无线网络联合时间同步与定位技术研究

孙文达,荣炫宇  ,许艳云

摘要：无线定位技术能够被应用到现代社会发展的多个领域当中，借助无线网络来满足行业发展的技术要求。在无线网络技术不断健全完善的背景下，行业发展对定位技术的精确度提出了更高的要求。将时间同步和定位两个原本独立的阶段结合起来，能够有效提高定位技术的准确性。本文以定位技术为主要研究对象，着重对无线网络联合时间同步与定位技术进行了研究和分析。

关键词：无线网络；定位技术；时间同步

前言：以往基于无线网络应用的定位技术，大多将时间同步和定位看作两个独立的阶段。在实际应用该技术的过程中，通常需要通过假设节点时钟同步来达到定位的目的，很容易在传递的过程中产生较大的误差，进而影响定位技术的实际应用效果。对无线网络联合时间同步与定位技术进行分析，能够为提高定位技术的精准度提供一定的技术优化思路。

一、无线定位方法

（一）解算定位

无线定位方法是基于现代社会生活需求而产生并逐渐应用的一种位置服务方法，该方法能够基于定位网络系统来估计已知位置信息和待测信息节点的位置坐标，能够满足交通导航、快递物流、无人驾驶等多个行业和领域的发展要求。从基于无线网络的定位算法角度来看，当前应用较为广泛的无线定位方法一般包括解算定位和指纹识别定位两种[1]。解算定位主要是在明确定位系统中节点之间的交互信息之后，依据时间观测值、信号的到达时间、角度测量值等数据来建立基于定位系统的模型方程，借助方程来获取节点具体的坐标信息。

（二）指纹识别定位

指纹识别定位也是一种较为常见的无线定位方法原理，该定位方法是基于人的指纹识别原理，假设被测的室内空间普遍拥有一个独特的可测量特征，这一特征类似于人的指纹，用以方便对室内空间的位置信息进行定位。从该方法实际应用的情况来看，无线电信号、地磁、光等环境物理量都可以作为定位室内空间的可测量特征。在无线网络不断发展的背景下，无线本地接入网逐渐成为指纹识别定位所依赖的主要测量特征，能够用于各种复杂多变的室内环境定位，也能够降低以往用于定位的硬件布置的成本[2]。一般情况下，指纹识别定位包括离线定位阶段和在线定位阶段。离线定位阶段主要是指在划分好定位环境的栅格并确定物理位置之后，建立一个能够包含所有栅格的指纹信息数据库。在线阶段则主要是指基于在线情况下网络信号传递的强度大小来对指纹信息进行匹配和定位。

二、无线网络联合时间同步与定位技术的具体分析

当前提供位置服务所应用的无线网络定位方法在实际使用中存在着误差较大的问题。从定位技术的应用需求来看，将时间同步和定位两个阶段结合起来，能够通过纠正时钟偏差的方法来提高定位技术应用的实际效果。在对无线网络联合时间同步和定位技术进行分析时，主要可以从以下几个方面来入手：

（一）联合时间同步与定位模型

联合时间同步与定位技术原理的提出，主要是从定位技术实际应用中依赖的无线网络传感器系统的角度，通过对系统中待测阶段位置的估计来进行技术的调整，从而提高定位技术实际的应用精度。联合时间同步与定位技术的研究，最主要的就是解决如何在定位中实现时间同步的问题。而对这一问题进行研究的重要前提，就是基于定位技术的实际应用情况来构建一个联合时间同步与定位的模型，从而为技术的研究提供更加明确的依据。在构建模型的过程中，将传感器网络中各个节点在信号传递过程中产生的时间差值带入到速度距离公式当中，可以依据公式来得到节点之前的直线距离。假设传感器定位系统在实际应用中使用m个锚节点，在已知节点的位置信息和时钟偏差的情况下，应用Pi来标识第i个锚节点的位置信息，以γi来表示锚节点的时钟偏差，在m,n表示定位维度的情况下，可以得到基于传感器定位系统的联合时间同步与定位模型方程：

（i=1，2，m）

在该方程中，εi代表锚节点测量时间产生的误差，c表示电磁波的传播速度，P-Pi代表锚节点与待测节点之间的距离，Ti代表待测节点的一个电波信号。

考虑到在以本地时钟作为基准的情况下，锚节点自身的时钟记录才能够代表其接收信号准确的时刻值，在实际应用定位技术中就会存在较为明显的误差，因而需要通过引入时钟偏差变量的方式，提高节点之间距离计算的精准度。

（二）基于GTRS的联合时间同步与定位算法

在建立联合时间和定位的算法模型之后，基于算法模型中添加的锚节点时钟偏差，可以有效解决待测节点存在的位置和时钟偏差问题。在对算法模型进行分析的过程中，主要通过计算得到非线性最小二乘法的最优解的方式，提高算法模型定位的精准性。具体而言，考虑到事先构建的模型是非线性方程，在对未知参数进行求解的过程中，需要以解决非线性方程的非凸问题为主要目标，充分发挥GTRS算法的优势，将问题进行线性化的处理。在对构建的模型公式进带入光速并进行移项处理之后，将得到的公式基于最小二乘准则来得到一个线性最小二乘的估计问题，然后对估计问题的观测值和真实值进行平方处理，再对产生的误差进行最小化处理。在这个过程中，还需要将估计问题以展开公式的方法，将估计问题转化为线性问题，在得到一个二次目标函数之后，可以通过添加二次等式约束的方法，解决非凸问题，从而保证在实际应用定位技术的过程中能够获得最优解。GTRS算法本身是一个较为稳定的算法，能够用于多种噪声环境当中，保证目标函数的最优解，应用该算法，能够在保证计算更为简便的情况下，得到一个能够计算得出全局最优解的中分必要条件，依据这一有限次的运算，能够得到方程的最优解。

在实际应用基于GTRS的联合时间同步定位算法时，需要注意将目标函数的求解问题转化为多项式的零点求解问题，然后通过对得到的目标函数定义区间进行求解分析。在将目标函数的求解优化问题转化为函数式的求取零点问题之后，可以直接利用已知的充分必要条件来计算得到目标函数的定义区间。在得到目标函数的定义区间之后，还需要对目标函数在定位区间中的单调性进行证明。从定位技术的实际应用要求来看，目标函数的单调性在一定程度上决定了目标函数是否存在唯一或不唯一的零点。对函数的单调性进行判断和证明，一般应用的是定义法和导数法。对定位技术算法进行研究，需要应用导数法来得到具体的目标函数值。这是因为导数法能够被应用到一些更为抽象的函数式中，而定位算法技术本身缺少能够进行定义分析的多项式，因而需要应用导数法来满足对函数定义区间单调性的分析。

结论：综上所述，应用无线网络联合时间同步与定位技术，能够从降低技术应用误差的方式来提高定位技术的精准度。基于当前定位技术存在的时间同步和定位技术相互独立的问题，在对技术进行优化时，需要以无线网络为基础，以优化算法的方式来取得定位最优解，从而有效提高定位技术的应用精度，让定位技术能够更好地满足当前多个行业和领域发展的技术要求。

参考文献：

[1]刘大鹍,陈桂芬等. 无线自组织网络协作时间同步优化算法[J]. 兵工学报,2020,41(04):702-710.

[2]张齐齐. 无线网络联合时间同步与定位技术研究[D].西安电子科技大学,2019.