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1. WSN定位概述-定位的应用领 域 ① 导航：了解移动物体在坐标系中的位置，
指导移动物体成功到达目的地的工作
② 跟踪：系统实时地了解物体所处位置和移 动的轨迹
③ 网络路由：优化的路由可以提高系统性能、 安全性，节省宝贵的电能
④ 基于位置的服务（LBS, Location Based Service） ：新的增值服务、应用广泛
• 首先求解O1以及O2、O3坐标，然后转换为三边测量法
A (x1, y1) r1
M (x0, y0)
O1(xo1, yo1)
B(x2, y2)
C (x3, y3)
(xo1 x1)2 ( yo1 y1)2 r1 (xo1 x3 )2 ( yo1 y3 )2 r1
(x1 x3 )2 ( y1 y3 )2 2r12 (1 cos )
无线传感器网络支撑技术
• 定位 • 时间同步 • 数据融合
内容提要
1. WSN定位概述 2. 基于测距（range-based）的定位技术 3. 无需测距（range-free）的定位技术 4. 典型定位系统 5. 展望
1. WSN定位概述
① 什么是定位？ ② 定位的应用领域 ③ 定位的技术指标 ④ 定位系统的设计要点 ⑤ 定位服务的标准化
1. WSN定位概述-定位的技术指 ① 最重要的指标，标指定(1位)系统提供的位置信息
的精度。
✓ 绝对精度指以长度为单位度量的精度。
✓ 相对精度，通常以节点之间距离的百分比来定义。
② 覆盖范围是另一个重要指标，它和定位精度 是一对矛盾。
超声波 Wi-Fi和蓝牙 GSM系统
精度 分米级 3米 100米
AO1C的角度 (2 2AMC)
r1: 基于A、M、C三点的外接圆的半径
O1:基于A、M、C三点的外接圆的圆心
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极大似然估计法
• 已知1、2、3等n个节点的坐标，及它们到节 点D到距离，确定节点D的坐标；
• 最小均方差估计算法；
定位算法的分类
• 根据定位过程中是否需要测量实际节点 间的距离，把定位算法分为：
覆盖范围 十多米 100米 公里级
1. WSN定位概述-定位的技术指
代价
标(1)
✓ 定位系统或算法的代价包括时间代价、空间代价 和成本代价等方面。
✓ 时间代价主要考虑一个定位系统或算法的安装、 配置或定位时间等因素；
✓ 空间代价主要考虑一个定位系统或算法所需的 基础设施、网络节点数量或系统硬件尺寸等因 素；
① 定位系统往往是订制系统，没有统一的 标准
① GPS系统，事实标准…但其它定位系统也正 在发展
② E-911，2019年美国联邦通信委员会（FCC） 制定的移动运营商（紧急救援）提供的基站 定位服务标准
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定位算法的特点
• 自组织性：传感器节点通常价格低廉， 难以大量配备GPS接收机等定位装置，需 要基于无线网络的自组织协同定位；
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三边测量算法（Trilateration）
• 已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到
节点D的距离，确定节点D的坐标为；
d1 (x1 x)2 ( y1 y)2 d2 (x2 x)2 ( y2 y)2 d3 (x3 x)2 ( y3 y)2
A (x1, y1)
D d1 (x, y)
✓ 成本代价则主要考虑实现一种定位系统或算法 的基础设施和节点设备的总费用。
1. WSN定位概述-定位的技术指 ① 刷新速度是提标供位(2置) 信息的频率。
–
比如GPS每秒钟刷新1次
– 影响定位服务的实时性和精度
② WSN相关的指标
✓ 功耗，WSN是功耗受限制的
✓ 带宽，协议栈开销+数据的有效载荷
• 健壮性：节点测量数据常常有误差，定 位算法需具有良好的容错性；
• 能量高效：算法计算复杂度要小、通信
相关术语
• 信标节点(anchor)和未知节点 • 邻居节点 • 跳数、跳段距离(Per-hop distance) • 基础设施 • 到达时间、到达时间差 • 接收信号强度指示(RSSI) • 到达角度 • 视线关系(LOS)、非视线关系(NLOS)
C (x3, y3) d3
d2
x
y
2
( x1 ( x2
x3 ) x3 )
( y1 y3) ( y2 y3)
1
x12 x22
x32 x32
பைடு நூலகம்
y12 y22
y32 y32
d12 d 22
d32 d32
B(x2, y2)
三角测量算法（Triangulation）
• 已知A、B、C三个节点的坐标，节点M相对于节点A、B、C的角度，确定 节点M的坐标；
✓ 节点密度，节点密度要求越高，单次定 位的通信开销越大，消耗的电能越多。
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1. WSN定位概述-定位系统的设 计要点
① 两个主要因素：
① 定位机制的物理特性（如：时间同步、传 播特性）
② 相应的算法
② 其他设计要求：
① 节点密度 ② 扩展性 ③ 鲁棒性的要求
1. WSN定位概述-定位服务的标 准化
– 基于测距的（range-based）定位
• 利用测量节点间实际距离或方位计算未知节点位 置；
– 测距无关的（range-free）定位
• 利用节点间的估计距离计算未知节点位置 ； • 利用特征进行位置关联 • 不需要直接测量节点间距离
内容提要
1. WSN定位概述 2. 基于测距（range-based）的定位技术 3. 无需测距（range-free）的定位技术 4. 典型定位系统 5. 展望
1. WSN定位概述-什么是定位？
① 定位就是确定位置。
② 定位的两种意义：
✓ 一种是确定自己在系统中的位置； ✓ 一种是系统确定目标在系统中的位置。
③ 位置信息的类型：
✓ 物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值， 表示目标的相对或者绝对位置。
✓ 符号位置指在目标与一个信标或者多个信标临 近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关 系，提供目标大致的所在范围。
✓ 也称“归属定位”
WSN定位机制的重要性
• 定位机制是WSN的基本机制 – 没有位置信息的检测消息是没有意义的； – 应用：战场侦察、目标跟踪、入侵检测、灾难预报等
• 节点定位是定位机制的基础 – 随机部署的网络，需要首先确定传感器节点位置； – 只有节点定位以后，才能确定节点检测事件的位置；
• 定位的其他用途 – 报告事件发生的地点 – 目标跟踪和定位 – 协助路由/网络管理 – 物品/财产/医疗设备/固定资产的定位与跟踪