水声定位算法学习总结培训课件

定位算法学习总结

一、无线传感器定位技术分类

目前定位技术广泛地应用到各个领域，而且出现了很多定位算法，常用的定位方法有：到达角（Angel of Arrival，AOA）定位、到达时间（Time of Arrival，TOA）定位、到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位以及AOA ／TOA、AOA／TDOA等混合定位的方法。选择哪种定位方法要根据定位精度、硬件条件等因素来确定，但是最终目的是要用优化的方法得到满意的定位精度。在没有时间同步信号时，往往采用TDOA定位方法，TDOA定位法可消除对移动台时间基准的依赖性，因而可以降低成本并仍然保证较高的定位精度，但是需要有较好的延时估计方法，才能保证较高的时延估计精度。

（1）基于测距的定位技术

基于测距的定位方法依靠测量相邻节点之间的距离或者方向信息。现在有很多成熟的算法被用于基于测距的定位。例如TOA算法通过信号传播时间获取距离，TDOA算法利用接收从多个节点发出信号的时间差估测位置，而AOA算法则通过为每个节点设置天线阵列来测量节点间的相对方向角度值。

（2）无需测距的定位技术

无需测距的定位方法不要求距离信息，只依靠有关待定位传感器与种子节点之间连通性的测量数据。这种定位方法对硬件要求低，但是测量的准确度容易被节点的密度和网络条件所影响，因此不能被对精度要求高的基于WSN的应用采用。

二、三边定位和多变定位

（1）信号强度（RSS，Received Signal Strength）

通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离，无线信道的数学模型

。尽管这种方法易于实施，但却面临很多挑战。

首先信道由于受到信道噪声、多径衰减（Multi-path Fading）和非视距阻挡（Non-of- Sight Blockage）的影响[1]，具有时变特性，严重偏离上诉模型；其次衰减率会随外界环境的不同而发生相应改变。根据接收到的信号估计出的距离d将有很大误差。

（2）信号传播时间/时间差往返时间（TOA/TDOA/RTOF）

a)到达时间（TOA，Time Of Arrival）

使用发射机到接收机之间往返的时间来计算收发机之间的距离，要求发射机和接收机严格时间同步。

b)往返传播时间（RTOF，Roundtrip-Time-Of-Flight）

发射机和接收机可属于不同的时钟域，基于信号传播时间的测距精度由时间差的测量精度决定。时间差的精度由参考时钟决定。

c)到达时间差（TDOA,Time Difference Of Arrival）

使用两种不同传播速度的信号，向同一个方向发送即可。

图1 示意图

（3）接收信号相位差（PDOA,phase difference of Arrival）

通过测量相位差，求出信号往返的传播时间[2]，计算出往返距离

，其中，是信号频率，是信号的波长，是发送信号和反射信号的相位差，由上式可知d的范围是[0，]。不同的距离如果相差倍，

则测量获得的相位相同。通过相位差的方式测量距离，需要知道距离d范围，才能够确定出n的值，估算出距离。

（4）近场电磁测距（NFER，Near Field EM Ranging）

利用近场与磁场的相位差来测量距离，射频信号包括电场和磁场两部分。例如，当目标距离接近发射天线时相位相差90o；在距离相差1/2波长时，相位差接近0。由此可以通过电场与磁场的相位差，估计到天线的距离。近场电磁测距方法的测距范围在0.05之间，最佳测量范围0.08之间。该方法由于距离限制，现有的定位系统很少采用。

三、TDOA算法研究

1.

算法种类RSS TOA RTOF TDOA PDOA NFER

条件需求信号衰减

量发射和接

收机之间

的往返时

间

往返传播

时间

目标发射

信号到达

各个节点

的时间差

接收信号

相位差

相位差与

距离的准

确关系

优点易于实

施，对硬

件要求较

低发射机和

接收机可

属于不同

的时钟域

对待测节

点没有时

间同步要

求

缺点算法模型

受环境影

响大，精

度较低要求发射

机和接收

机严格时

间同步

使用射频

信号时要

求高精度

时钟

需要首先

知道往返

距离范围

对测量距

离有限制

2.

(1)对目标时间基准无依赖性

选用TDOA算法对待测节点没有时间同步要求。在无线传感器网络中，实现节点之间的时间同步较为困难。而且考虑在实际应用中，一般情况下，我们无法获取待测目标的准确时间信息。

TDOA算法只需获取目标发射信号到达各个节点的时间差。根据一个时间差信息即可将目标定位在一个双曲面上（如图3所示），那么假如有三个时间差信息，则三个双曲面可交与一点，这一点即为目标位置。由此消除了对目标时间基准的依赖性[3]，应用场合得以拓展。

图3 TDOA双曲面模型

(2)适合水下环境要求

对于水声定位系统，如果采用电磁波传递信息，则在水下将很快衰减。因此只能够使用声波进行通信。由上述分析可知，TDOA算法必须依靠高精度的参考时钟来保证其精确度。对于低成本、低带宽、无参考时钟的无线传感器网络来说，获得高精度的时钟本身就是一个挑战。如果用射频信号进行测距，的时钟精度就有300m的误差。但使用超声波等低传播速率信号进行测距时，1ms的时钟精度便可达到30cm的精度。可见，用超声波信号实现的TDOA算法不仅可满足水下环境的要求，而且能保证足够的定位精度。

3.TDOA算法分析

在对目标信源进行定位时，因为无法获得时间同步信号而没有时间基准，常采用TDOA技术得到时延估计值，进而得到目标信源到两个基站之间的距离差，多个TDOA测量值就可以构成一组关于目标信源位置的双曲线方程组，求解该方程组就可以得到目标信源的估计位置[4]。

图4 TDOA算法模型

设目标节点的坐标E为E=(x,y,z)，其余N+1个已知位置的节点为P

0, P

1

, ...,

P m , ..., P

N

，它们的坐标分别为P

m

= (x

m

, y

m

, z

m

)，0 ≤ m ≤ N。