抗射频非规则传播影响的三维无线传感器网络无人飞行器辅助定位方法

Location is one of the most essential contexts for many wireless sensor network (WSN) applications. The radio frequency (RF) irregularity in three-dimensional (3D) environment seriously reduces the accuracy of RSS ranging, bringing a great challenge to WSN localization. The present project adopts an unmanned aerial vehicle (UAV) with abilities of high accuracy, real time positioning and autonomous flying as the mobile beacon node, and uses its mobility to construct the RSS interference frequency feature and the RSS maxima feature, which are unaffected by RF irregularity. Based on these location features the localization algorithms and corresponding paths for mobile beacon node would be proposed. Subsequently, the practical localization protocols and prototype system will be designed and the performance of the proposed algorithms will be tested and validated in the real environment. The major innovation of this project is the avoidance of RF irregularity in RSS based localization, thus the expected accuracy of the proposed algorithms can dramatically exceed the accuracy of existing RSS based algorithms, and will approach the accuracy of costly localization algorithms based on ultra wideband ranging. The project takes the comprehensive technical approache that combines theoretical analysis, simulation study and experimental verification. We expecte to make breakthroughs in localization theory, localization algorithms, and path planning of mobile beacon node. The research results will provide new thinkings and effective means for localization of 3D WSNs.

位置是上下文感知无线传感器网络应用中的基本要素之一。在三维环境中，RF信号的非规则传播严重影响了RSS测距的精度，给节点定位带来巨大挑战。本项目以具备高精度实时自定位能力与自主飞行能力的无人飞行器为移动信标节点，利用其移动性在未知节点的RSS信号中构造不受RF非规则传播影响的RSS干涉频率特征与极大值特征，以此为基础提出相应的定位算法与信标节点移动路径，设计切实可行的定位协议与原型系统，并在真实环境中测试与验证算法的性能。本项目的主要创新之处在于通过革新RSS的利用方式有效解决了RF信号非规则传播对定位影响的问题,使得算法在真实环境中的定位精度显著优于现有基于RSS的定位算法，接近基于超宽带信号测距的高成本定位算法。项目采用理论分析、仿真研究、实验验证相结合的技术路线，将在定位理论与算法、信标节点移动路径研究上有所创新，为三维无线传感器网络的定位提供新思路与有效实现手段。

位置是上下文感知无线传感器网络应用中的最基本要素之一。在三维空间中，RF信号的非规则传播严重影响了RSS（接收信号强度，Received Signal Strength）测距的精度，给节点定位带来了巨大挑战。本项目以多旋翼无人飞行器为自主飞行信标节点，研究自主飞行信标节点辅助的三维无线传感器网络定位算法。本项目建立了两款自主飞行信标节点的原型系统；提出了一种轻量级的分级式组合导航算法和一种基于定量反馈理论的鲁棒控制器设计方法分别解决了自主飞行信标节点的高精度实时自定位问题和自主飞行控制问题。在此基础上，本项目提出了基于RSS极大值特征的飞行信标节点辅助定位算法、基于定向天线测向的飞行信标节点辅助定位算法和基于干涉频率多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感器网络定位方法。基于RSS极大值特征的飞行信标节点辅助定位算法利用在垂直平面上具有狭窄发射角的全向天线移动所产生的RSS极大值特征及其所包含几何位置信息计算未知节点位置。基于定向天线测向的飞行信标节点辅助定位算法利用飞行信标节点携带定向天线旋转在未知节点上产生的RSS信号测量射频信号到达角度，并同时估计节点位置和机头朝向与定向天线最大发射功率方向的夹角。基于干涉频率多普勒频移的自主飞行信标节点辅助无线传感器网络定位方法利用飞行信标节点直线定高飞行配合干涉节点在传感器节点的RSS信号上产生包含多普勒频移的干涉频率，并利用非线性最小二乘迭代算法求解干涉频率所包含的节点位置信息。这三种定位算法都能避免RF非规则传播引起的RSS测距误差的影响并有效提升了长距离环境下的定位精度。此外，本项目还针对基于测距的三维定位算法提出了飞行信标节点的六种飞行路径并进行了对比研究，为飞行路径的选择提供依据。本项目的研究成果在大幅降低网络硬件成本的同时有效提升了定位精度，为基于位置信息的三维无线传感器网络的实际应用提供了定位系统与定位算法支撑。