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strengthen无线传感器网络中TOF测距算法

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-01-28 16:45
tags:

strengthen-误解

2021年1月28日发(作者:plywood)


无线传感器网络中


TOF


测距算法



在无线传感器网络


(W ire less Sensor Network, WSN )


中节点


的准确定 位对传感器网络应用具有重要的意义。


根据定位过程中是否


测量 实际节点间的距离


,


可将定位算法划分为与距离无关的定位算法


和基于距离的定位算法。与距离无关的如质心算法


,

< p>
凸规划法,


DV


2Hop


算法


, APIT

< p>
算法等


,


其特点是定位简单


,


对节点硬件条件要求低


,


但定 位精度较差;基于距离的定位算法包括基于信号飞行时间时间


( TOF),


基于到达时间差


( TDOA ),


基于到达角度


(AOA )


,基于信号


接收强度


( RSS < /p>


的定位算法等等。通常来说


,


它们对节点 硬件要求较



,


能耗较大


,


但具有较高的定位精度。



基于测距的方法定位是利用锚节点和未知节点的几何关系来确


定未知节点的位置,


通过未知节点与三个或三个以上的锚节点距离信


息,再根据三边测量 法或最大似然估计法可以求得未知节点的位置。



所以其关键是 准确测量出未知节点与锚节点的距离


,


本文主要分析

< p>
TOF


的测距方法。



1


测距算法



基于信号飞行时间的测距算法有:到达时间法


( TOA



time of


arrival )


、双方式法


( TWR



tow way ranging )


、对称双边双方式



( SDS- TWR



symmetric double-sided two way ranging)


等。



1.1 TOA


算法



一对装有无线收发器的节点


A



B


可以通过电磁波信号从


A


传播到< /p>


B


所用的时间来估算。图


1


为到达时间法的信号传播示意图。设移动节



A


在双方约定的时刻发出测距信息,


节点


A< /p>


在发送的信号中包含一个


同步消息,


告知 节点


B


信号发送的时间


T0

< p>


节点


B


接受信号的同时 接收


同步消息,并记录接收时间


T1


, 则信号飞行时间


Tp=T1-T0


。设电磁波

< br>在大气中传播速度为


C( 3


离可以估算为



S=C


Tp


TOA


测距的关键是节点


A


与节点


B


时 间必须要严格同步。电磁波的速度



3


m/s


,如果双侧时钟误差为


1ns


, 测量距离误差即为


0.3m



),< /p>


飞行时间为


Tp,


节点

< br>A



B


的距

如果要求测距误差为


1m


,则允许双侧的时钟误差不超过< /p>


3ns


















A






Tp



1 TOA


测距原理图



B


考虑到当


A


到达


T0


时刻时,节点


A


将包含发送时刻


T0


的数据包调制到


信号波上的时间为


T


,时间


T


为一个可测常量 ,故实际信号飞行时间

























Tp



=T1-T0-T


实际距离



S=C

Tp





TOA


的误差主要来源于


A



B


节点时间不同步的误差和


B


节点晶振频率漂


移导致计时时间


T1

< br>不准的误差。


可以选择频率高稳定性高的晶振来减


小频率 漂移的误差,


但相对的能耗和费用就会增加。


下面分析频率漂< /p>


移带来的误差。


在节点


A,B

< p>
同步的条件下,


假设


B


的 精准时钟脉冲频率



f


,实际晶体因为 制造工艺,环境温度变化等因素影响下,频率漂


移为


f


,即实际频率为



=f+


f



f


为一个随时间变化的随机量。则实际测量的时间


=t(1+< /p>


)


由此可知由于频率漂移使得测量时间与实际时间的误差为< /p>


t





1.2 TWR


算法




2



TWR


法的信息交换示意图。节点


A


发出测距信息,同时启动


计时器计时


,


经过

Tp


后节点


B


收到信息,


但由于双侧时钟不同步,


节点


B


无法确认


Tp



节点


B


收到信息后立即启动计时,


若收到的是本方的 测


距命令后,则向节点


A


发出应答信息


(


信息中包含本方处理时间设为


T2)


,节点


A



( 2Tp+T2 )


时间后收到应答信息后终止本轮计时。一轮


测 距所以往返时间为


T1


T1=2Tp+T2


对于节点


B



T2

< p>
为可测常量,因此有飞行时间



Tp=



A






2



TWR


测距原理图










T1










B







T2







strengthen-误解


strengthen-误解


strengthen-误解


strengthen-误解


strengthen-误解


strengthen-误解


strengthen-误解


strengthen-误解



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