專利名稱：基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通信技術(shù)領(lǐng)域的定位方法，具體涉及一種基于差分全球定位 系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方法。
技術(shù)背景差分定位，也叫相對定位，是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點 之間的相對位置的方法。利用差分定位技術(shù)，可以完全消除衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤 差、SA政策等引起的誤差，部分消除電離層折射、對流層折射等引起的傳播延 遲誤差。目前采用的差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)， 由用戶站接收并對其測量結(jié)果進行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是， 發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。不論是哪種差分GPS技 術(shù)，都必須建立基準(zhǔn)站，并知道基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)，基準(zhǔn)站坐標(biāo)的精度直接決定 了用戶站的定位精度。在很多實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，基準(zhǔn)站的位置通常都是固定不 動的，如我國沿海的RBN-DGPS系統(tǒng)，通過布置20個發(fā)射差分GPS (全球定位系 統(tǒng))信號的信標(biāo)臺來幫助實現(xiàn)用戶站的高精度定位。這些都限制了差分GPS的應(yīng) 用范圍。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，張淑芬等在《大連海事大學(xué)學(xué)報》2002年 第8期上發(fā)表的"位置差分GPS定位系統(tǒng)"，該文中提出基于固定基站的位置差 分GPS定位系統(tǒng)，用戶站將自身的位置(經(jīng)緯度)發(fā)送給基站，基站根據(jù)已知的 精確位置和實際定位位置對用戶站位置進行修正，從而提高用戶站的定位精度。 其不足在于基準(zhǔn)站位置固定不能移動，并且需要已知基準(zhǔn)站的精確位置。但是在很多實際應(yīng)用中，并不具備上述差分定位方法的應(yīng)用條件。如自主移 動機器人定位、智能雷場戰(zhàn)術(shù)防御系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測傳感器等。在這些應(yīng)用中，工 作節(jié)點隨機的分布在給定的環(huán)境區(qū)域內(nèi)，節(jié)點可以通過GPS進行定位，但是無法 獲得節(jié)點的精確坐標(biāo)。而且節(jié)點還可能移動，無法固定某些節(jié)點作為基準(zhǔn)站，上 述的差分定位方法不再適用。此時，如果直接采用單點GPS進行定位，則節(jié)點間的位置誤差太大，不利于節(jié)點間相互協(xié)調(diào)工作。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于差分GPS原理的無線節(jié)點相對定 位方法。本發(fā)明采用一種用于分布式節(jié)點相對定位的方法，結(jié)合位置差分定位的 原理，在沒有固定基準(zhǔn)站或者不能得到基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)情況下，各節(jié)點借助GPS 模塊和無線通信鏈路，實現(xiàn)節(jié)點之間相對位置的精確確定。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，本發(fā)明相對定位方法中，所有節(jié)點都與 GPS模塊進行授時同步以后，開始定位競爭，由定位競爭成功的節(jié)點通過無線鏈 路發(fā)出定位請求；其他節(jié)點收到定位請求以后進入定位響應(yīng)狀態(tài)；當(dāng)?shù)竭_(dá)定位請 求指定的定位時刻時，所有節(jié)點開始采樣各自的GPS模塊輸出，處于定位響應(yīng)狀 態(tài)的節(jié)點用定位數(shù)據(jù)和節(jié)點信息構(gòu)成定位響應(yīng)，通過無線鏈路返回給發(fā)起定位請 求的節(jié)點；收到定位響應(yīng)的節(jié)點，對定位數(shù)據(jù)進行處理，如果滿足定位計算條件， 則計算出節(jié)點間的相對位置，并將計算結(jié)果無線發(fā)送給發(fā)出該定位響應(yīng)的節(jié)點， 否則，丟棄該定位響應(yīng)。