SE534644C2

A method for localization of nodes by using partial order of the nodes

Abstract

The present invention relates to a new method for localization, i.e. finding positions and orientations of nodes communicating in wireless networks. The method is based on using directional information (angle-of-arrival, AOA), and optionally distance information, combined with estimation by recursive filters such as e.g, Kaiman filters, recursive least squares filters, Bayesian filters, or particle filters. The method expresses the localization problem as set of linear equations and ensures stability and convergence by imposing a partial order on the nodes.

SE534644C2, drawing sheet 1
Sheet 1 of 23

Term

No projected expiry on record.

  1. Priority and filed
  2. Granted
  3. Today

19 claims: 9 independent, 10 dependent

  1. 1
    CLAIMS PATENTKRAV 1. System (10) som är operabelt för att lokalisera, dvs. hitta positioner och orienteringar för noder (X, ..., Y) som kommunicerar i ett trådlöst nätverk (12), varvid varje nod (X,..., Y) omfattar ett partiellt ordningsorgan (14X,..., 14Y) som är operabelt för att initialt klassificera sin nod (X, ..., Y) såsom en ankarnod (A) om ett mått på osäkerhet av lägesuppskattningen, såsom en kovariansnorm för ett lägesuppskattningsfel, ligger under ett första tröskelvärde, eller annars klassificera sin nod som en icke ankarnod, vilket ger upphov till en partiell ordning av dessa noder (X,..., Y), kännetecknat av att varje nod (X,..., Y) även omfattar ett styrorgan (16X,..., 16Y) anslutet till det partiella ordningsorganet (14X,..., 14Y) samt till det till styrorganet (16X,..., 16Y) anslutna rekursiva filterorganet (18X,..., 18Y), varvid varje gång en nod (X) mottar ett meddelande från en annan nod (Y) så är styrorganet (16X) operabelt att kontrollera att denna nod (Y) ligger före noden (X) i den partiella ordningen, varvid en nod (Y) som ligger före en nod (X) betyder att noden (Y) är belägen i en ordnad sekvens innefattande både noden (X) och noden (Y) och är belägen närmare en initial ankarnod i sekvensen än noden (X) är, varvid det rekursiva filterorganet (18X) är operabelt att appliceras i det aktuella läget och mätvärdet, vilket ger ett uppdaterat läge, varvid det partiella ordningsorganet (14X), om noden (Y) ligger före noden (X), är operabelt att uppdatera statusen för noden (X) i den partiella ordningen, varvid varje styrorgan (16X, .... 16Y) är operabelt att upprepa det ovan angivna, vilket ger läge och orientering för varje nod (X,..., Y) och av att för systemet (10) är åtminstone en uppskattning vald från gruppen bestående av de två uppskattningarna, 1st System (10) operable for locating, i.e. finding positions and orientations for nodes (X, ..., Y) communicating in a wireless network (12), each node (X, ..., Y) comprising a partial ordering means (14X, ..., 14Y) operable to initially classify its node (X, ..., Y) as an anchor node (A) if a measure of uncertainty of position estimation, such as a covariance norm for a position estimation error, is below a first threshold value, or otherwise classify its node like a non-anchor node, which gives rise to a partial arrangement of these nodes (X, ..., Y), characterized in that each node (X, ..., Y) also comprises a control means (16X, ..., 16Y) connected to it. partial ordering means (14X, ..., 14Y) and the recursive filter means (18X, ..., 18Y) connected to the control means (16X, ..., 18Y), each time a node (X) receives a message from another node (Y), the controller (16X) is operable to check that this node (Y) is ahead of the node (X) in the partial order;wherein a node (Y) preceding a node (X) means that the node (Y) is located in an ordered sequence comprising both node (X) and node (Y) and is located closer to an initial anchor node in the sequence than node (X). ), wherein the recursive filter means (18X) is operable to be applied in the current position and the measurement value, giving an updated position, wherein the partial ordering means (14X), if the node (Y) is ahead of the node (X), is operable to update the status of node (X) in the partial order, with each controller (16X, .... 