應(yīng)用ZigBee技術(shù)的航天器內(nèi)部三維空間定位方案

龍吟 郭佩 夏奕 張璐 楊佳欣

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

應(yīng)用ZigBee技術(shù)的航天器內(nèi)部三維空間定位方案

龍吟 郭佩 夏奕 張璐 楊佳欣

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

針對(duì)航天器內(nèi)部缺少三維空間定位方案的問題，提出一種應(yīng)用紫蜂（ZigBee）技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方案，即通過在航天器內(nèi)部布置ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置若干數(shù)量的參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)，利用參考節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)位置信息，以及針對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的測(cè)距信息，完成對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的三維空間定位。建立基于參考節(jié)點(diǎn)平面的三維空間坐標(biāo)系，根據(jù)到達(dá)角度（AOA）計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的法向坐標(biāo)（Z坐標(biāo)），將未知節(jié)點(diǎn)投影至參考節(jié)點(diǎn)所在平面（XOY平面），利用三邊定位法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)在XOY平面的坐標(biāo)。該方案理論上最少只需要6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器內(nèi)部未知節(jié)點(diǎn)的定位，并且不需要時(shí)間同步，適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低復(fù)雜度設(shè)計(jì)需求；利用到達(dá)時(shí)間差（TDOA）算法進(jìn)行AOA計(jì)算，通過對(duì)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層布局，避免使用復(fù)雜的天線陣列技術(shù)。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：本文方案具有較高的定位精度，同時(shí)具有較低的硬件和組網(wǎng)要求，以及較低的計(jì)算和通信開銷，適合于航天器內(nèi)部的三維空間定位。

航天器內(nèi)部；三維空間定位；紫蜂技術(shù)；到達(dá)時(shí)間差；到達(dá)角度

1 引言

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，航天器規(guī)模的擴(kuò)大，地面須要獲取航天器內(nèi)部的實(shí)時(shí)定位信息。例如，載人航天器可能具備多個(gè)艙段，要容納若干航天員在各個(gè)艙段內(nèi)工作和活動(dòng)，因此獲取航天員的實(shí)時(shí)位置信息非常重要。常用的GPS定位方法精度高，速度快，但主要應(yīng)用于室外，當(dāng)GPS接收機(jī)在航天器內(nèi)部工作時(shí)，受到航天器艙體的影響，信號(hào)將大大衰減，變得十分微弱，從而達(dá)不到定位的要求。

目前，室內(nèi)定位主要依靠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。按照傳感器網(wǎng)絡(luò)類型，分為超聲波、紫蜂（Zigbee，802.15.4）、藍(lán)牙（802.15.1）、WiEi（802.11b）、紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（Ir DA）、無(wú)線射頻識(shí)別（REID）等。其中，ZigBee技術(shù)比藍(lán)牙和WiEi的傳輸速率低，能耗小，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制造成本低，能夠很好地滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間定位的需求。

按照測(cè)距原理，室內(nèi)定位算法分為測(cè)距和非測(cè)距兩種。前者定位精度高，但是要配套額外的測(cè)距硬件，主要包括到達(dá)時(shí)間 （TOA）［1］、到達(dá)時(shí)間差（TDOA）［2］、到達(dá)角度（AOA）［3］、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）［4］、指紋識(shí)別等；后者定位精度低，但是硬件配套簡(jiǎn)單，主要包括質(zhì)心定位算法。上述定位算法均是針對(duì)二維空間定位，無(wú)法直接應(yīng)用于三維空間定位。針對(duì)三維空間定位，目前提出了Landscape-3D［5］算法、基于球面坐標(biāo)的三維定位（SLBS）算法［6］及近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試（APIT）算法［7］。Landscape-3D算法和SLBS算法要依靠移動(dòng)的錨節(jié)點(diǎn)周期性地廣播自身位置信息，網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)通過接收到的位置信息結(jié)合自身復(fù)雜的算法來(lái)確定自身位置，因此對(duì)錨節(jié)點(diǎn)硬件要求較高，必須支持移動(dòng)，并且需要較高的可靠性。APIT算法采用球殼分割方法，算法復(fù)雜度較高，計(jì)算開銷較大。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展對(duì)樓宇建筑的室內(nèi)定位研究，但尚無(wú)對(duì)航天器內(nèi)部三維空間定位的研究?；诖?，本文提出一種應(yīng)用ZigBee技術(shù)的航天器內(nèi)部三維空間定位方案。該方案采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署，通過基于AOA和RSSI的三維空間定位算法對(duì)傳統(tǒng)二維空間定位算法進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)航天器內(nèi)部的三維空間定位。

