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紫外光移动自组网双边节点 定位方法

阅读：994发布：2020-05-08

专利汇可以提供紫外光移动自组网双边节点定位方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，包括如下步骤：步骤1：建立紫外光移动自组网节点通信装置模型；步骤2：根据紫外光移动自组网节点通信装置模型捕获信息；步骤3：根据捕获信息实现直视通信，得到三个已知节点的位置信息；步骤4：根据三个已知节点的位置信息，得出未知节点位置信息。本发明解决现有技术中存在的紫外光定位中的定位不精确、用户对节点的调度与指挥不方便、不能实现高质量的紫外光通信的问题。，下面是紫外光移动自组网双边节点定位方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立紫外光移动自组网节点通信装置模型；
步骤2：根据紫外光移动自组网节点通信装置模型捕获信息；
步骤3：根据捕获信息实现直视通信，得到三个已知节点的位置信息；
步骤4：根据三个已知节点的位置信息，得出未知节点位置信息。
2.如权利要求1所述的一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，其特征在于，所述步骤1的紫外光移动自组网节点通信装置模型包括主节点和从节点，主节点和从节点分别与伺服电机电路连接，主、从节点的相邻面分别装配紫外LED与检测装置PMT，所述主节点上紫外LED发出信号，从节点上检测装置PMT接收紫外LED发出的信号，实现紫外光通信，所述主节点和从节点顶部均固接有测距模块。
3.如权利要求2所述的一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，其特征在于，所述检测装置PMT为光电倍增管。
4.如权利要求3所述的一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
主从节点分别通过伺服电机以不同转速转动，主节点转速为3r/s，从节点转速为1r/s，从节点的光电倍增管开始捕获主节点紫外LED发出的信息，从节点上的转台每转1圈时，主节点转台发送信息的平面和从节点转台接收信息的平面形成共面，从节点在转动过程中捕获主节点发送的实时转速、相位信息。
5.如权利要求3所述的一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1：主节点、从节点间实现直视通信
当从节点在三个周期内捕获到主节点信息的次数达到3次时，认定主从节点完成了捕获，从节点立刻加速至与主节点转速相同，完成捕获对准，实现主从节点间的直视通信，即假设存在A、B、C三个已知的主节点，P为未知的从节点，让A、B、C分别与P实现直视通信；
步骤3.2：获得通信距离
根据朗伯W函数(Lambert W Function)和UV LOS(紫外光直视)通信时的测距公式，得到两节点直视通信时的通信距离LAP、LBP和LCP，测距计算公式如下：
d表示主从节点间的通信距离，Pt为紫外光的发射功率，Ar为紫外光接收装置的接收孔径面积，ke为大气消光系数，Pr为接收端接收到的光功率。
6.如权利要求5所述的一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：
假设Q1点为节点A和节点B之间的一点，Q2点为节点A和节点C之间的一点，PQ1为AB的垂线、PQ2为AC的垂线，节点A和节点P之间的距离、节点B和节点P之间的距离、节点C和节点P之间的距离由紫外光移动自组网节点通信装置模型转台上的测距模块得到，利用已知节点的位置信息和节点间的距离，根据几何知识，可以求出未知节点P的位置信息。

说明书全文

紫外光移动自组网双边节点 定位方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线紫外光通信领域，具体涉及一种紫外光移动自组网双边节点定位方法。

背景技术

[0002] 随着信息技术的发展，人们对无线通信的需求越来越高，尤其是通信的速率和通信的安全性。最常用的无线电通信容易被干扰，安全性差，不能满足安全性要求较高的无线通信。因此探究一种具有高隐蔽性和宽传输频带特点的无线通信方式成为迫切的任务。

[0003] 紫外光通信是一种无线光通信，相比无线电通信和红外光通信，具有高保密性和非直视通信的优点。目前紫外光通信是世界各国研究的新型通信方式，紫外光通信是以紫外光作为载体，以大气信道为传输媒介的一种新型通信方式。紫外光的波长为10nm～400nm，其中200nm～280nm日盲区的紫外光为不可见紫外光，是最常用的紫外光工作波段，具有背景辐射低、抗干扰能力强、保密性高、分辨率低、非直视和全天候工作等优点。

[0004] 虽然紫外光通信有着广阔的应用前景，但是紫外光通信距离短，限制了紫外光通信在某些方面的应用，为了满足这一需求，将紫外光通信与自组网相结合。紫外光自组网不受节点移动和拓扑变化的影响，可以满足复杂环境下通信需求。节点位置的获取是组建紫外光通信网络的关键，节点定位不仅为紫外光网络中路由层提供位置信息，还为用户对节点的调度和指挥提供方便。因此，研究无线紫外光通信网络中的节点定位方法具有一定意义。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，解决现有技术中存在的紫外光定位中的定位不精确、用户对节点的调度与指挥不方便、不能实现高质量的紫外光通信的问题。

