专利名称：基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方法
技术领域：
本发明涉及一种通信技术领域的定位方法，具体涉及一种基于差分全球定位 系统的无线节点相对定位方法。
技术背景差分定位，也叫相对定位，是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点 之间的相对位置的方法。利用差分定位技术，可以完全消除卫星钟误差、星历误 差、SA政策等引起的误差，部分消除电离层折射、对流层折射等引起的传播延 迟误差。目前采用的差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数， 由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是， 发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。不论是哪种差分GPS技 术，都必须建立基准站，并知道基准站的精确坐标，基准站坐标的精度直接决定 了用户站的定位精度。在很多实际的应用系统中，基准站的位置通常都是固定不 动的，如我国沿海的RBN-DGPS系统，通过布置20个发射差分GPS (全球定位系 统)信号的信标台来帮助实现用户站的高精度定位。这些都限制了差分GPS的应 用范围。经对现有技术的文献检索发现，张淑芬等在《大连海事大学学报》2002年 第8期上发表的"位置差分GPS定位系统"，该文中提出基于固定基站的位置差 分GPS定位系统，用户站将自身的位置(经纬度)发送给基站，基站根据已知的 精确位置和实际定位位置对用户站位置进行修正，从而提高用户站的定位精度。 其不足在于基准站位置固定不能移动，并且需要已知基准站的精确位置。但是在很多实际应用中，并不具备上述差分定位方法的应用条件。如自主移 动机器人定位、智能雷场战术防御系统和环境监测传感器等。在这些应用中，工 作节点随机的分布在给定的环境区域内，节点可以通过GPS进行定位，但是无法 获得节点的精确坐标。而且节点还可能移动，无法固定某些节点作为基准站，上 述的差分定位方法不再适用。此时，如果直接采用单点GPS进行定位，则节点间的位置误差太大，不利于节点间相互协调工作。 发明内容本发明针对现有技术的不足，提供一种基于差分GPS原理的无线节点相对定 位方法。本发明采用一种用于分布式节点相对定位的方法，结合位置差分定位的 原理，在没有固定基准站或者不能得到基准站精确坐标情况下，各节点借助GPS 模块和无线通信链路，实现节点之间相对位置的精确确定。本发明是通过以下技术方案实现，本发明相对定位方法中，所有节点都与 GPS模块进行授时同步以后，开始定位竞争，由定位竞争成功的节点通过无线链 路发出定位请求；其他节点收到定位请求以后进入定位响应状态；当到达定位请 求指定的定位时刻时，所有节点开始采样各自的GPS模块输出，处于定位响应状 态的节点用定位数据和节点信息构成定位响应，通过无线链路返回给发起定位请 求的节点；收到定位响应的节点，对定位数据进行处理，如果满足定位计算条件， 则计算出节点间的相对位置，并将计算结果无线发送给发出该定位响应的节点， 否则，丢弃该定位响应。本发明方法包括如下步骤步骤一在节点进行相互定位之前，所有节点都通过GPS模块进行授时同步， 并且每隔指定时间进行一次授时同步操作，保证所有节点都具有相同的时间基 准。步骤二网络中的各节点通过定位竞争来选择发起定位请求的节点。如果节 点定位竞争成功，则可以通过无线链路在网络中向其邻居节点广播定位请求，在 定位请求报文中包含指定的定位时间。其他定位竞争失败的节点则进入延时等待 状态，准备接收定位请求。如果在指定的等待时间内没有收到定位请求，则再次 进入定位竞争状态。步骤三节点接收到定位请求以后，根据指定的定位时间设置本地实时时钟 中断时间常数，并进入定位响应状态。当到达指定的时刻时，所有节点都同时开 始采样GPS模块的输出，记录采样数据。接收到定位请求的节点在采样完成之后， 通过无线链路向发起定位请求的节点单播发送定位响应，定位响应包含节点信息 和采样数据。