一种基于多普勒效应的拟牛顿室内定位算法

作者:张晓燕;孙婷婷;徐新民; 刊名:浙江大学学报(理学版) 上传者:上官力

【摘要】针对现有室内定位方法,根据目标节点在运动过程中与参考信标节点间产生的多普勒效应,得到一种距离差测量方法,避免了对目标节点与信标节点间时钟同步的要求.为实现此距离差定位,提出了一种基于拟牛顿法的室内定位算法.随机选取初始猜测值,得到一个测量点的距离差信息,由此迭代得到单个测量点坐标,再将所有测得的相对位置坐标进行整体迭代并调整初始位置,直到得到稳定的初始位置,实现定位.Matlab仿真结果表明,在信噪比SNR=10时,定位误差不超过0.5 m.同时,为提高定位速度和成功率,尝试用粒子群算法求初始猜测值,进一步提高算法的性能.

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0引言随着社会发展和科技进步,基于位置的信息服务备受关注,在物流监控、学生监护、老弱病残的追踪护理等中有大量需求,室内定位技术已成为关注和研究的热点.目前,常用的室内定位技术有结合网络基站信息和GPS信息的A-GPS技术[1]、超声波测距法、蓝牙定位[2]及射频识别技术[3]等.以上室内定位方法分2步实现,首先通过RSSI(receivedsignalstrengthindicator)、TOA(timeofarrival)或TDOA(timedifferenceofarrival)测得目标节点和信标节点之间的距离或距离差,然后通过三边定位、质心定位等方法计算目标节点的具体位置.但这些方法对室内环境及其稳定性或收发目标节点的时钟同步和精度要求较高.为降低对室内环境和时钟同步的要求,本文引入一种基于多普勒效应的定位系统模型.文献[4]所介绍的基于多普勒效应的定位方法,主要为运动观测站(信标节点)相对于固定辐射源(目标节点)的测量频差的定位法,对硬件要求严格.本模型利用目标节点在运动过程中与固定信标节点间的多普勒效应,测量运动过程中目标节点不同位置到同一节点的距离差并进行定位.该距离差测量值与目标节点在运动过程中的前后节点位置有关,因此无法再利用传统的三边定位等算法.本文将定位问题转化为最小值优化,采用拟牛顿算法(BFGS)求解.随机选取初始值后,基于测量值信息的累积多次迭代调整,得到稳定初始位置以实现较高精度的定位.同时,用粒子群算法进一步提高定位精度.实验和Matlab仿真证明该方法精度较高,是一种可以尝试的定位方法.1定位测距模型1.1测距原理多普勒效应是指发射源与观察者间有相对运动时,观察者接收到的波的频率与波源发出的频率不相等的现象.当观察者位置保持不变而发射源在运动时,两者的频率关系为f=vvovv()sf.(1)其中,f为观察到的频率;f为发射源于该介质的原始发射频率;v为波在该介质中的行进速度;vo为观察者的移动速度,若接近发射源则前方运算符号为‘+’,反之则为‘-’;vs为发射源移动速度,若接近观察者则前方运算符号为‘-’,反之则为‘+’.本文以目标节点为发射源,在运动过程中发射同频率的正弦波,则信标节点接收到的是频率改变的正弦波.假设目标节点在Pj位置发射了正弦波的第j个过零点(zero-crossing),此时刻为tT1,在Pj+1位置发射正弦波的第j+1个过零点,此时刻为tT2,而信标节点Ri(i=1,2,…,N,假设有N个信标节点)在tR1时刻接收目标节点发射的第j个过零点,在tR2时刻接收到第j+1个过零点,如图1所示,则位置Pj到信标节点i的距离为dij=vtR1(-tT)1;(2)位置Pj+1到信标节点i的距离为dij+1=vtR2(-tT)2.(3)式(2)-式(3)得:Dij,j+1=vtR2(-tR)1-t(T2-tT)[]1=图1目标节点和一个信标节点的信号发射接收时间显示Fig.1TransmitandreceivetimesofsignalsbetweenanobjectivenodeandabeaconnodevtR2(-tR)1[-T/2].(4)其中,Dij,j+1为目标节点在位置Pj+1与位置Pj到同一信标节点i的距离差,v为信号的传播速度,T为发射正弦波的周期.当目标节点在移动时,由于存在多普勒效应,接收信号频率不等于发射信号的频率,则tR2(-tR)1T/2,从而得到一系列测量值.由式(4)可知,该距离测量方法对发射机和接收机之间无时间同步要求,只需知道接收信号2个零点之间的时间差便可得到目标节

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