[发明专利]基于认知的井下无线定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及矿井下目标定位方法，具体地说是涉及一种基于认知的井下无 线定位方法。

背景技术

井下网络系统中的移动定位业务越来越受到广泛的关注，井下移动定位业 务主要的应用包括有：井下人员位置定位，井下安全定位，井下个人服务定位， 井下设备定位，井下交通定位，井下生产资料定位，井下矿产资源定位等。

全球定位系统GPS是目前应用的最广泛最成熟的定位系统，它利用多颗高轨 卫星，通过测量距离与距离变化率来确定用户的位置，具有定位精度高、实时性 好、抗干扰能力强等优点，但是由于传感器网络中节点的数量非常多，因此人工部 署和为所有节点安装GPS接收器来实现自身定位，成本太高。另外，传感器网络 节点采用电池供电，能量有限，因此节点上不适宜装备高能耗的GPS设备。节点 之间的无线通信所消耗的电能比其它部件所消耗的电能要大很多，所以要尽量减 少节点之间的无线通信量，也不宜将大量的通信和计算固定于某个或者某些节点， 否则，这些节点的电能会很快耗尽，在无线传感器网络中出现空穴。由于传感器网 络的这些特点，在进行节点的自身定位时，要尽量采用分布式的定位算法，尽量延 长传感器网络的生命期。

目前提出的一些传感器网络节点的自身定位算法主要是利用传感器网络中 少量已知自身位置的节点通过计算来获得其他未知节点的位置信息，主要有两类： 基于距离(Range-based)的定位方法和不基于距离(Range-free)的定位方法。信 标节点可以是被预先放置好的，也可以采用GPS或其他方法获取自己的位置信 息。未知节点根据信标节点的位置信息计算出自己的位置。常用的定位方法是 Range-based方法，这种方法需要先测量出节点之间的距离或角度信息，再通过数 学方法计算出节点自身的位置。测量节点间距离或者角度信息时通常采用的方 法有:TOA，TDOS，RSSI和AOA等。TOA的测距原理是已知信号的传播速度，根 据信号的传播时间来计算节点间的距离，这种算法要求节点有非常精确的时钟， 同时节点的硬件尺寸价格和功耗的限制也决定了这种方法适用于无线传感器网 络；TDOA的测距原理是发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收 节点根据两种信号的到达时间差以及已知这两种信号的传播速度来计算节点间 的距离，这种方法受到超声波传播距离的限制和非视距问题对超声波信号传播的 影响，不仅需要精确的时钟记录两种信号到达的时间差异，也需要传感器网络节 点同时具备感知两种信号的能力；RSSI的测距原理是已知发射节点的发射信号 强度，接收节点根据接收信号强度计算传播损耗从而进行测距，这种方法受环境 影响和信号模型的复杂性影响，给测距带来较大误差；AOA的定位原理是接收节 点通过特殊设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的 相对角度，从而进一步求得节点的位置，这种方法的硬件设备复杂并需要节点之 间存在视距传输，因此也不适用于无线传感器网络。Range-free定位方法无需测 量距离或角度信息，仅根据网络的连通性等信息就可以实现节点的自身定位。这 种方法降低了对节点硬件的要求，在成本和功耗方面比Range-based方法具有优 势，但定位的误差也相应有所增加。

目前提出的算法主要有:质心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法、API 算法等。质心算法首先确定包含未知节点的区域，计算这个区域的质心并将其作 为未知节点的位置，该算法完全基于网络连通性，无需信标节点和未知节点之间 的协调，容易实现，但是定位精度与信标节点的密度以及分布有很大关系，导致定 位精度不高；DV-HOP定位机制是未知节点首先计算与信标节点的最小跳数，然后 估算平均每条距离，从而得到节点间的距离，再通过数学计算求得节点坐标。该方 法对节点的硬件要求低，实现简单，但是利用跳段距离代替直线距离，定位误差较 大；Amorphous算法将节点的通信半径作为平均每跳距离，网络的扩展性差，对信 标节点的密度要求较高，而且定位误差大；APIT算法首先确定多个包含未知节点 的三角形区域，这些三角形区域的交集是一个多边形，它确定了更小的包含未知 节点的区域，然后计算这个多边形区域的质心，并将质心作为未知节点的位置，这 种方法定位精度高，性能稳定，但是对网络的连通性提出了较高的要求。这些定位 方法不能定位三维坐标或不能精确的定位三维坐标。

发明内容