基于无线传感器网络时钟同步的定位算法研究

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基于无线传感器网络时钟同步的定位算法研究

作者:陈辉熊辉殷昌盛魏浩

来源:《现代电子技术》2015年第07期

摘要:讨论了在无线传感器定位节点(文中称为锚节点)位置已知条件下,基于信号到达时间差(TDOA)的时间同步算法。根据所有传感器定位节点彼此之间周期性地广播信号,测量信号到达时间(TOA)来估计时间频率的偏移。当信源发送信号,由于传感器钟差造成的初始TDOA误差可以通过一系列补偿计算来减少误差。在一个加性高斯白噪声模型里,通过

卡尔曼滤波提高钟差和频差的估计精度。在此基础上改善标签节点的定位精度。

关键词:无线传感器网络;卡尔曼滤波;定位;到达时间差;到达时间;钟差估计

中图分类号: TN911?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2015)07?0023?05

0 引言

随着无线电技术的发展,人们在利用信息上已经不再满足于相互之间的通信和联络,对目标进行有效定位和跟踪,获取有用信息加以利用,成为人们更进一步的技术追求和现实需要。伴随着物联网的发展,无线传感器网络逐渐成为其概念应用的重要技术支撑。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”,实现对外部目标的定位和追踪[1],从而为人们获知事态,做出相应决策提供依据。诸多新近的定位技术,较为准确的定

位方法是基于传感器定位节点的测距方法。这些方法通常使用TOA、TOF或者TDOA进行定位。在基于TOA/TDOA的无线传感器网络定位中,都会根据各自系统需要获得相对准确的时间同步从而进行定位。

在诸多文献中无线传感器的时间同步方法有很多。其中引用较多的方法是参考广播同步算法(Reference Broadcast Synchronization)[2]、传感器时间同步协议(TPSN)[3]、泛洪时间同步协议(FTSP)[4]。另外,Noh等人提出基于双向消息交换数学评估时间同步方法的性能[5]。他们提到的方法被用来解决不同系统中存在的问题。但是,两个连续不断的TOA测量估计时间同步仍没有达到满意的效果。

本文使用一个补偿算法来补偿钟差以达到提高定位精度的目的。无线传感器网络中的锚节点彼此之间周期性地广播信号或者数据包。每个锚节点利用自身接收器的本地时钟将信号的TOA信息记录下来。骨干网络的服务器收集所有的时间戳来估计计算每对锚节点之间的频

差。采用卡尔曼滤波进一步提高钟差和频差的精确性。

1 模型建立

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