1 定位的概念

无线传感器网络定位中，存在两类情况：对网络内检测节点的自定位、对未知目标源的盲定位。

1.1 节点的自定位

通过节点自身携带的GPS定位设备等设备获得自身的精确定位，通过自定位系统获得的自身定位的节点称为信标节点也叫做锚节点。

1.2 节点的盲定位

根据信标节点，通过某种定位机制确定未知目标源的位置。节点的盲定位可分为两类：有源定位和无源定位。

1.2.1 有源定位

网络中监测节点利用有源设备（雷达、激光、声纳等）向被定位目标发射用于定位的各种信号，然后接收被监测目标的返回信号，通过一系列测量、处理得到目标源位置的过程。

优点： 全天候、高精度
缺点： 无隐蔽性、易受电子干扰

1.2.2 无源定位

网络中监测节点在定位过程中不向被定位目标发射信号（电磁或其他用于定位的信号），监测节点与被监测设备间无协作通讯，监测节点仅通过对目标上发射的电磁信号的搜索、测量、处理而得到目标的位置及参数信息，从而实现定位追踪。

优点： 反侦察、抗干扰、可进行目标识别（弥补有源雷达的不足）

目前主要研究的定位算法为“被动”无源定位。
被动： 监测网络对被监测目标无法进行控制，无法按照自身定位需求添加软硬件支持。

基于无线传感器网络的信号无源定位与跟踪具有如下特点：

无源定位，直接定位的一方不向目标信号发送信号
多站协同，监测节点需在多次测量、空间移动，或多站间有信息交互协作
运算量大，获取目标位置所需计算量高于其他信息的处理
定位精度、系统内参和定位节点的个数及布局相关

2.定位基本术语

中文名词	英文名词	含义
邻居节点	neighour nodes	位于指定传感器节点通信半径内的所有其他节点，称为该节点的邻居节点
跳数	hop count	两节点间间隔的跳段总数，称为两节点间的跳数
跳段距离	hop distance	两节点间间隔的各跳段距离之和，称为两节点间的跳段距离
基础设施	infrastructure	协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备（卫星、基站等）
到达时间	time of arrival (TOA)	信号从一个节点传播到另一节点所需要的时间
到达时间差	time difference of arrival (TDOA)	两种传播速度不同的信号从一个节点传播到另一节点所需要的时间之差
接收信号强度显示	received signal strength indicator (RSSI)	节点接收到无线信号的强度大小
到达角度	angle of arrival（AOA）	节点接收到的信号相对于自身轴线的角度
视线关系	line of sight (LOS)	两节点间无障碍物，能直接通信，称为两个节点之间存在视线关系
非视线关系	no LOS (NLOS)	两个节点间有障碍物

3 定位算法分类

传感器网络节点定位算法根据基础设施依赖程度、是否需要测距等要求可大致分为几类。

3.1 集中式与分布式

根据对基础设施的依赖程度，可将定位算法分为分布式定位方法和集中式定位方法。

3.1.1 分布式算法

分布式定位算法，指定位算法在本地节点工作，节点与节点间无直接干扰，所有节点可并发独立的计算自身位置

主要的无测距分布式定位算法：

质心算法
DV-Hop(Distance Vector-hop)算法
Amorphous算法
APIT(Apporximate Point-in-triangulation Test)算法

3.1.2 集中式算法

集中式定位算法需要一个具有较强存储能力和计算能力的中心节点，各个节点将会把所有定位信息传递给中心节点。中心节点集中处理网络中的所有传感器节点的位置信息，然后再发送给各个节点。

优点： 从全局角度统筹规划，计算量、存储量几乎无限制，可获得相对精确的位置估算。
缺点： 与中心节点相近的节点将由于通信开销大而过早消耗完电能，致使网络中断，无法实时定位

主要的集中式算法：

凸规划算法(convex optimization)
质心算法
MDS-MAP算法
APIT算法

3.2 基于距离与距离无关算法

根据定位算法是否需要测量节点间距离，将定位算法分为基于距离(Range-Based) 和 **距离无关(Range-Free)**两类算法。

3.2.1 基于距离算法

基于距离的定位算法通过测量不同节点到目标信号间的距离或角度信息，利用最大似然估计定位法、三角测量定位法、三边测量定位法估计未知目标节点的位置。

常用定位算法：

到达角度算法(AOA)
达到时间算法(TOA)
到达时间差算法(TDOA)
接收信号能量算法(RSSI)

3.2.2 距离无关算法

距离无关的算法根据网络连通性等信息实现定位，无需测量距离或角度信息。

常用定位算法：

质心算法
凸规划算法
Amorphous算法
DV-Hop算法
MDS-MAP算法
APIT算法

3.3 绝对定位与相对定位

3.3.1 绝对定位

绝对定位指定位结果是一个标准的坐标位置，如经纬度等。

优点： 可为网络提供唯一的命名空间，节点移动性对定位结果影响较小

绝大多数定位算法都可以实现绝对定位。

3.3.2 相对定位

相对定位则是以网络中部分监测节点作为参考，建立整个网络的相对坐标系统。

优点： 应用上较为方便，可在此基础上实现部分路由协议，无需信标节点

常用定位算法：

Self-Positioning Algorithm (SPA)
Local Positioning System (LSP)
SpotON
MDS-MAP（根据不同的网络配置实现）

3.4 松散耦合与紧密耦合

3.4.1 松散耦合

松散耦合定位系统是一种节点采用无中心控制器的分布式无线协调方式的定位算法。

优点： 牺牲精确性提高部署灵活性
缺点： 依赖系统间协调和信息实现定位

常用定位算法：

Cricket
APIT
AHLos

3.4.2 紧密耦合

紧密耦合定位系统指信标节点随机部署到固定的位置，通过有线介质连接到中心控制器的定位方式。

优点： 具有较高的精确性和实时性，适用于室内环境，时间同步及信标节点间协调问题易于解决
缺点： 限制了系统的可扩展性，代价较大，无法应用于不限工作不可行的室外环境

常用定位算法：

Active Bat
Active Badge
HiBall Tracker

4 性能评价指标

指标	含义
定位精度	一般用误差值与系统无限射程的比例表示
规模	定位算法可在多大空间内实现定位，或再给定数量的基础设施或时间内，可定位目标的数目
信标节点密度	由于信标节点依赖人工部署（制约网络应用的可扩展性，受网络环境限制）或GPS（费用高）实现，是评价算法的重要指标
节点密度	密度增大将导致网络部署费用提高、阻塞有线宽带（节点间通信冲突）问题
容错性、自适应性	定位算法对环境的适应性越高，定位精度越好
功耗	在保证定位精度的基础上，定位系统的功耗应被降低
代价	定位系统的代价包含时间代价（装配时间、定位时间等）、空间代价（基础设施、网络节点的数量、尺寸等）、资金代价（实现定位系统的总费用）等

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3.1.1 分布式算法

3.1.2 集中式算法

3.2 基于距离与距离无关算法

3.2.1 基于距离算法

3.2.2 距离无关算法

3.3 绝对定位与相对定位

3.3.1 绝对定位

3.3.2 相对定位

3.4 松散耦合与紧密耦合

3.4.1 松散耦合

3.4.2 紧密耦合

4 性能评价指标

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