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无线传感器网络非视距定位技术研究

贺远华  
【摘要】: 无线传感器网络是集传感器技术、微机电技术、现代网络与无线通信技术于一体的综合智能信息处理平台,具有广阔的应用前景,其发展和应用将会给人类生活和生产的各个领域带来深远的影响。由于传感器节点在部署时的不可控制性,网络中大多数节点位置不能事先确定,而无线传感器网络的大量应用都需要网络中节点的地理位置信息,从而获知信息来源的准确位置。 节点定位是无线传感器网络众多应用的基础,定位精度是其关键性能指标之一。尽管理论上使用测距技术能提高定位精度,但节点间的距离测量容易受多径、非视距传输、多址干扰等因素的影响。距离测量误差包含测量噪声和非视距误差两部分,其中非视距误差是位置估计的主要误差来源。节点精确定位面临的一个主要问题是信号的非视距传播。本文围绕无线传感器网络节点定位问题,致力于克服非视距环境下的定位误差及其在无线传感器网络定位过程中的传播累积,主要工作概括如下: 本文在分析非视距误差抑制技术的基础上,提出了一种新的残差加权定位算法。与典型的Rwgh定位算法相比,本算法没有计算全部可能的测量值组合,而是从每一步中选择残差最小的组合计算,不仅可以减少计算量,而且可避免大量较高残差的位置估计对定位精度的不利影响,另外本算法采用改进的LLS法计算节点的中间坐标,进一步提高定位精度。 针对残差加权算法需要至少四个以上的邻居锚节点,WLS算法只能通过经验公式修正NLOS误差问题,本文提出了一种基于距离几何的定位算法。算法将位置估计转化为约束优化问题,引入测量距离比例因子修正目标函数,利用距离几何定理和节点间的几何关系,构造距离误差优化约束函数,通过寻优来校正距离测量值,使其更加接近于视距环境下的测量值,达到抑制NLOS误差的目的。 大规模无线传感器网络中,为了降低成本,需减小锚节点比例,但会降低节点的定位覆盖率,将已定位的普通节点上升为锚节点,又会带来误差累积问题。为此,本文提出了一种新的大规模无线传感器网络分布式定位方法,该算法通过多跳距离测量,提高定位覆盖率,设置置信因子门限值,抑制误差的累积,采用组合三边测量获得坐标估计值集合,再加权平均的方法,提高定位精度并简化计算。 探讨了无线传感器网络在煤矿安全监测系统中的应用,其主要任务是数据的采集和传送。结合无线传感器网络的功能特点,设计了一种最小代价路由机制,满足无线传感器网络传播报警信息的可靠性与实时性及传播常规信息的能量有效性要求。另外,针对无线信号传输模型受环境的影响,提出了RSSI测距模型参数在线校正方法,从而提高矿井人员的定位精度。


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