2 定位算法

定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是已知位置并協(xié)助未知節(jié)點(diǎn)定位的節(jié)點(diǎn)NR（NR1，NR2，NR3，…），未知節(jié)點(diǎn)是需要定位的節(jié)點(diǎn)（NU），如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)Eig.1 Localization system

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有參考節(jié)點(diǎn)均位于同一平面XOY，選其中的NR1，NR2，NR3進(jìn)行分析。未知節(jié)點(diǎn)NU在XOY平面上的投影為N′U，NU到NR1，NR2，NR3的連線與XOY平面的夾角分別為θ1，θ2，θ3，NU到XOY平面的法線長(zhǎng)度為h，因此NU的位置信息由N′U和h聯(lián)合確定。設(shè)NU在三維空間的坐標(biāo)為（x，y，z），N′U在XOY平面的坐標(biāo)為（x′，y′），則滿足

假設(shè)NU到XOY平面上NR1，NR2，NR3的距離分別為m1，m2，m3，N′U到NR1，NR2，NR3的距離分別為r1，r2，r3，根據(jù)幾何關(guān)系有

假設(shè)NR1，NR2，NR3在XOY平面的坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），則滿足

在NU上配置超聲波和射頻發(fā)射器，在NR上配置超聲波和射頻接收機(jī)。NU周期性地同時(shí)廣播超聲波和射頻2種類型的測(cè)距信號(hào)，NR接收2種測(cè)距信號(hào)，通過判斷接收到信號(hào)的時(shí)間差tTDOA，利用TDOA算法計(jì)算兩者的距離d。

式中：v為超聲波的傳播速度；c為光速。

圖2為AOA定位算法示意。P表示NU的位置；S和D表示參考節(jié)點(diǎn)NR和N′R的位置，兩者的距離為L(zhǎng)。通過D點(diǎn)向PS做垂線DQ，當(dāng)滿足L?d時(shí)，PD與PQ近似相等，因此SQ相當(dāng)于NU到NR的距離d1和NU到N′R的距離d2之差，即滿足

利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)天然氣中重組分對(duì)凈化裝置的影響……………………………………………………………(6):1

式中：d1和d2均通過式（13）求得；L為已知值。

AOA定位算法存在相位模糊度問題，即θ可能在［0，π］，也可能在［-π，0］，這一問題可根據(jù)實(shí)際定位場(chǎng)景設(shè)置參考節(jié)點(diǎn)和先驗(yàn)知識(shí)來(lái)判別。依據(jù)式（15）求得圖1中的θ1，再按照式（12）即可求得未知節(jié)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

圖2 AOA定位算法Eig.2 AOA localization algorithm

3 定位方案

以載人航天器為例。載人航天器由若干艙段組合而成，在每個(gè)艙段里布設(shè)若干參考節(jié)點(diǎn)，位置是已知的。在航天員的航天服上安裝ZigBee發(fā)射器，周期性地廣播信號(hào)。參考節(jié)點(diǎn)接收航天員發(fā)出的廣播信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算航天員的位置信息，并將計(jì)算結(jié)果送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再將位置信息送到1553B總線上，供地面工作人員實(shí)時(shí)掌握航天員的位置信息。圖3為載人航天器內(nèi)部定位場(chǎng)景示意。

圖3 載人航天器內(nèi)部定位場(chǎng)景Eig.3 Localization scenario inside manned spacecraft

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布局采用如圖4所示的方案：同一平面內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)分布的方式布局，數(shù)量不少于3個(gè)，并且不在同一條直線上；將航天器內(nèi)部劃分為若干個(gè)平面，覆蓋范圍為整個(gè)載人航天器，相鄰平面之間的距離規(guī)定為L(zhǎng)，相鄰平面的各對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的平面坐標(biāo)相同。

圖4 參考節(jié)點(diǎn)分層布局Eig.4 Hierarchical deployment of reference nodes

對(duì)相鄰平面的平面坐標(biāo)相同的參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行ID節(jié)點(diǎn)號(hào)分配，以2個(gè)平面的參考節(jié)點(diǎn)為例（見表1）。實(shí)際測(cè)試過程分為2步進(jìn)行：①位于相鄰平面且具有相同平面坐標(biāo)的一對(duì)參考節(jié)點(diǎn)（A和D，B和E，C和F），收到未知節(jié)點(diǎn)發(fā)出的測(cè)距信號(hào)后，進(jìn)行AOA定位算法運(yùn)算，計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的法向坐標(biāo)（Z坐標(biāo)）。②按照上述①的方法，計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)在參考節(jié)點(diǎn)平面的投影到該平面所有參考節(jié)點(diǎn)的距離，按照三邊定位法［8］選擇距離相同的3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，利用它們的XOY平面坐標(biāo)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的XOY平面坐標(biāo)。可見，此方案理論上最少只需要6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器內(nèi)部未知節(jié)點(diǎn)的定位，并且不需要時(shí)間同步，適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低復(fù)雜度設(shè)計(jì)需求。