本發(fā)明方法包括如下步驟步驟一在節(jié)點進行相互定位之前，所有節(jié)點都通過GPS模塊進行授時同步， 并且每隔指定時間進行一次授時同步操作，保證所有節(jié)點都具有相同的時間基 準(zhǔn)。步驟二網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點通過定位競爭來選擇發(fā)起定位請求的節(jié)點。如果節(jié) 點定位競爭成功，則可以通過無線鏈路在網(wǎng)絡(luò)中向其鄰居節(jié)點廣播定位請求，在 定位請求報文中包含指定的定位時間。其他定位競爭失敗的節(jié)點則進入延時等待 狀態(tài)，準(zhǔn)備接收定位請求。如果在指定的等待時間內(nèi)沒有收到定位請求，則再次 進入定位競爭狀態(tài)。步驟三節(jié)點接收到定位請求以后，根據(jù)指定的定位時間設(shè)置本地實時時鐘 中斷時間常數(shù)，并進入定位響應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的時刻時，所有節(jié)點都同時開 始采樣GPS模塊的輸出，記錄采樣數(shù)據(jù)。接收到定位請求的節(jié)點在采樣完成之后， 通過無線鏈路向發(fā)起定位請求的節(jié)點單播發(fā)送定位響應(yīng)，定位響應(yīng)包含節(jié)點信息 和采樣數(shù)據(jù)。步驟四發(fā)起定位請求的節(jié)點收到其他節(jié)點返回的定位響應(yīng)以后，從中提取出相應(yīng)節(jié)點的采樣數(shù)據(jù)，并與本節(jié)點的采樣數(shù)據(jù)進行比較。判斷收到的采樣時間 是否與本節(jié)點的采樣時間相同，并且判斷參與定位的衛(wèi)星編號與本節(jié)點定位采用 的衛(wèi)星編號是否一致。在以上條件都滿足的情況下，利用接收到的該節(jié)點的位置 數(shù)據(jù)和本節(jié)點的位置數(shù)據(jù)計算兩節(jié)點之間的相對位置。以上有一個條件不滿足則 丟棄該組采樣數(shù)據(jù)。步驟五發(fā)起定位請求的節(jié)點計算出與某個節(jié)點的相對位置以后，將相對位 置數(shù)據(jù)發(fā)送給該節(jié)點；節(jié)點收到相對位置數(shù)據(jù)以后轉(zhuǎn)換成相對于本節(jié)點的相對位 置數(shù)據(jù)，并記錄保存。步驟六節(jié)點査看是否所有鄰居節(jié)點的相對位置都已經(jīng)得到，如果不是則轉(zhuǎn) 步驟二；否則，定位結(jié)束。本發(fā)明步驟一所述授時同步過程，是指通過從GPS模塊獲取當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)時間來初始化節(jié)點的實時時鐘(RTC Timer),只有在授時同步成功以后才能繼續(xù)后面 的定位過程。本發(fā)明步驟二所述通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的定位競爭來選擇發(fā)起定位請求的 節(jié)點，是指節(jié)點經(jīng)過一段隨機等待以后開始嘗試發(fā)送定位請求，如果在發(fā)送定位 請求之前，收到其他節(jié)點的定位請求，則該節(jié)點就不能發(fā)起定位請求，而進入響 應(yīng)定位請求的狀態(tài)。必須等到此次定位過程結(jié)束以后，通過執(zhí)行步驟六檢査如果 已經(jīng)獲得所有鄰居節(jié)點的相對位置，如果是則停止定位請求競爭，否則開始新一 輪的定位請求競爭。本發(fā)明步驟二所述指定的定位時間是指在當(dāng)前時刻之后的某一時刻，該時刻 的確定需要考慮無線通信狀態(tài)和節(jié)點控制模塊的處理能力，要保證在該時刻之前 所有需要定位的節(jié)點都通過無線鏈路接收到定位請求、處理該請求，并已經(jīng)開啟 實時時鐘中斷。本發(fā)明步驟三所述的采樣GPS模塊輸出的過程中，每隔固定的時間讀取并記 錄GPS模塊的輸出，連續(xù)采樣多次，這些采樣數(shù)據(jù)和節(jié)點信息一起構(gòu)成本節(jié)點的 定位響應(yīng)。所述的采樣數(shù)據(jù)包括采樣時間、衛(wèi)星編號和位置數(shù)據(jù)。本發(fā)明步驟四所述的相對位置，是指該節(jié)點相對于本節(jié)點的地面距離和方向 角，該方向角是以指向地球北極的正北方向為基準(zhǔn)的順時針方向旋轉(zhuǎn)的角度。本發(fā)明步驟五所述收到相對位置數(shù)據(jù)的節(jié)點將位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對于本節(jié)點的相對位置的方法是距離不變，方位角減去180度。所述GPS模塊，用于接收GPS導(dǎo)航電文，解算本節(jié)點的位置坐標(biāo)和獲取基準(zhǔn)時間。