步骤四发起定位请求的节点收到其他节点返回的定位响应以后，从中提取出相应节点的采样数据，并与本节点的采样数据进行比较。判断收到的采样时间 是否与本节点的采样时间相同，并且判断参与定位的卫星编号与本节点定位采用 的卫星编号是否一致。在以上条件都满足的情况下，利用接收到的该节点的位置 数据和本节点的位置数据计算两节点之间的相对位置。以上有一个条件不满足则 丢弃该组采样数据。步骤五发起定位请求的节点计算出与某个节点的相对位置以后，将相对位 置数据发送给该节点；节点收到相对位置数据以后转换成相对于本节点的相对位 置数据，并记录保存。步骤六节点査看是否所有邻居节点的相对位置都已经得到，如果不是则转 步骤二；否则，定位结束。本发明步骤一所述授时同步过程，是指通过从GPS模块获取当前的标准时间来初始化节点的实时时钟(RTC Timer),只有在授时同步成功以后才能继续后面 的定位过程。本发明步骤二所述通过网络中节点之间的定位竞争来选择发起定位请求的 节点，是指节点经过一段随机等待以后开始尝试发送定位请求，如果在发送定位 请求之前，收到其他节点的定位请求，则该节点就不能发起定位请求，而进入响 应定位请求的状态。必须等到此次定位过程结束以后，通过执行步骤六检査如果 已经获得所有邻居节点的相对位置，如果是则停止定位请求竞争，否则开始新一 轮的定位请求竞争。本发明步骤二所述指定的定位时间是指在当前时刻之后的某一时刻，该时刻 的确定需要考虑无线通信状态和节点控制模块的处理能力，要保证在该时刻之前 所有需要定位的节点都通过无线链路接收到定位请求、处理该请求，并已经开启 实时时钟中断。本发明步骤三所述的采样GPS模块输出的过程中，每隔固定的时间读取并记 录GPS模块的输出，连续采样多次，这些采样数据和节点信息一起构成本节点的 定位响应。所述的采样数据包括采样时间、卫星编号和位置数据。本发明步骤四所述的相对位置，是指该节点相对于本节点的地面距离和方向 角，该方向角是以指向地球北极的正北方向为基准的顺时针方向旋转的角度。本发明步骤五所述收到相对位置数据的节点将位置数据转换成相对于本节点的相对位置的方法是距离不变，方位角减去180度。所述GPS模块，用于接收GPS导航电文，解算本节点的位置坐标和获取基准时间。所述节点控制模块，用于控制节点的运行，协调各模块的功能和实现定位流 程，完成节点间的相对定位。通过本发明的以上操作，定时采样保证各节点获得在同一时刻下的GPS数 据，在节点距离不远的情况下，节点所跟踪到的卫星都是一样的，这样计算相对 位置所采用的位置数据具有相同的时间和相同的卫星。根据差分GPS的原理，本 方法可以有效抵消系统误差的影响，提高节点间相对位置的定位精度。综上所述，本发明的核心思想是提供一种基于差分GPS的相对定位方法，具有以下优点1、不需要固定基站，节点之间通过无线通信进行定位协调，使进行相对定位的节点在同一时刻用相同的卫星来计算各自位置坐标，然后利用这些满足同时同星条件的位置坐标进行相对位置计算，可以提高相对位置精度。2、 节点可以移动，本发明提出的方法采用请求-响应的方式进行相对定位，因此节 点在移动以后只要重新发起定位请求，就可以重新进行节点间的相对定位，可以 满足节点移动情况下的定位要求。
图1为多节点相对定位的节点交互流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。本发明具体实现过程，可以如图1所示的相对定位过程中的节点间交互流程图，步骤如下步骤一在节点进行相互定位之前，所有节点都通过GPS模块进行授时同步， 并且每隔指定时间进行一次授时同步操作，保证所有节点都具有相同的时间基 准。步骤二网络中的各节点通过定位竞争来选择发起定位请求的节点。如果节 点定位竞争成功，则可以通过无线链路在网络中向其邻居节点广播定位请求，在定位请求报文中包含指定的定位时间。其他定位竞争失败的节点则进入延时等待 状态，准备接收定位请求。如果在指定的等待时间内没有收到定位请求，则再次 进入定位竞争状态。步骤三节点接收到定位请求以后，根据指定的定位时间设置本地实时时钟 中断时间常数，并进入定位响应状态。当到达指定的时刻时，所有节点都同时开 始采样GPS模块的输出，记录采样数据。