[0006] 本发明的技术方案是：一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤1：建立紫外光移动自组网节点通信装置模型；

[0008] 步骤2：根据紫外光移动自组网节点通信装置模型捕获信息；

[0009] 步骤3：根据捕获信息实现直视通信，得到三个已知节点的位置信息；

[0010] 步骤4：根据三个已知节点的位置信息，得出未知节点位置信息。

[0011] 本发明的特点在于：

[0012] 步骤1的紫外光移动自组网节点通信装置模型包括主节点和从节点，主节点和从节点分别与伺服电机电路连接，主、从节点的相邻面分别装配紫外LED与检测装置PMT，主节点上紫外LED发出信号，从节点上检测装置PMT接收紫外LED发出的信号，实现紫外光通信，主节点和从节点顶部均固接有测距模块。

[0013] 检测装置PMT为光电倍增管。

[0014] 步骤2的具体过程如下：

[0015] 主从节点分别通过伺服电机以不同转速转动，主节点转速为3r/s，从节点转速为1r/s，从节点的光电倍增管开始捕获主节点紫外LED发出的信息，从节点上的转台每转1圈时，主节点转台发送信息的平面和从节点转台接收信息的平面形成共面，从节点在转动过程中捕获主节点发送的实时转速、相位信息。

[0016] 步骤3的具体过程为：

[0017] 步骤3.1：主节点、从节点间实现直视通信

[0018] 当从节点在三个周期内捕获到主节点信息的次数达到3次时，认定主从节点完成了捕获，从节点立刻加速至与主节点转速相同，完成捕获对准，实现主从节点间的直视通信，即假设存在A、B、C三个已知的主节点，P为未知的从节点，让A、B、C分别与P实现直视通信；

[0019] 步骤3.2：获得通信距离

[0020] 根据朗伯W函数(Lambert W Function)和UV LOS(紫外光直视)通信时的测距公式，得到两节点直视通信时的通信距离LAP、LBP和LCP，测距计算公式如下：

[0021]

[0022] d表示主从节点间的通信距离，Pt为紫外光的发射功率，Ar为紫外光接收装置的接收孔径面积，ke为大气消光系数，Pr为接收端接收到的光功率。

[0023] 步骤4的具体过程为：

[0024] 假设Q1点为节点A和节点B之间的一点，Q2点为节点A和节点C之间的一点，PQ1为AB的垂线、PQ2为AC的垂线，节点A和节点P之间的距离、节点B和节点P之间的距离、节点C和节点P之间的距离由紫外光移动自组网节点通信装置模型转台上的测距模块得到，利用已知节点的位置信息和节点间的距离，根据几何知识，可以求出未知节点P的位置信息。

[0025] 本发明的有益效果是：

[0026] 本发明提供一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，当未知节点最大通信范围内的信标节点有3个已知节点，1个未知节点时，只要知道节点间的相对位置便可以计算出未知点的坐标；其中，无线紫外光通信由主节点、大气信道和从节点组成；基于紫外光直视通信模型，提出双边节点定位方法，使用此方法可以解决现有紫外光定位中的定位不精确、用户对节点的调度与指挥不方便、不能实现高质量的紫外光通信等问题。而本发明的双边节点定位方法得到的方程是一次方程，定位方法更为简便。实现了二维平面内无线紫外光移动自组网双边节点定位，提高了定位精度，提高了无线紫外光组网通信效果。附图说明

[0027] 图1是本发明一种紫外光移动自组网双边节点定位方法的流程图；

[0028] 图2是紫外光移动自组网节点通信装置模型结构示意图；

[0029] 图3是双边节点定位方法示意图；

[0030] 图4是双边节点定位与节点参考位置对比图；

[0031] 图5是双边节点定位误差图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

[0033] 本发明一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，如图1所示，包括如下步骤：

[0034] 步骤1：建立紫外光移动自组网节点通信装置模型；

[0035] 建立紫外光移动自组网节点通信装置模型如图2所示，包括主节点和从节点，主节点和从节点分别与伺服电机电路连接，主、从节点的相邻面分别装配紫外LED与检测装置PMT，主节点上紫外LED发出信号，从节点上检测装置PMT接收紫外LED发出的信号，实现紫外光通信，主节点和从节点顶部均固接有测距模块。

