn)j以兩種不同信號(hào)傳播方式向接收節(jié)點(diǎn)i發(fā)送信號(hào)過(guò)程，即TD0A方式測(cè) 量過(guò)程示意圖；
[0024] 圖3為采用迭代優(yōu)化估計(jì)方法進(jìn)行時(shí)間同步和定位聯(lián)合處理的計(jì)算流程圖；
[0025] 圖4為圖1中10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了進(jìn)一步闡明本方法的創(chuàng)新之處和依據(jù)的原理，首先介紹一些基本概念。
[0027] 1、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)初始化階段就已知位置信息的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以為鄰近未 知節(jié)點(diǎn)的定位提供參考。通常信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所占的比例較小，可以通過(guò)安裝GPS設(shè)備或者手工配 置的方式來(lái)預(yù)先獲取其位置信息。也有文獻(xiàn)將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)稱之為錨節(jié)點(diǎn)或參考節(jié)點(diǎn)。
[0028] 2、未知節(jié)點(diǎn)。待定位的未知位置坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)預(yù)先不知道其位置信息，節(jié) 點(diǎn)定位過(guò)程就是估算這些節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。
[0029] 3、到達(dá)時(shí)間（T0A)。為建立節(jié)點(diǎn)間距離約束關(guān)系及推導(dǎo)未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)，傳感器 節(jié)點(diǎn)間通過(guò)T0A測(cè)量建立節(jié)點(diǎn)間距離約束關(guān)系，即節(jié)點(diǎn)間距離等于信號(hào)傳播速度乘以信號(hào) 到達(dá)時(shí)間（T0A)，信號(hào)到達(dá)時(shí)間（T0A)等于信號(hào)的實(shí)際接收時(shí)間與發(fā)送時(shí)間之差。
[0030] 4、到達(dá)時(shí)間差(TD0A)。信號(hào)到達(dá)時(shí)間（T0A)與信號(hào)發(fā)送時(shí)間有關(guān)，其值依賴于發(fā)送 節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)。而到達(dá)時(shí)間差(TD0A)通過(guò)測(cè)量?jī)煞N不同信號(hào)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間之差建 立與節(jié)點(diǎn)間距離的約束關(guān)系，與信號(hào)發(fā)送時(shí)間無(wú)關(guān)，并且不依賴于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)。 [0031 ] 5、時(shí)鐘漂移率。所部署網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上均有各自的時(shí)鐘電路，各傳感 器節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的時(shí)鐘電路計(jì)時(shí)，其計(jì)時(shí)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間有漂移，時(shí)鐘漂移率記為，表 示了節(jié)點(diǎn)i上計(jì)時(shí)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的時(shí)間變化率。
[0032] 6、時(shí)鐘偏移量。表不了時(shí)鐘電路中計(jì)時(shí)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間在同一時(shí)刻的時(shí)間差，記 為
[0033] 7、時(shí)鐘參數(shù)。包括時(shí)鐘漂移率和時(shí)鐘偏移量，本發(fā)明采用時(shí)鐘漂移和偏離的時(shí)鐘 計(jì)時(shí)模型，建立計(jì)時(shí)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的關(guān)系，即將節(jié)點(diǎn)i的計(jì)時(shí)時(shí)間U與實(shí)際時(shí)間t表示為 關(guān)系式 ti= ?it+9i。
[0034] 8、視距關(guān)系：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有障礙物或者干擾源，它們之間可以直接通信而實(shí) 現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距。
