WSN教案02

（定位技术）

教学目标：

1、了解基于测距（range-based）的定位技术和无需测距（range-free）的定位技术。

2、理解定位相关的其他技术。

3、掌握典型定位系统。

教学重点难点：

重点：1、基于测距（range-based）的定位技术

      2、无需测距（range-free）的定位技术

      3、典型定位系统

难点：典型定位系统

教学内容：

一、什么是定位？

1定位就是确定位置。

2定位的两种意义：

✓一种是确定及自己的在系统中的位置；

✓一种是系统确定目标在系统中的位置。

3位置信息的类型：

✓物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标的相对或者绝对位置。

✓符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关系，提供目标大致的所在范围。

二、定位系统的设计要点

1两个主要因素：定位机制的物理特性，相应的算法。

2其他设计要求：节点密度，扩展性，鲁棒性的要求 。

三、基于测距（range-based）的定位技术 

1. 多边定位Multilateration

多次测量方程的个数大于变量的个数。 

估计方法：

1最小二乘（LS，Least Square）

2极大似然（MLE, Maximum Likelihood Estimation）

3最小均方差（MMSE, Minimum Mean Square Error） 

2. 三边定位Trilateration（多边定位特例）

多次测量方程的个数等于变量的个数。需要考虑无解的情况，求最优近似解。

3. 信号强度（RSS ）

（1）通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离

（2）信道的时变特性：

1信道由于受到多径衰减（Multi-path Fading）

2非视距阻挡（Non-of-Sight Blockage）的影响 

4. 近场电磁测距（NFER）

利用了在近场电场与磁场的相位差来测量距离。射频信号包括电场和磁场2部分。

四、无需测距（range-free）的定位技术 

1. DV-Hop算法

测量确定分布在2个参考节点之间的待定节点构成的多跳网络的跳数，估算出每一跳的距离，从而确定每个节点的位置。 

精度：网络平均连通度为10，参考节点比例为10%的各向同性网络中定位精度约为33%。

缺点：仅仅在各向同性的密集网络中，校正值才能合理地估算平均每跳距离。

2. 不定形定位算法 

1在不定形计算机（Amorphous Computer）上实现的定位算法。 

2不定形计算机是一种并行计算结构，和智能群（蚁群、鸟群、粒子群等）很相似。

3本质上，不定形算法是DV-Hop算法的增强，引入了多参考点测量进行估计求精的步骤。

4两个重要的参数修正：

1不定形算法通过平滑（smoothing）修正节点到参考节点的梯度跳数。

2采用通信半径作为每跳距离，使得节点到参考节点的最终估计距离偏大。不定形算法采用下面的公式来修正每跳距离。

3. APIT算法 

近似三角形内点测试法（APIT, Approximate Point-In-Triangulation test）找到若干个由参考节点构成的三角形，则节点必然在这些三角形的交集内。使用这个交集的重心估计节点的位置。 

APIT算法分四步：（1）信标交换，（2）三角形内点测试（PIT, Point-In-Triangulation testing），（3） 交集运算计算三角形的重合区域，（4）重心（COG, Center of Gravity）计算求节点的位置。 

五、定位相关的其他技术

1节点和事件的跟踪  

2测距方式对精度的影响  

3贝叶斯滤波

4卡尔曼滤波

5其它技术

六、典型定位系统

1全球和区域导航系统  

1全球导航系统  

2地区导航系统 

2无线传感器网络定位系统

1使用RSS方式定位的系统

2使用TOA/TDOA方式定位的系统 

3混合定位系统

4无需测距的定位系统