所述節(jié)點控制模塊，用于控制節(jié)點的運行，協(xié)調(diào)各模塊的功能和實現(xiàn)定位流 程，完成節(jié)點間的相對定位。通過本發(fā)明的以上操作，定時采樣保證各節(jié)點獲得在同一時刻下的GPS數(shù) 據(jù)，在節(jié)點距離不遠(yuǎn)的情況下，節(jié)點所跟蹤到的衛(wèi)星都是一樣的，這樣計算相對 位置所采用的位置數(shù)據(jù)具有相同的時間和相同的衛(wèi)星。根據(jù)差分GPS的原理，本 方法可以有效抵消系統(tǒng)誤差的影響，提高節(jié)點間相對位置的定位精度。綜上所述，本發(fā)明的核心思想是提供一種基于差分GPS的相對定位方法，具有以下優(yōu)點1、不需要固定基站，節(jié)點之間通過無線通信進行定位協(xié)調(diào)，使進行相對定位的節(jié)點在同一時刻用相同的衛(wèi)星來計算各自位置坐標(biāo)，然后利用這些滿足同時同星條件的位置坐標(biāo)進行相對位置計算，可以提高相對位置精度。2、 節(jié)點可以移動，本發(fā)明提出的方法采用請求-響應(yīng)的方式進行相對定位，因此節(jié) 點在移動以后只要重新發(fā)起定位請求，就可以重新進行節(jié)點間的相對定位，可以 滿足節(jié)點移動情況下的定位要求。


圖1為多節(jié)點相對定位的節(jié)點交互流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。本發(fā)明具體實現(xiàn)過程，可以如圖1所示的相對定位過程中的節(jié)點間交互流程圖，步驟如下步驟一在節(jié)點進行相互定位之前，所有節(jié)點都通過GPS模塊進行授時同步， 并且每隔指定時間進行一次授時同步操作，保證所有節(jié)點都具有相同的時間基 準(zhǔn)。步驟二網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點通過定位競爭來選擇發(fā)起定位請求的節(jié)點。如果節(jié) 點定位競爭成功，則可以通過無線鏈路在網(wǎng)絡(luò)中向其鄰居節(jié)點廣播定位請求，在定位請求報文中包含指定的定位時間。其他定位競爭失敗的節(jié)點則進入延時等待 狀態(tài)，準(zhǔn)備接收定位請求。如果在指定的等待時間內(nèi)沒有收到定位請求，則再次 進入定位競爭狀態(tài)。步驟三節(jié)點接收到定位請求以后，根據(jù)指定的定位時間設(shè)置本地實時時鐘 中斷時間常數(shù)，并進入定位響應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的時刻時，所有節(jié)點都同時開 始采樣GPS模塊的輸出，記錄采樣數(shù)據(jù)。接收到定位請求的節(jié)點在采樣完成之后， 通過無線鏈路向發(fā)起定位請求的節(jié)點單播發(fā)送定位響應(yīng)，定位響應(yīng)包含節(jié)點信息 和采樣數(shù)據(jù)。步驟四發(fā)起定位請求的節(jié)點收到其他節(jié)點返回的定位響應(yīng)以后，從中提取 出相應(yīng)節(jié)點的采樣數(shù)據(jù)，并與本節(jié)點的采樣數(shù)據(jù)進行比較。判斷收到的采樣時間 是否與本節(jié)點的采樣時間相同，并且判斷參與定位的衛(wèi)星編號與本節(jié)點定位采用的衛(wèi)星編號是否一致。在以上條件都滿足的情況下，利用接收到的該節(jié)點的位置 數(shù)據(jù)和本節(jié)點的位置數(shù)據(jù)計算兩節(jié)點之間的相對位置。以上有一個條件不滿足則丟棄該組采樣數(shù)據(jù)。步驟五發(fā)起定位請求的節(jié)點計算出與某個節(jié)點的相對位置以后，將相對位 置數(shù)據(jù)發(fā)送給該節(jié)點；節(jié)點收到相對位置數(shù)據(jù)以后轉(zhuǎn)換成相對于本節(jié)點的相對位 置數(shù)據(jù)，并記錄保存。步驟六節(jié)點查看是否所有鄰居節(jié)點的相對位置都已經(jīng)得到，如果不是則轉(zhuǎn) 步驟二；否則，定位結(jié)束。如圖1所示，本發(fā)明實施例中，三個節(jié)點(節(jié)點A、節(jié)點B和節(jié)點C)進行 相互定位，各節(jié)點完成授時同步以后，開始定位競爭。圖中假設(shè)節(jié)點A競爭成功，向鄰居節(jié)點廣播定位請求，節(jié)點B和C接收到定位請求以后進入定位響應(yīng)狀態(tài)。 當(dāng)所有節(jié)點都到達(dá)指定的定位時刻時，開始采樣GPS模塊，節(jié)點B和節(jié)點C將各 自的定位響應(yīng)返回給節(jié)點A，節(jié)點A對收到的定位響應(yīng)作處理并比較采樣數(shù)據(jù)， 如果滿足相對定位的條件則計算相對位置，計算完之后將位置數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點B 和節(jié)點C。