[0035] 當(dāng)節(jié)點(diǎn)的計(jì)時(shí)時(shí)鐘存在漂移時(shí)，直接的節(jié)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間存在偏差，將導(dǎo) 致定位結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。傳統(tǒng)的時(shí)間同步和定位聯(lián)合估計(jì)方法依賴于預(yù)先已知的節(jié)點(diǎn)時(shí) 鐘參數(shù)，而節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘參數(shù)的同步需要耗費(fèi)大量的節(jié)點(diǎn)通信成本，增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。本發(fā)明提出 了一種無(wú)需時(shí)鐘參數(shù)的傳感網(wǎng)時(shí)間同步和定位方法，這種方法通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的TD0A測(cè)量消除 了共同的發(fā)送時(shí)間，建立的測(cè)量方程與發(fā)送時(shí)間無(wú)關(guān)，所以不依賴于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)， 按以下步驟進(jìn)行：
[0036] (1)未知節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署:為監(jiān)測(cè)某一區(qū)域范圍內(nèi)的傳感信息，在所監(jiān)測(cè)的區(qū)域范 圍內(nèi)隨機(jī)部署1~100個(gè)待標(biāo)定時(shí)間同步和位置坐標(biāo)參數(shù)的未知節(jié)點(diǎn)；
[0037] (2)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的部署與標(biāo)定:在步驟（1)所述的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)再部署3~10個(gè)信標(biāo)節(jié) 點(diǎn)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)采用人工標(biāo)定或GPS方式獲??；
[0038] (3)TD0A測(cè)量:信標(biāo)節(jié)點(diǎn)j以超聲波和電磁波兩種不同傳播方式在同一時(shí)刻向未知 節(jié)點(diǎn)i發(fā)送信號(hào)，節(jié)點(diǎn)i分別在其時(shí)鐘計(jì)時(shí)時(shí)間我w及為.y.2時(shí)刻接收到兩種不同信號(hào)，TD0A 測(cè)量的到達(dá)時(shí)間差表示為-片，:.，則有節(jié)點(diǎn)間的測(cè)量方程關(guān)系式
巧及(：2分別為超聲波和電磁波兩種不同方式的信號(hào)傳播速度，《:為 未知節(jié)點(diǎn)i的時(shí)鐘漂移率；
[0039] (4)測(cè)量數(shù)據(jù)收集:節(jié)點(diǎn)間所有的TD0A測(cè)量到達(dá)時(shí)間差減.7全部統(tǒng)一發(fā)送到服務(wù) 器或集中式處理器上；
[0040] (5)迭代優(yōu)化估計(jì):在步驟(4)所述的服務(wù)器或集中式處理器上進(jìn)行時(shí)間同步和位 置坐標(biāo)參數(shù)的迭代優(yōu)化估計(jì)，按如下子步驟進(jìn)行：
[0041]①初始化未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)為所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)的平均值，時(shí)鐘漂移率等于 1，誤差閾值￡等于1〇_6及初始化迭代次數(shù)K等于0;
[0042] ②根據(jù)步驟(3)所述的測(cè)量方程關(guān)系式建立估計(jì)方法的優(yōu)化函數(shù)，并進(jìn)行時(shí)鐘參 數(shù)和位置坐標(biāo)的參數(shù)估計(jì)；
[0043] ③迭代次數(shù)K = K+1，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大值100，停止迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)束進(jìn)入子 步驟⑤;否則以當(dāng)前的參數(shù)估計(jì)值迭代優(yōu)化估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及時(shí)鐘漂移率；
[0044] ④根據(jù)兩次相鄰迭代結(jié)果的誤差估計(jì)判斷，是否滿足誤差小于設(shè)定閾值e，若滿 足，則停止迭代計(jì)算進(jìn)入子步驟⑤;否則更新當(dāng)前參數(shù)估計(jì)結(jié)果，轉(zhuǎn)入子步驟③進(jìn)入下一次 迭代優(yōu)化過(guò)程；
[0045] ⑤將當(dāng)前迭代優(yōu)化的估計(jì)結(jié)果作為未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及時(shí)鐘漂移率的估計(jì)值，計(jì) 算結(jié)束；
[0046] (6)坐標(biāo)圖的繪制與時(shí)間同步參數(shù)標(biāo)定:在所部署區(qū)域的坐標(biāo)圖上，繪制未知節(jié)點(diǎn) 與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，以估計(jì)的未知節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移率標(biāo)定時(shí)間同步參數(shù)。
[0047] 以下結(jié)合附圖用實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：
[0048] 實(shí)施例