接收到定位请求的节点在采样完成之后， 通过无线链路向发起定位请求的节点单播发送定位响应，定位响应包含节点信息 和采样数据。步骤四发起定位请求的节点收到其他节点返回的定位响应以后，从中提取 出相应节点的采样数据，并与本节点的采样数据进行比较。判断收到的采样时间 是否与本节点的采样时间相同，并且判断参与定位的卫星编号与本节点定位采用的卫星编号是否一致。在以上条件都满足的情况下，利用接收到的该节点的位置 数据和本节点的位置数据计算两节点之间的相对位置。以上有一个条件不满足则丢弃该组采样数据。步骤五发起定位请求的节点计算出与某个节点的相对位置以后，将相对位 置数据发送给该节点；节点收到相对位置数据以后转换成相对于本节点的相对位 置数据，并记录保存。步骤六节点查看是否所有邻居节点的相对位置都已经得到，如果不是则转 步骤二；否则，定位结束。如图1所示，本发明实施例中，三个节点(节点A、节点B和节点C)进行 相互定位，各节点完成授时同步以后，开始定位竞争。图中假设节点A竞争成功，向邻居节点广播定位请求，节点B和C接收到定位请求以后进入定位响应状态。 当所有节点都到达指定的定位时刻时，开始采样GPS模块，节点B和节点C将各 自的定位响应返回给节点A，节点A对收到的定位响应作处理并比较采样数据， 如果满足相对定位的条件则计算相对位置，计算完之后将位置数据发送给节点B 和节点C。节点B和节点C在发出定位响应以后则开始等待节的A的位置数据， 收到位置数据以后，则保存数据， 一次定位结束。在实际的实施过程中每个节点由三部分硬件构成GPS模块、无线通信模块 和节点控制模块。GPS模块用于接收GPS导航电文，解算本节点的位置坐标和获取基准时间；无线通信模块用于节点之间的无线数据传输；节点控制模块用于控制节点的运行，协调各模块的功能和实现定位流程，完成节点间的相对定位。 本实施例中，GPS模块采用GARMIN公司的GPS15系列GPS模块。 本实施例中，无线通信模块采用TI公司的支持IEEE 802. 15. 4协议的RF芯片CC2420构建，输出信号经过功率放大电路以后其有效传输距离最多可以达到500米。本实施例中，节点控制模块采用飞利浦公司ARM7系列LPC2138单片机平台， 并通过^C/0S-I1实时嵌入式操作系统进行任务管理和调度，可以增强系统的执 行效率，保证操作的实时性。节点控制模块分别通过串口和SPI接口与GPS模块 和无线通信模块进行数据传输。在实际的测试中，采用5个节点组成无线网络，进行相互定位试验，节点两 两之间的相对位置距离误差小于土l米，角度误差小于士1.5口并且节点间距越 大，相对位置的误差越小。
权利要求
1、一种基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方法，其特征在于，所有节点都与GPS模块进行授时同步以后，开始定位竞争，由定位竞争成功的节点通过无线链路发出定位请求，其他节点收到定位请求以后进入定位响应状态；当到达定位请求指定的定位时刻时，所有节点开始采样各自的GPS模块输出，处于定位响应状态的节点用定位数据和节点信息构成定位响应，通过无线链路返回给发起定位请求的节点；收到定位响应的节点，对定位数据进行处理，如果满足定位计算条件，则计算出节点间的相对位置，并将计算结果无线发送给发出该定位响应的节点，否则，丢弃该定位响应。
2. 如权利要求1所述的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方法， 其特征是，包括如下步骤步骤一在节点进行相互定位之前，所有节点都通过GPS模块进行授时同步， 并且每隔指定时间进行一次授时同步操作；步骤二网络中的各节点通过定位竞争来选择发起定位请求的节点，如果节 点定位竞争成功，则通过无线链路在网络中向其邻居节点广播定位请求，在定位 请求报文中包含指定的定位时间，其他定位竞争失败的节点则进入延时等待状 态，准备接收定位请求，如果在指定的等待时间内没有收到定位请求，则再次进 入定位竞争状态；步骤三节点接收到定位请求以后，根据指定的定位时间设置本地实时时钟中断时间常数，并进入定位响应状态，当到达定位时间指定的时刻时，所有节点都同时开始采样GPS模块的输出，记录采样数据，接收到定位请求的节点在采样 