[0036] 步骤2：根据紫外光移动自组网节点通信装置模型捕获信息；

[0037] 主从节点分别通过伺服电机以不同转速转动，主节点转速为3r/s，从节点转速为1r/s，从节点的光电倍增管开始捕获主节点紫外LED发出的信息，从节点上的转台每转1圈时，主节点转台发送信息的平面和从节点转台接收信息的平面形成共面，从节点在转动过程中捕获主节点发送的实时转速、相位信息。

[0038] 步骤3：根据捕获信息实现直视通信，得到三个已知节点的位置信息；

[0039] 步骤3.1：主节点、从节点间实现直视通信

[0040] 当从节点在三个周期内捕获到主节点信息的次数达到3次时，认定主从节点完成了捕获，从节点立刻加速至与主节点转速相同，完成捕获对准，实现主从节点间的直视通信，即假设存在A、B、C三个已知的主节点，P为未知的从节点，让A、B、C分别与P实现直视通信；

[0041] 步骤3.2：获得通信距离

[0042] 根据朗伯W函数(Lambert W Function)和UV LOS(紫外光直视)通信时的测距公式，得到两节点直视通信时的通信距离LAP、LBP和LCP，测距计算公式如下：

[0043]

[0044] d表示主从节点间的通信距离，Pt为紫外光的发射功率，Ar为紫外光接收装置的接收孔径面积，ke为大气消光系数，Pr为接收端接收到的光功率。

[0045] 步骤4：根据三个已知节点的位置信息，得出未知节点位置信息。

[0046] 如图3所示，假设Q1点为节点A和节点B之间的一点，Q2点为节点A和节点C之间的一点，PQ1为AB的垂线、PQ2为AC的垂线，节点A和节点P之间的距离、节点B和节点P之间的距离、节点C和节点P之间的距离由紫外光移动自组网节点通信装置模型转台上的测距模块得到，利用已知节点的位置信息和节点间的距离，根据几何知识，可以求出未知节点P的位置信息，其中括号内的内容均表示坐标。

[0047] 利用几何知识求出未知节点P的位置信息具体为：

[0048] 当LAB、LAC距离已知，根据余弦定理求出Q1的坐标，具体计算公式为：

[0049]

[0050] 求Q1的坐标时，会出现∠BAP为锐角和钝角两种情况，利用余弦定理基本性质和数学推导证明出无论∠BAP为锐角还是钝角，均可以求出Q1的坐标：

[0051]

[0052] 求出Q2的坐标

[0053]

[0054] 根据Q1和Q2的坐标，便可得到PQ1、PQ2所在直线的方程表达式；

[0055]

[0056] 对双边节点定位方法进行仿真验证：

[0057] 仿真条件：当UV LED(紫外LED)发射功率为0.6mW时，紫外光LOS(直视)最大通信距离为100m。假设仿真时节点分布在150m×150m平面内，信标节点A、B、C的坐标分别为固定值(10,10)、(60,70)和(80,10)，未知节点P可以水平移动，测距误差服从均值为2m，方差为0.5m的正态分布；改变LAP、LBP和LCP的测距值，仿真不同测量距离条件下未知节点P的位置；

[0058] 如图4所示，双边节点定位与节点参考位置的对比图，双边节点定位轨迹与节点参考轨迹基本一致，误差较小。

[0059] 如图5所示，双边节点定位误差图，当测距误差服从均值为2m，方差为0.5m的正态分布时，未知节点绝对定位误差为1.3m，最大定位误差为3m，相比于文献中的定位精度提高了70％，双边节点定位适用于测距精度较高的紫外光通信系统，其中所指的文献出处为何华,柯熙政,赵太飞,等.无线“日盲”紫外光网格网中的定位研究[J].激光技术,2010,34(5):607-610。

[0060] 本发明提供一种紫外光移动自组网双边节点定位方法，当未知节点最大通信范围内的信标节点有3个已知节点，1个未知节点时，只要知道节点间的相对位置便可以计算出未知点的坐标；其中，无线紫外光通信由主节点、大气信道和从节点组成；基于紫外光直视通信模型，提出双边节点定位方法，使用此方法可以解决现有紫外光定位中的定位不精确、用户对节点的调度与指挥不方便、不能实现高质量的紫外光通信等问题。而本发明的双边节点定位方法得到的方程是一次方程，定位方法更为简便。实现了二维平面内无线紫外光移动自组网双边节点定位，提高了定位精度，提高了无线紫外光组网通信效果。

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