節(jié)點B和節(jié)點C在發(fā)出定位響應(yīng)以后則開始等待節(jié)的A的位置數(shù)據(jù)， 收到位置數(shù)據(jù)以后，則保存數(shù)據(jù)， 一次定位結(jié)束。在實際的實施過程中每個節(jié)點由三部分硬件構(gòu)成GPS模塊、無線通信模塊 和節(jié)點控制模塊。GPS模塊用于接收GPS導(dǎo)航電文，解算本節(jié)點的位置坐標(biāo)和獲取基準(zhǔn)時間；無線通信模塊用于節(jié)點之間的無線數(shù)據(jù)傳輸；節(jié)點控制模塊用于控制節(jié)點的運行，協(xié)調(diào)各模塊的功能和實現(xiàn)定位流程，完成節(jié)點間的相對定位。 本實施例中，GPS模塊采用GARMIN公司的GPS15系列GPS模塊。 本實施例中，無線通信模塊采用TI公司的支持IEEE 802. 15. 4協(xié)議的RF芯片CC2420構(gòu)建，輸出信號經(jīng)過功率放大電路以后其有效傳輸距離最多可以達(dá)到500米。本實施例中，節(jié)點控制模塊采用飛利浦公司ARM7系列LPC2138單片機平臺， 并通過^C/0S-I1實時嵌入式操作系統(tǒng)進行任務(wù)管理和調(diào)度，可以增強系統(tǒng)的執(zhí) 行效率，保證操作的實時性。節(jié)點控制模塊分別通過串口和SPI接口與GPS模塊 和無線通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。在實際的測試中，采用5個節(jié)點組成無線網(wǎng)絡(luò)，進行相互定位試驗，節(jié)點兩 兩之間的相對位置距離誤差小于土l米，角度誤差小于士1.5口并且節(jié)點間距越 大，相對位置的誤差越小。
權(quán)利要求
1、一種基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方法，其特征在于，所有節(jié)點都與GPS模塊進行授時同步以后，開始定位競爭，由定位競爭成功的節(jié)點通過無線鏈路發(fā)出定位請求，其他節(jié)點收到定位請求以后進入定位響應(yīng)狀態(tài)；當(dāng)?shù)竭_(dá)定位請求指定的定位時刻時，所有節(jié)點開始采樣各自的GPS模塊輸出，處于定位響應(yīng)狀態(tài)的節(jié)點用定位數(shù)據(jù)和節(jié)點信息構(gòu)成定位響應(yīng)，通過無線鏈路返回給發(fā)起定位請求的節(jié)點；收到定位響應(yīng)的節(jié)點，對定位數(shù)據(jù)進行處理，如果滿足定位計算條件，則計算出節(jié)點間的相對位置，并將計算結(jié)果無線發(fā)送給發(fā)出該定位響應(yīng)的節(jié)點，否則，丟棄該定位響應(yīng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方法， 其特征是，包括如下步驟步驟一在節(jié)點進行相互定位之前，所有節(jié)點都通過GPS模塊進行授時同步， 并且每隔指定時間進行一次授時同步操作；步驟二網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點通過定位競爭來選擇發(fā)起定位請求的節(jié)點，如果節(jié) 點定位競爭成功，則通過無線鏈路在網(wǎng)絡(luò)中向其鄰居節(jié)點廣播定位請求，在定位 請求報文中包含指定的定位時間，其他定位競爭失敗的節(jié)點則進入延時等待狀 態(tài)，準(zhǔn)備接收定位請求，如果在指定的等待時間內(nèi)沒有收到定位請求，則再次進 入定位競爭狀態(tài)；步驟三節(jié)點接收到定位請求以后，根據(jù)指定的定位時間設(shè)置本地實時時鐘中斷時間常數(shù)，并進入定位響應(yīng)狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)定位時間指定的時刻時，所有節(jié)點都同時開始采樣GPS模塊的輸出，記錄采樣數(shù)據(jù)，接收到定位請求的節(jié)點在采樣 完成之后，通過無線鏈路向發(fā)起定位請求的節(jié)點單播發(fā)送定位響應(yīng)，定位響應(yīng)包 含節(jié)點信息和采樣數(shù)據(jù)；步驟四發(fā)起定位請求的節(jié)點收到其他節(jié)點返回的定位響應(yīng)以后，從中提取出相應(yīng)節(jié)點的采樣數(shù)據(jù)，并與本節(jié)點的采樣數(shù)據(jù)進行比較，如果滿足給定的定位 計算條件，則利用接收到的該節(jié)點的位置數(shù)據(jù)和本節(jié)點的位置數(shù)據(jù)計算兩節(jié)點之間的相對位置，如果不滿足給定的定位計算條件則丟棄該組采樣數(shù)據(jù)；步驟五發(fā)起定位請求的節(jié)點計算出與某個節(jié)點的相對位置以后，將該相對位置數(shù)據(jù)發(fā)送給該節(jié)點，節(jié)點收到相對位置數(shù)據(jù)以后轉(zhuǎn)換成相對于本節(jié)點的相對 位置數(shù)據(jù)，并記錄保存；步驟六節(jié)點査看是否所有鄰居節(jié)點的相對位置都已經(jīng)得到，如果不是則轉(zhuǎn) 步驟二，否則，本節(jié)點定位結(jié)束。