定位技术

无线传感网络定位技术综述潘国民 120802016摘要：首先介绍无线传感网络定位技术额相关术语、评价标准等基本概念及定位算法的分类算法；重点基于测距和非测距两个方面介绍无线传感网络定位方法，并研究若干新型无线传感网络定位方法，主要包括移动锚节点算法、三维定位算法和智能定位算法。

从实用性、应用环境、硬件条件、供能安全隐私等方面出发总结当前无线传感网络定位技术存在的问题并给出可行的解决方案后，展望未来的研究应用发展趋势。

1、引言在很多无线传感器网络应用中，没有节点位置信息的监测信息往往毫无意义。

当监测到事件发生时，关心的一个重要问题就是该事件发生的位置，如森林火灾监测，天然气管道泄漏监测等。

这些事件的发生，首先需要知道的就是自身的地理位置信息。

定位信息除了用来报告事件发生的地点外，还可用于目标跟踪、目标轨迹预测、协助路由以及网络拓扑管理等。

常见的定位技术如全球定位系统（globe position system，GPS）是目前应用最广的、最成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距来对用户节点进行定位，具有较高的定位精度，实时性较好，抗干扰能量强。

但是，使用GPS技术定位只适合于视距通信的场合，即室外无遮挡的环境，用户节点通常能耗高、体积大且成本也较高，还需要固定基础设施等，这不太适合低成本自组织无线传感器网络。

另外，机器人领域采用的定位技术也与无线传感器网络的定位技术不同，尽管二者非常相似，节点都具有自组织和移动特性，但是机器人节点数量少，节点能量充足且携带精确的测距设各，这在一般的能量受限的无线传感器网络中很难满足类似的条件。

由于资源和能量受限的无线传感器网络对定位的算法和定位技术都提出了较高的要求。

因此，无线传感器网络的定位技术或定位算法通常需要具各以下重要特征：自组织特性，节点可能随机分布或人工部署；能量高效特性，尽量采用低复杂度的定位算法，减少通信开销，延迟网络寿命；分布式计算特性，各个节点都计算自己的位置信息；鲁棒性，可能监测数据有误差，要求定位算法具有良好的容错性；节点位置计算的常用方法。

2、定位技术分类：2.1.GPS定位技术当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减到十分微弱的地步，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的，为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间，A-GPS技术为这个问题的解决提供了可能性。

室内GPS技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，同时，也有助于实现快速定位。

这种室内GPS 定位技术由于需要在手机内集成GPS接收器，决定了它的应用受限性，为此，把具有该功能的手机价格降到人们可以承受的范围内成了室内GPS技术追求的目标之一。

2.2.跟踪定位系统该系统种类繁多，但都要求所跟踪目标和探测器之间线性可视，这就把它的应用局限到了仅室内的范围且须保证所监测的目标是不透明的。

在视频监视系统中，往往采用在被监控的环境中安装多台摄像设备，这些摄像设备可连接到一台或几台视频监控器上，通过视频监控器，对观察对象进行实时动态地监控，有的甚至可以进行必要的数据存储。

光定位技术也被应用于机器人系统，通过固定的红外线摄像机和很多红外线发光二极管的一系列协同配合，达到定位的目的。

由于其本身的特点，要实现高精度的光定位技术，其配备要求比较复杂。

2.3.超声波定位技术。

2.4.蓝牙技术(Bluetooth)蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。

能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。

利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。

其数据速率为1Mbps。

采用时分双工传输方案实现全双工传输。

2.5.无线定位技术无线定位技术是一种利用基于WIFI技术的RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）和传感器等设备，实现定位、追踪和监测特定目标的位置。

AP将收集的Tag或MU信息发送到AeroScout公司的AeroScout Engine（下面简称为AE），通过AE进行位置计算，然后由AE将计算的位置数据传给图形软件。

在图形软件上用户可以通过地图、表格或者报告等多种形式直观的获取物资的位置信息。

无线定位可以应用于医疗监护、资产管理、物流等方面，协助用户高效地完成物资管理和监控。

3、定位的基本方法（1）三边测量法（trilateration）如图1所示，已知A、B、C三个节点的坐标分别为（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），以及它们到未知节点D的距离分别为da，db，dc，假设节点D的坐标为（x，y），则存在如（6．2）所示公式：图1 三边测量法示意图有式（6．2）可以得到节点D的坐标为：（2）三角测量法（triangulation）如图2所示，已知A、B、C三个节点的坐标分别为（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），节点D相对于节点A、B、C的角度分别为：∠ADB，∠ADC，∠BDC，假设节点D的坐标为（x，y）。

对于节点A和C以及∠ADC，如果AC在△ABC内，则唯一能够确定一个圆，设圆心为O1（xo1，yo1），半径为r1，则α＝∠AO1C ＝（2π—2∠ADC），并存在如式（6．4）所示公式：图2 三角测量法示意图由式（6.4）就能够确定圆心O1的坐标和半径r1。