[0049]圖1所示的實(shí)施例為在20mX 20m的二維平面上的15個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。其中編號(hào)為11 ~15的5個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別設(shè)置在所部署區(qū)域的四角及中心，其位置坐標(biāo)為(0,0)，（0,20)， (20,0)，（20,20)，（10，10)。編號(hào)為1~10的10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)是隨機(jī)設(shè)置的，其位置坐 標(biāo)分別為（16.0，17.9)，（4.0，1.7)，（10,9，1.0)，（10.1，15.7)，（0.5,8.9)，（12.9，10.4)， (7.4,18.7)，（2.6,17.0)，（17.9,3.9)，（18.7,5.7)。并且 10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘計(jì)時(shí)有誤差， 其時(shí)鐘漂移率分別為 1.03，1.08,0.97，1.15,0.99,0.97，1.19,0.95,0.95，1.13。本發(fā)明的 目標(biāo)是通過(guò)5個(gè)已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)，估計(jì)10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)和時(shí)鐘漂移率。
[0050] 為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，所有15個(gè)節(jié)點(diǎn)向所部署內(nèi)的編號(hào)為1~10的10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，以兩 種不同傳播方式發(fā)送信號(hào)，假設(shè)一種為電磁波，其傳播速度S C1 = 340m/S;另一種傳播方式 為聲波，其傳播速度為c2 = 3 X 108m/s。如圖2所示的節(jié)點(diǎn)j (j = 11，12，…，15)以兩種不同信 號(hào)傳播方式向接收節(jié)點(diǎn)i(i = l，2,…，10)在實(shí)際時(shí)間L發(fā)送信號(hào)過(guò)程。考慮在視距關(guān)系條 件下兩種不同方式在空間上的傳播后，分別在實(shí)際時(shí)間Ri, j, 1和Ri, j, 2被接收節(jié)點(diǎn)i收到。實(shí) 際到達(dá)時(shí)間R1; hi和Rm, 2之差等于兩種不同方式的信號(hào)傳播時(shí)間之差，即有
，cUd為節(jié)點(diǎn)間距離。但由于節(jié)點(diǎn)的計(jì)時(shí)時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)間有誤差，觀測(cè) 的計(jì)時(shí)時(shí)間矣#和為J;2與實(shí)際時(shí)間RndPRn2不一致，根據(jù)時(shí)鐘漂移模型，有關(guān)系式
7?，此方程建立了 了觀測(cè)到的計(jì)時(shí)時(shí)間與節(jié)點(diǎn)間距離、時(shí)鐘 漂移率的關(guān)系，因此，可以不依賴于發(fā)送節(jié)點(diǎn)j的時(shí)間同步參數(shù)，就能建立時(shí)間同步和定位 的聯(lián)合測(cè)量方程。
[0051] 假設(shè)圖1所示的網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)與10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)間通過(guò)超聲波和電磁波兩種不同 信號(hào)傳播方式都可以建立測(cè)量方程，其中包括信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)間建立的測(cè)量方程數(shù)量 為50個(gè)，本身未知節(jié)點(diǎn)間建立的測(cè)量方程為45個(gè)，合計(jì)為95個(gè)。而未知變量數(shù)量包括未知節(jié) 點(diǎn)位置坐標(biāo)及時(shí)鐘漂移率為30個(gè)，故測(cè)量方程數(shù)量遠(yuǎn)大于變量數(shù)量，所描述的時(shí)間同步和 定位優(yōu)化問(wèn)題模型可以被求解，下面介紹采用迭代優(yōu)化估計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。
[0052]圖3說(shuō)明了迭代優(yōu)化估計(jì)方法進(jìn)行時(shí)間同步和定位聯(lián)合處理的計(jì)算過(guò)程。假設(shè)5個(gè) 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)(〇，〇)，（〇，20)，（20，0)，（20，20)，（10，10)為精確的已知值，所有節(jié)點(diǎn) 都可以與10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)間建立視距關(guān)系，進(jìn)行ID0A測(cè)量，建立測(cè)量方程。初始化未知節(jié)點(diǎn)位 置坐標(biāo)為5個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)的平均值，時(shí)鐘漂移率為1，假設(shè)誤差閾值e等于1(T 6及最大 迭代次數(shù)等于100。根據(jù)測(cè)量方程建立迭代優(yōu)化估計(jì)方法的優(yōu)化函數(shù)。
[0053]根據(jù)建立的優(yōu)化函數(shù)和初始化參數(shù)，采用迭代求精方法計(jì)算下一次迭代優(yōu)化值。 當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，停止迭代計(jì)算，否則計(jì)算下一次迭代計(jì)算時(shí)的未知節(jié)點(diǎn) 位置坐標(biāo)及時(shí)鐘漂移率。根據(jù)兩次相鄰迭代結(jié)果的誤差估計(jì)判斷，是否滿足誤差小于設(shè)定 閾值e ;若滿足，則停止迭代，否則進(jìn)入下一次迭代過(guò)程。