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方法， 其特征是，步驟二中，指定的定位時間是指在當(dāng)前時刻之后的未來某一時刻。
4. 如權(quán)利要求2所述的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方法， 其特征是，步驟三中，所述的采樣GPS模塊輸出的過程中，按照固定的時間間隔 讀取并記錄GPS模塊的輸出，連續(xù)采樣多次，將這些多次采樣的采樣數(shù)據(jù)和節(jié)點 信息一起構(gòu)成本節(jié)點的定位響應(yīng)。
5. 如權(quán)利要求2或4所述的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方 法，其特征是，步驟三中，所述的采樣數(shù)據(jù)包括采樣時間、衛(wèi)星編號和位置數(shù) 據(jù)。
6. 如權(quán)利要求2所述的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方法， 其特征是，步驟四中，所述的給定的定位計算條件是指采樣數(shù)據(jù)的采樣時間和 衛(wèi)星編號分別與本節(jié)點采樣數(shù)據(jù)的采樣時間和衛(wèi)星編號相同。
7. 如權(quán)利要求2或6所述的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方 法，其特征是，步驟四中，所述的相對位置，是指該節(jié)點相對于本節(jié)點的地面距 離和方向角，該方向角是以指向地球北極的正北方向為基準(zhǔn)的順時針方向旋轉(zhuǎn)的 角度。
8. 如權(quán)利要求2所述的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方法， 其特征是，步驟五中，所述收到相對位置數(shù)據(jù)的節(jié)點將位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對于本 節(jié)點的相對位置的方法是距離不變，方位角減去180度。
9. 如權(quán)利要求1或2所述的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方 法，其特征是，所述GPS模塊，用于接收GPS導(dǎo)航電文，解算本節(jié)點的位置坐標(biāo) 和獲取基準(zhǔn)時間。
10. 如權(quán)利要求1或2所述的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方 法，其特征是，所述節(jié)點控制模塊，用于控制節(jié)點的運行，協(xié)調(diào)各模塊的功能和 實現(xiàn)定位流程，完成節(jié)點間的相對定位。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域的基于差分全球定位系統(tǒng)的無線節(jié)點相對定位方法，節(jié)點與GPS模塊進行授時同步以后，開始定位競爭，由定位競爭成功的節(jié)點發(fā)出定位請求，其他節(jié)點收到定位請求以后進入定位響應(yīng)狀態(tài)；當(dāng)?shù)竭_(dá)定位請求指定的定位時刻時，節(jié)點開始采樣GPS模塊輸出，處于定位響應(yīng)狀態(tài)的節(jié)點用定位數(shù)據(jù)和節(jié)點信息構(gòu)成定位響應(yīng)，返回給發(fā)起定位請求的節(jié)點；收到定位響應(yīng)的節(jié)點，對定位數(shù)據(jù)進行處理，如果滿足定位計算條件，則計算出節(jié)點間的相對位置，并將計算結(jié)果無線發(fā)送給發(fā)出該定位響應(yīng)的節(jié)點，否則，丟棄該定位響應(yīng)。本發(fā)明在沒有固定基準(zhǔn)站、基準(zhǔn)站位置不能精確確定或者基準(zhǔn)站移動的情況下，獲得較高的相對位置定位精度。
文檔編號G01S19/42GK101231336SQ20081003399
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者兵 雙, 李振波, 陳佳品 申請人:上海交通大學(xué)