16Y) operable to repeat the above, giving the location and orientation of each node (X, ..., Y) and that for the system (10) at least one estimate is selected from the group consisting of the two estimates;- positionsuppskattning, varvid mätvärdesekvationssystemet innefattar vektorer x och y relaterade såsom Gy = Gx, där G är en matris, där y är en vektor innefattande en positionskoordinatuppskattning för en nod (Y) mottagen från noden (Y), och där x är en lägesvektor innefattande en positionskoordinat för noden (X), och position estimation, wherein the measurement equation system comprises vectors x and y related such as Gy = Gx, where G is a matrix, where y is a vector comprising a position coordinate estimate of a node (Y) received from the node (Y), and where x is a position vector comprising a position coordinate of the node (X), and - orienteringsuppskattning, varvid mätvärdesekvationssystemet innefattar vektorer z och x relaterade såsom z = Hx, varvid H är en matris, där z är en mätvärdesvektor innefattande en ankomstvinkel för noden (X), och där x är en lägesvektor innefattande en orienteringskoordinat och en ankomstvinkel för noden (X). orientation estimation, wherein the measurement equation system comprises vectors z and x related such as z = Hx, wherein H is a matrix, where z is a measurement value vector comprising an arrival angle of the node (X), and where x is a position vector comprising an orientation coordinate and an arrival angle of the node. (X). 534 644 534 644
  2. 4
    System (10) enligt något av patentkraven 1-3, kännetecknat av att varje rekursivt filterorgan (18X.....18Y) är ett rekursivt minsta kvadratfilter eller viktat rekursivt minsta kvadratfilter. 4th System (10) according to any one of claims 1-3, characterized in that each recursive filter means (18X ..... 18Y) is a recursive smallest square filter or weighted recursive smallest square filter.
  3. 5
    System (10) enligt något av patentkraven 1-3, kännetecknat av att varje rekursivt filterorgan (18X, .... 18Y) är ett Kalman filter. 5th System (10) according to any one of claims 1-3, characterized in that each recursive filter means (18X, .... 18Y) is a Kalman filter.
  4. 9
    System (10) enligt något av patentkraven 1-8, kännetecknat av att varje nod (X, ..., Y) även omfattar ett till nämnda styrorgan (16x.....16Y) anslutet min534 644 nesorgan (20X.....2OY), som är operabelt för att lagra uppskattad ankomstvinkel (AOA) för en nod (X) från varje grannod, fel (varians) för AOA uppskattningen, uppskattad orientering av noden (X), fel (varians) för orienteringsuppskattningen, uppskattad position samt fel (varians) för positionsuppskattningen. 9th System (10) according to any one of claims 1-8, characterized in that each node (X, ..., Y) also comprises a minus 5434 644 connected to said control means (16x ..... 16Y). ..2OY), which is operable to store estimated angle of arrival (AOA) of a node (X) from each neighbor node, error (variance) of the AOA estimate, estimated orientation of node (X), error (variance) of orientation estimate, estimated position and error (variance) for position estimation.
  5. 10
    Förfarande för att lokalisera, dvs. hitta positioner och orienteringar för noder (X,.... Y) som kommunicerar i ett trådlöst nätverk (12), vilket förfarande omfattar stegen:10th Method of locating, i.e. finding positions and orientations for nodes (X, .... Y) communicating in a wireless network (12), the procedure comprising the steps of: - att initialt klassificera en nod (X, ..., Y) som en ankarnod (A) om ett mått på osä- kerheten för lägesuppskattningen, såsom en kovariansnorm för ett lägesuppskattningsfel, ligger under ett första tröskelvärde, eller annars klassificera sin nod (X, ..., Y) som en icke ankarnod, vilket ger upphov till en partiell ordning av dessa noder (X.....Y);- initially classifying a node (X, ..., Y) as an anchor node (A) if a measure of the position estimation uncertainty, such as a covariance norm for a position estimation error, is below a first threshold value, or otherwise classifying its node ( X, ..., Y) as a non-anchor node, giving rise to a partial order of these nodes (X ..... Y);- each time a node (X) receives a message from another node (Y), the node (X) performs the following steps: - - varje gång en nod (X) mottar ett meddelande från en annan nod (Y) så utför noden (X) följande steg: - - att kontrollera att noden (Y) ligger före noden (X) i den partiella ordningen, varvid en nod (Y) som ligger före en nod (X) betyder att noden (Y) är belägen i en ordnad sekvens innefattande både noden (X) och noden (Y) och är belägen närmare en initial ankarnod i sekvensen än noden (X) är;checking that the node (Y) is ahead of the node (X) in the partial order, wherein a node (Y) preceding a node (X) means