同理，可以确定相应的圆心和半径。

最后根据三边测量法，由点D（x，y），O1（xo1，yo2），O2（xo2，yo2），O3（xo3，yo3）确定D点的坐标。

（3）极大似然估计法极大似然估计法示意图如图3所示。

图3 极大似然估计示意图已知1，2，3，…等n个节点的坐标分别为（x1，y1），（x2，y2），…（xn，yn）。

它们到节点D的距离分别为d1，d2，…，dn，假设D的坐标为（x，y），则有从式（6．5）中第一个方程开始分别减去最后一个方程得到D点坐标。

2．定位算法的分类（1）基于距离定位和距离无关的定位算法根据是否需要测量实际节点间的距离将定位算法分为基于距离定位和与距离无关的定位算法。

前者需要测量相邻节点间的距离或方位，并利用实际测得距离来计算未知节蕉的位置。

后著毫利用节点间的估计距离来计算节点的位置。

利用标准的最小均方误差估计法，可以求得节点D的坐标为：（2）递增式定位算法和并发式定位算法根据节点定位先后次序不同，将定位算法分为递增式定位算法和并发式定位算法。

前者通常是从信标节点开始，先对信标节点附近的节点开始定位，依次向外扩展延伸，对各个节点逐次进行定位，这类算法的一个缺陷就是造成定位过程中测量误差的累积，从而影响定位精度。

后者是指所有节点同时进行位置的计算。

（3）基于信标节点定位和无信标节点辅助的定位算法根据定位过程中是否使用信标节点将定位算法分为基于信标节点的定位算法和无信标节点辅助的定位算法。

前者以信标节点作为定位中的参考点，各个节点定位后产生整体的绝对坐标系统。

后者只需知道节点之间的相对位置，定位过程中无须信标节点的参与辅助，各个节点先以自身作为参考点，然后将邻居节点纳入自己的坐标系统，相邻的坐标系统依次合并转换，最后产生整体的相对坐标系统，从而完成定位任务。

随着无线传感器网络应用和定位技术研究的深入，一些新的定位技术和方法也应运而生，如基于相对部署位置的定位方法、基于绝对的地理信息定位方法以及基于UWB超宽带技术的定位方法等。

加上无线传感器网络应用千差万别，没有普遍适应的定位方法和技术。

因此，必须根据不同的应用特点和环境状况，选择合适的定位算法和技术，才能满足用户特定的应用需求。

4、定位方法的性能评价标准4.1.电、物理性损伤等一系列问题都有可能直接引起系统失效，影响到定位精度或者直接使定位失效。

当问题出现时仅凭人工去替换、修理、维护终归不是最佳选择，也是十分难以实现的，这就要求定位系统和算法无论是在软件还是硬件上都要具备较强的容错性和自适应性，能够自动调整错误，适应各、自身定位精度定位精度是传感网络性能所有评价标准中的首要标准，定位精度通常体现在误差值和节点的无限射程比例[54]，例如，定位精度40%，则代表定位误差相当于节点无线射程的40%，此外二维网络部署区域也被划分为某些定位系统的网格，此类情况下的定位精度即是网格的大小。

4.2.规模大小定位系统在一定的环境范围内，在一定的算法复杂度下，能够定位的目标数量也是一个定位系统的非常关键的评价标准。

4.3.锚节点密度锚节点的定位通常要借助一些外界条件，例如人工部署或者GPS，但人工部署锚节点往往受到其环境的制约，而且导致网络和应用的扩展性也受到了较大的制约；而GPS定位又受到成本费用的制约，一般情况下，锚节点的部署费用要高于普通节点几个数量级，即使锚节点数非常少，整个网络的费用支出也是极大的。

4.4.节点密度类似于锚节点的密度问题，对于任何一个网络而言，节点密度同样受到网络部署费用的制约，不同于锚节点密度的是节点密度问题还将直接影响到节点与节点之间的通信问题，带宽是有限的，如果节点之间密度过大，带宽必将阻塞。

容错性及自适应性定位系统真实的工作环境和设计时候设定的理想环境是有很大差距的，定位系统及其算法都是需要理想的环境和可靠的节点设备作为前提的，但是真实应用中往往不具备那么理想的环境条件，例如衰减、通信盲点、多路径传播、电池没类不理想的环境，提高定位精度为首要考虑。

4.5.定位系统功耗对于一个好的无线传感器网络而言，功耗的设计好坏直接影响到系统的实现与否，节点电池能量往往是一定的，只有合理的控制定位所需的通信与储开销，合理的设计时间复杂度及计算量，功耗才能在有限的范围内去满足实现定位精度的要求。

4.6.系统实现的代价无线传感器网络定位系统的实现往往需要从三方面来综合权衡其代价，一是时间，包括系统的安装、配置、定位时间在内；二是空间，包括软件基础设施、节点数量和硬件尺寸等；三是费用，包括整个系统的各类设施及节点设备开销。

综上所述，无线传感器网络定位系统和算法评估标准是相互之间有联系的，在设计和实现的同时，必须要均衡考虑，选择最佳的参数，设计出最合理方案。

5、现代定位技术的应用5.1.卫星定位技术的应用全球定位系统的主要用途：(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。