[0054]當(dāng)最大迭代次數(shù)等于100,誤差閾值e等于1(T6時(shí)，考慮節(jié)點(diǎn)間隨機(jī)的時(shí)間測(cè)量噪 聲，圖4繪出了圖1中10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果（圖4中標(biāo)注為三角形的中心位置即為各未知 節(jié)點(diǎn)的定位位置）。由于噪聲的存在，使得定位結(jié)果稍有偏離原位置。各節(jié)點(diǎn)的偏離大小各 有差異，如編號(hào)為2、3、5和9的節(jié)點(diǎn)的估計(jì)誤差較大，而其它未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)誤差較小。同時(shí) 10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘漂移率估計(jì)值分別為1.04，1.08，0.98，1.17，0.99，0.98，1.16，0.94， 0.97，1.15，與原始值非常接近。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于時(shí)間差測(cè)量的傳感網(wǎng)時(shí)間同步和定位聯(lián)合處理方法，其特征在于按以下步 驟進(jìn)行： (1) 未知節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署:為監(jiān)測(cè)某一區(qū)域范圍內(nèi)的傳感信息，在所監(jiān)測(cè)的區(qū)域范圍內(nèi) 隨機(jī)部署1~100個(gè)待標(biāo)定時(shí)間同步和位置坐標(biāo)參數(shù)的未知節(jié)點(diǎn)； (2) 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的部署與標(biāo)定:在步驟（1)所述的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)再部署3~10個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)采用人工標(biāo)定或GPS方式獲?。? (3) TDOA測(cè)量:信標(biāo)節(jié)點(diǎn)j以超聲波和電磁波兩種不同傳播方式在同一時(shí)刻向未知節(jié)點(diǎn) i發(fā)送信號(hào)，節(jié)點(diǎn)i分別在其時(shí)鐘計(jì)時(shí)時(shí)間及我^時(shí)刻接收到兩種不同信號(hào)，TDOA測(cè)量 的到達(dá)時(shí)間差（T D Ο A )表示為:，，則有節(jié)點(diǎn)間的測(cè)量方程關(guān)系式1及C2分別為超聲波和電磁波兩種不同方式的信號(hào)傳播速度，ω i為未知 節(jié)點(diǎn)i的時(shí)鐘漂移率； ⑷測(cè)量數(shù)據(jù)收集:節(jié)點(diǎn)間所有的TDOA測(cè)量到達(dá)時(shí)間差全部統(tǒng)一發(fā)送到服務(wù)器或 集中式處理器上； (5) 迭代優(yōu)化估計(jì):在步驟(4)所述的服務(wù)器或集中式處理器上進(jìn)行時(shí)間同步和位置坐 標(biāo)參數(shù)的迭代優(yōu)化估計(jì)，按如下子步驟進(jìn)行： ① 初始化未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)為所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)的平均值，時(shí)鐘漂移率等于1，誤 差閾值ε等于1〇_6及初始化迭代次數(shù)K等于0; ② 根據(jù)步驟(3)所述的測(cè)量方程關(guān)系式建立估計(jì)方法的優(yōu)化函數(shù)，并進(jìn)行時(shí)鐘參數(shù)和 位置坐標(biāo)的參數(shù)估計(jì)； ③ 迭代次數(shù)Κ = Κ+1，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大值100，停止迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)束進(jìn)入子步驟 ⑤;否則以當(dāng)前的參數(shù)估計(jì)值迭代優(yōu)化估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及時(shí)鐘漂移率； ④ 根據(jù)兩次相鄰迭代結(jié)果的誤差估計(jì)判斷，是否滿足誤差小于設(shè)定閾值ε，若滿足，則 停止迭代計(jì)算進(jìn)入子步驟⑤；否則更新當(dāng)前參數(shù)估計(jì)結(jié)果，轉(zhuǎn)入子步驟③進(jìn)入下一次迭代 優(yōu)化過(guò)程； ⑤ 將當(dāng)前迭代優(yōu)化的估計(jì)結(jié)果作為未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及時(shí)鐘漂移率的估計(jì)值，計(jì)算結(jié) 束； (6) 坐標(biāo)圖的繪制與時(shí)間同步參數(shù)標(biāo)定:在所部署區(qū)域的坐標(biāo)圖上，繪制未知節(jié)點(diǎn)與信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，以估計(jì)的未知節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移率標(biāo)定時(shí)間同步參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01S5/26GK105959914SQ201610260930
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】吳曉平, 陳道錢, 顧治華
【申請(qǐng)人】浙江農(nóng)林大學(xué)