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井下人员定位系统中几种主要定位算法的技术比较
[ 录入者:admin | 时间:2015-08-27 16:52:45 | 作者: | 来源:网络 | 浏览:913次 ]

在无线网络的众多应用中,节点的位置信息对传感器网络的监测活动至关重要,无线网络节点定位技术的目的就是给出各传感器节点在平面和空间中的位置信息。现有的无线网络中节点定位机制分为基于测距技术(Range-based)和无需测距技术(Range-free)两大类,前者需要测量邻近节点间的绝对距离,通过利用节点之间的实际距离,计算位置节点的位置;后者不需要测量邻近节点间的绝对距离,而是利用节点间的估计距离计算节点位置。
常用的基于测距技术定位算法主要包括接收信号强度RSSI(ReceivedSignal StrengthIndication),到达角度AOA(AngleofArrival),到达时间TOA(Time of Arrival),到达时间差TDOA(TimeDifferenceofArrival)等,利用这四种方法可计算出未知节点和参考节点之间的相对距离。
(1)RSSI测量方法
接收信号强度RSSI己知信源节点发射无线信号的信号强度值,利用理论或经验的无线信号传播模型计算无线信号在传播过程中的损耗,将无线信号的RSSI值损耗转化为未知节点和信源节点间的距离,该定位算法定位精度相对较高,而且RSSI定位不需要额外硬件支持,可以大大减小硬件开销。在无线传感器网络中通过3个信标节点RSSI信息结合三边测量法可以确定未知节点的空间位置。RSSI测距技术的统计模型如以下公式:

其中P(d)代表距离d处的信号强度,n为路径损耗因子,取值范围一般在2到4之间,P0是在参考距离d0处信号强度值(dBm),一般d0取1米。因此,通过在未知节点测量无线信号的RSSI值,利用损耗模型公式即可计算出信标节点与未知节点之间的距离。
(2)AOA测量方法
到达角度AOA测量方法中信源节点向未知节点发送无线信号,未知节点通过天线阵列或接收器获得节点发射的信号到达的方向,计算出信源节点与未知节点之间的角度。AOA测量方法如下图所示,未知节点A接受到信源节点B、C发射的无线信号,测量出节点A与B,A与C之间的角度后,即可确定其自身所在位置。只需要两个基站即可确定被测目标的位置,计算出未知节点和信源发射节点之间的角度,结合三角测量法计算出节点的位置。AOA测量方法环境适应能力比较差,容易受到外界环境如噪声,非视距等问题的影响,同时为了提高测量无线信号的到达角度的精确性,基站需要配备高精度的智能天线阵列,设备复杂,成本很高,并且随着未知节点与基站距离的增加,定位精度也会相应的降低,而且要求节点之间必须为视距传输,因此很大程度地限制了该测量法在无线定位网络中的应用。

(3)TOA测量方法
到达时间TOA测量方法,在两个节点时间同步的前提下未知节点发送无线信号,并发送一个同步消息告知接收节点信号发送的时间,接收节点接收无线信号的同时接收同步消息,并记录接收无线信号的时间,无线信号的传播速度已知,与无线信号的传播时间相乘就可以得到未知节点和接受节点之间的距离。GPS(GlobalPositionSystem)全球定位系统使用该测量法,该系统需要精确的同步卫星时钟。该方法对硬件要求较高,而且需要时间同步,但是在无线传感器网络中,节点之间的距离小,传感器节点的硬件和功耗的要求较高,因此大大限制了该方法在无线传感器定位网络中的应用。
(4)TDOA测量方法
到达时间差TDOA根据未知节点发送的无线信号到达不同接受节点的时间差,根据无线信号的传播速度可以计算出未知节点与各个接受节点之间的距离,或是未知节点发送两种不同的信号到达接受节点,根据两种信号不同的速度计算出未知节点的位置。如下图所示,TDOA测量方法由未知节点与两个不同的接受节点之间的时间差值,通过建立以两个接受节点位置为焦点的双曲线方程,未知节点就在这双曲线的一个分支上。若有三个以上的接受节点就可以通过求解双曲线的焦点求出未知节点的位置。TDOA测量法利用多个接收节点来确定未知节点的位置,故不需要向TOA那样严格的时间同步,但是仍需要接受节点有精确的时间同步,定位精度很高,但是带宽消耗大,因此不适合在井下的无线通信网络中应用。

每种定位技术都有其优点和缺点,我们针对地下矿山的实地情况和系统的可实施性来选择一个最适合的定位算法。在井下定位监控系统中最重要的功能是可以实时显示人员的位置分布,发生事故时,通过定位系统锁定井下人员的具体位置,实施救援工作,减少人员伤亡。所以,优先选择可以提供精确定位的定位算法。与距离无关的定位算法对网络的连通性要求很高,但是在矿井下岩层,矿体分布不同,各种设备分布不均,井下巷道错综复杂很难实现网络的连通性,而且由于事故造成网络断开将大大地影响定位效果,故该算法不是适合用于井下
定位,主要用于户外的无线网络定位。综合考虑本系统选用基于距离的定位算法,该算法定位准确而且不需要太多的节点和网络的连通性。基于距离的定位算法有接收信号强度RSSI方法、到达角度AOA方法、到达时间TOA方法、到达时间差TDOA四种方法。

四种定位算法的优缺点如表所示:


从上表可以看出,TOA方法和TDOA方法对时间同步要求非常高,尤其是TOA算法,TOA方法是根据无线信号传播时间来计算距离的,理论上这两种算法能取得很好的定位精度,但必须保持未知节点和信标节点的时间同步,误差必须控制纳秒级别,如果产生1微妙的误差会导致将近300m的定位误差,大大地降低了定位精度。因此TOA方法对硬件的要求非常高,提高了产品实际应用的难度,使硬件维护和设计成本无形中增大,不适合应用于井下无线定位。
AOA方法很容易受到外界环境如噪声、非视距和多径等的影响,且AOA需要额外的硬件支持,需要安装天线阵列,硬件开销大,并要求视距传输,故AOA方法同样不适合在井下无线定位中应用。
RSSI算法是根据信号衰减的模型接收节点接收信号的场强值和未知节点发射信号的场强值来计算距离,在ZigBee网络和WIFI网络中应用广泛,一般通过3个节点信号强度值就可以确定未知的位置,尽管由于井下存在多径效应难确定一个准确的衰落模型,但是可以通过其他技术改善其产生的误差,该方法无需额外的硬件支持,实现简单,定位精度较高,是一种功耗低,廉价的定位技术。

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