that the node (Y) is located in an ordered sequence comprising both the node (X) ) and node (Y) and is located closer to an initial anchor node in the sequence than node (X) is;- applying a recursive filter for the current position and the measured value, if the node (Y) is ahead of the node (X), giving an updated position;and - att applicera ett rekursivt filter för det aktuella läget och mätvärdet, om noden (Y) ligger före noden (X), vilket ger ett uppdaterat läge;och - att uppdatera statusen för noden (X) i den partiella ordningen;och förfarandet omfattar även steget: - updating the status of the node (X) in the partial order;and the method also comprises the step: - att upprepa de ovan angivna stegen, vilket ger läge och orientering för varje nod (X,..., Y) och av att för förfarandet är åtminstone en uppskattning vald från gruppen bestående av de två uppskattningarna, - repeating the above steps, which gives the position and orientation of each node (X, ..., Y) and that for the method at least one estimate is selected from the group consisting of the two estimates, - positionsuppskattning, varvid mätvärdesekvationssystemet innefattar vektorer y och x relaterade såsom Gy = Gx, där G är en matris, där y är en vektor innefattande en positionskoordinatuppskattning för en nod (Y) mottagen från noden (Y), och där x är en lägesvektor innefattande en positionskoordinat för noden (X), och position estimation, wherein the measurement value equation system comprises vectors y and x related such as Gy = Gx, where G is a matrix, where y is a vector comprising a position coordinate estimate of a node (Y) received from the node (Y), and where x is a position vector comprising a position coordinate of the node (X), and - orienteringsuppskattning, varvid mätvärdesekvationssystemet innefattar vektorer z och x relaterade såsom z = Hx, varvid H är en matris, där z är en mätvärdesvektor innefattande en ankomstvinkel för noden (X), och där x är en orientation estimation, wherein the measurement value equation system comprises vectors z and x related such as z = Hx, where H is a matrix, where z is a measurement value vector comprising an angle of arrival of the node (X), and where x is a 534 644 position vector comprising an orientation coordinate and an angle of arrival of the node (X). 534 644 lägesvektor innefattande en orienteringskoordinat och en ankomstvinkel för noden (X).
  6. 13
    Förfarande enligt något av patentkraven 10-12, kännetecknat av att det rekursiva filtret är ett rekursivt minsta kvadratfilter eller viktat rekursivt minsta kvadratfilter. 13th Method according to any one of claims 10-12, characterized in that the recursive filter is a recursive smallest square filter or weighted recursive smallest square filter.
  7. 14
    Förfarande enligt något av patentkraven 10-12, kännetecknat av att det rekursiva filtret är ett Kalman filter. 14th Process according to any one of claims 10-12, characterized in that the recursive filter is a Kalman filter.
  8. 15
    Förfarande enligt något av patentkraven 10-14, kännetecknat av att förfarandet även omfattar steget:att tilldela en initialt klassificerad ankarnod (A) en fixerad minimirankning, varvid rankning hänför sig till en enhet som hörsammar en total ordning, varvid en ankarnod (A) alltid föregår en icke ankarnod i den partiella ordningen. 15th Method according to any one of claims 10-14, characterized in that the method also comprises the step of: assigning an initially classified anchor node (A) a fixed minimum ranking, where ranking refers to a unit that obeys a total order, an anchor node (A) always precedes a non-anchor node in the partial order.
  9. 18
    Förfarande enligt något av patentkraven 10-17, kännetecknat av att förfarandet även omfattar steget:att för varje nod (X.....Y) lagra uppskattad an- komstvinkel (AOA) för en nod (X) från varje grannod, fel (varians) för AOA uppskattningen, uppskattad orientering av noden (X), fel (varians) för orienteringsupp5 skattningen, uppskattad position samt fel (kovarians) för positionsuppskattningen. 18th Method according to any one of claims 10-17, characterized in that the method also comprises the step of: storing for each node (X ..... Y) estimated angle of arrival (AOA) of a node (X) from each neighbor node, error ( variance) for the AOA estimate, estimated orientation of the node (X), error (variance) for the orientation estimate, estimated position, and error (covariance) for the position estimate.