表1 參考節(jié)點(diǎn)ID分配Table 1 Allocation of reference node ID

為了提高定位精度，采用多次測(cè)量求平均值的方法對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行求精，一般選擇測(cè)量10次。為了提高AOA定位算法的定位精度，要剔除未知節(jié)點(diǎn)離參考節(jié)點(diǎn)太近的情況，即不滿足L?d的情況。通過判斷參考節(jié)點(diǎn)收到超聲波和射頻2種類型測(cè)距信號(hào)的時(shí)間差tTDOA，計(jì)算出d=tTDOA/（1/v-1/c）。規(guī)定d/L＜10，即tTDOA/［（1/v-1/c）L］＜10時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)距離參考節(jié)點(diǎn)過近，不滿足L?d，剔除此次測(cè)量值。

方案流程如圖5所示。

圖5 定位方案流程Eig.5 Process of localization scheme

4 仿真驗(yàn)證

仿真場(chǎng)景為某航天器，在航天器內(nèi)部部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。對(duì)航天器內(nèi)部進(jìn)行三維空間坐標(biāo)建模，定義2個(gè)相互平行的參考平面，分別在2個(gè)參考平面上部署參考節(jié)點(diǎn)A～F。以參考節(jié)點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn)O，參考節(jié)點(diǎn)A，B，C所在平面為XOY平面，建立三維空間坐標(biāo)系，如圖6所示。參考節(jié)點(diǎn)A～F的三維空間坐標(biāo)如表2所示。按照本文方案、Landscape-3D算法和APIT算法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，并對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果和實(shí)際位置進(jìn)行比對(duì)，如表3所示。本文方案與Landscape-3D算法相比，無(wú)需動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，硬件要求大幅降低，并且定位精度有所提升；與APIT算法相比，計(jì)算和通信開銷大幅降低，定位精度也大幅提升。本文方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)布局有一定的要求，即要進(jìn)行分層布局，層數(shù)不少于2，每層參考節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于3，這可以在航天器艙內(nèi)布局設(shè)計(jì)上解決。另外，本文方案的定位精度隨著參考節(jié)點(diǎn)部署密度的增加可以進(jìn)一步提升，因而更適合于航天器內(nèi)部的三維空間定位。

圖6 三維空間坐標(biāo)系Eig.6 Three-dimensional coordinate system

表2 參考節(jié)點(diǎn)布局Table 2 Placement of reference nodes

表3 定位結(jié)果比較Table 3 Comparison of localization results

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種應(yīng)用ZigBee技術(shù)的航天器內(nèi)部三維空間定位方案，通過在航天器內(nèi)部進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署實(shí)現(xiàn)定位。對(duì)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層部署，可消除Landscape-3D算法對(duì)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的需求，并且對(duì)硬件要求較低，具有較低的計(jì)算和通信開銷。與APIT算法相比，本文方案具有較高的定位精度，且定位精度隨著參考節(jié)點(diǎn)部署密度的增加可以進(jìn)一步提升，可為航天器內(nèi)部定位提供參考。

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（編輯：夏光）

Three-dimensional Localization Scheme for Spacecraft Indoor Environment Using ZigBee

LONG Yin GUO Pei XIA Yi ZHANG Lu YANG Jiaxin
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

To solving the problem of lack of an efficient three-dimensional localization scheme for spacecraft indoor environment，a three-dimensional localization scheme based on WSN（wireless sensor network）using ZigBee is proposed.The WSN deployed in the spacecraft is composed of reference nodes and unknown nodes，and the reference nodes'positions are known to help locating the unknown nodes.A three-dimensional coordinate is established by setting the plane where the reference nodes are placed as the plane XOY，and the Z coordinate is figured out by AOA（angle of arrival）.The unknown node is projected on the plane XOY，and the X coordinate and Y coordinate on the plane XOY are computed by the trilateration localization strategy.Theoretically，only six reference nodes are required to locate all the unknown nodes three-dimensionally by using the proposed scheme.Meanwhile，synchronization of the network is not necessary，which reduces the complexity of the WSN.TDOA（time difference of arrival）is adopted to estimate AOA，and the angle estimation is also dependent on the hierarchical deployment of the reference nodes.Therefore，the complicated antenna arrays for AOA are not required.The simulation results show that the scheme proposed can locate accurately，makes less requirements for the hardware，network，computingand communication，and can be applied in the spacecraft indoor environment.

spacecraft indoor environment；three-dimensional localization；ZigBee；TDOA；AOA

TN911.7

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.007

2014-07-07；

2014-09-22

龍吟，男，工程師，從事航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)研究工作。Email：ly24381@163.com。