完成之后，通过无线链路向发起定位请求的节点单播发送定位响应，定位响应包 含节点信息和采样数据；步骤四发起定位请求的节点收到其他节点返回的定位响应以后，从中提取出相应节点的采样数据，并与本节点的采样数据进行比较，如果满足给定的定位 计算条件，则利用接收到的该节点的位置数据和本节点的位置数据计算两节点之间的相对位置，如果不满足给定的定位计算条件则丢弃该组采样数据；步骤五发起定位请求的节点计算出与某个节点的相对位置以后，将该相对位置数据发送给该节点，节点收到相对位置数据以后转换成相对于本节点的相对 位置数据，并记录保存；步骤六节点査看是否所有邻居节点的相对位置都已经得到，如果不是则转 步骤二，否则，本节点定位结束。
3. 如权利要求2所述的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方法， 其特征是，步骤二中，指定的定位时间是指在当前时刻之后的未来某一时刻。
4. 如权利要求2所述的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方法， 其特征是，步骤三中，所述的采样GPS模块输出的过程中，按照固定的时间间隔 读取并记录GPS模块的输出，连续采样多次，将这些多次采样的采样数据和节点 信息一起构成本节点的定位响应。
5. 如权利要求2或4所述的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方 法，其特征是，步骤三中，所述的采样数据包括采样时间、卫星编号和位置数 据。
6. 如权利要求2所述的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方法， 其特征是，步骤四中，所述的给定的定位计算条件是指采样数据的采样时间和 卫星编号分别与本节点采样数据的采样时间和卫星编号相同。
7. 如权利要求2或6所述的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方 法，其特征是，步骤四中，所述的相对位置，是指该节点相对于本节点的地面距 离和方向角，该方向角是以指向地球北极的正北方向为基准的顺时针方向旋转的 角度。
8. 如权利要求2所述的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方法， 其特征是，步骤五中，所述收到相对位置数据的节点将位置数据转换成相对于本 节点的相对位置的方法是距离不变，方位角减去180度。
9. 如权利要求1或2所述的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方 法，其特征是，所述GPS模块，用于接收GPS导航电文，解算本节点的位置坐标 和获取基准时间。
10. 如权利要求1或2所述的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方 法，其特征是，所述节点控制模块，用于控制节点的运行，协调各模块的功能和 实现定位流程，完成节点间的相对定位。
全文摘要
本发明公开一种无线通信技术领域的基于差分全球定位系统的无线节点相对定位方法，节点与GPS模块进行授时同步以后，开始定位竞争，由定位竞争成功的节点发出定位请求，其他节点收到定位请求以后进入定位响应状态；当到达定位请求指定的定位时刻时，节点开始采样GPS模块输出，处于定位响应状态的节点用定位数据和节点信息构成定位响应，返回给发起定位请求的节点；收到定位响应的节点，对定位数据进行处理，如果满足定位计算条件，则计算出节点间的相对位置，并将计算结果无线发送给发出该定位响应的节点，否则，丢弃该定位响应。本发明在没有固定基准站、基准站位置不能精确确定或者基准站移动的情况下，获得较高的相对位置定位精度。
文档编号G01S19/42GK101231336SQ20081003399
公开日2008年7月30日 申请日期2008年2月28日 优先权日2008年2月28日
发明者兵 双, 李振波, 陈佳品 申请人:上海交通大学