基于RSSI-LQI的地震勘探定位系统设计与实现

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地震勘探是地下资源勘探中最常用的勘探方法之一。地震勘探的定位系统通常使用GPS全球定位系统,GPS定位系统具有精确度高,抗干扰能力强的特点,但是在比较恶劣的环境时可能无法正常接收到GPS信号。通常采用基于信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)的测距算法实现定位系统,但是基于RSSI的测距算法有精确度低、易受环境影响等缺点,因此本文提出一种基于信号强度指示与链路质量指示(Received Signal Strength Indication-Link Quality Indicator,RSSI-LQI)的改进加权三角质心算法实现地震勘探定位系统,在GPS定位系统无法对地震勘探系统节点进行定位时,获取未知节点的位置信息,提高地震勘探的可靠性。本文针对定位的两个阶段分别对基于RSSI的测距算法进行了改进:(1)测距阶段,本文引入距离影响因素链路质量指示(Link Quality Indicator,LQI),通过实际测距实验结果分析RSSI和LQI的衰落曲线,并采用分段的方式对曲线进行拟合。在定位过程中,计算未知节点与信标节点之间的距离是定位的关键,如果不能获取准确的未知节点与信标节点的距离关系,会影响未知节点定位精确度。本文详细分析了使测量出现误差的影响因素,包括硬件因素和环境因素的影响,因此在数据测量工作中,如何对硬件进行正确的选取以及减少环境和人为等因素的影响尤为重要。由于本文所提出的定位系统最终应用在室外,对未知节点而言,周围的环境越复杂,那么采集到的RSSI和LQI数据值变化越大,所以本文采用卡尔曼滤波算法与均值滤波算法相结合的方式对测距采集到的RSSI和LQI数据值进行校正,提高测距精度;(2)定位阶段,为了防止数据帧在经历多跳时陷入死循环,未知节点与信标节点的距离过大导致测距无效等问题,本文在设计数据帧时加入了距离和、MAC地址和跳数值等数据结构体。此外,定位算法本身也会导致误差,目前常见的定位系统的节点坐标计算方法是采用加权三角质心算法进行定位,但采用加权三角质心算法进行定位时,由于测距的误差,加权三角质心算法的三个质心圆可能不会相交,进而导致加权三角质心算法无法定位,并且加权三角质心算法定位的精确度较低。因此,本文对加权三角质心算法进行了改进,提出新的权值,提高了定位精确度,使未知节点在误差过大的情况下正常定位。通过MATLAB软件将本文所提出的基于RSSI-LQI的改进加权三角质心算法与其它三种定位算法进行仿真对比,仿真结果表明,相比于其它三种定位算法,本文所提出的定位算法精确度更高。最后,在本文提出基于RSSI-LQ1的改进加权三角质心算法的基础上完成对地震勘探定位系统的设计,并搭建了定位系统的软硬件平台。在室外环境中,分别对基于RSSI的定位系统、基于LQI的定位系统和本文设计的定位系统进行定位实验。实验结果表明,本文所设计的基于RSSI-LQI的地震勘探定位系统比其它两种定位系统的精确度更高,使得节点通信半径在20m时,定位精度在1.7m左右,为整个地震勘探系统提供了有力的保障。
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