一种基于正交投影能够检测无线传感网络节点翻转模糊的定位器制造技术

本发明专利技术设计了一种基于正交投影能够检测无线传感网络节点翻转模糊的定位器。利用正交投影方法，将无线传感网络节点定位中的翻转模糊检测等价为在二维空间中寻找一条直线的问题，要求该直线满足任意两个参考节点的测距误差圆在它上面的投影线段有重叠部分；将寻找这一直线的问题转化为一个角度计算问题，并利用坐标变换的方式求解，简化了计算过程。本发明专利技术采用多边定位方法进行节点的定位，定位中加入计算复杂度较低的基于正交投影的节点翻转模糊检测措施，不仅具有较好的检测效果，而且提高了节点定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交投影能够检测无线传感网络节点翻转模糊的定位方法
本专利技术属于无线传感器网络的节点定位领域。
技术介绍
无线传感网络(WirelessSensorNetworks,WSN)节点定位是当前的研究热点之一。WSN的节点定位方法通常可以划分为基于测距和基于非测距的两种方法。其中基于测距的方法，由于定位精度高在节点定位中被广泛采用。不过该方法存在从已知的数据所估计位置信息的非唯一性问题，也就是在定位中将出现节点的翻转模糊问题。而且，基于测距的定位方法在实际定位中，如果发生翻转模糊，就可能产生节点定位的雪崩效应，导致整个网络节点的定位失效。因此，有必要采取一定的措施去检测节点翻转模糊是否会发生，从而减小其对整个网络定位过程的影响。目前主要采用鲁棒四边形的方法来检测节点定位的翻转模糊问题。该类方法通过判断未知节点和三个参考节点组成的一个四边形是否满足一定的几何条件，来确定未知节点的定位不发生翻转模糊的鲁棒性。大多数鲁棒四边形方法只适用于采用三个参考节点的三边定位。相对于三边定位方法，使用多于三个参考节点的多边定位方法更能得到较小的平均定位误差，因此在基于测距的无线传感网络的节点定位中，大多采用多边定位方法。目前针对多边定位中节点翻转模糊问题的研究还是非常少，虽然有些鲁棒四边形方法也能用于多边定位，但是其计算复杂度大，而且判断效果较差。而将翻转模糊问题等价为判断是否存在一条直线和若干圆(以参考节点为圆心，以参考节点到未知节点的测距误差绝对值的最大值为半径)都相交(ExistenceofIntersectingLine，EIL)问题，是目前判断效果较好的一种用于多边定位中节点翻转模糊的检测方法。不过，目前求解EIL问题采用的公切线法，其计算复杂度太大。
技术实现思路
针对当前公切线法求解EIL问题计算复杂度较高的缺陷，本专利技术提供了一种基于正交投影能够检测无线传感网络节点翻转模糊的定位方法。此定位方法在定位过程中加入了检测节点翻转模糊的措施，并利用正交投影的方法，将EIL问题等价为在二维空间中寻找一条满足任意两个参考节点的测距误差圆在它上面的投影线段有重叠部分的直线问题，能够降低检测节点翻转模糊的计算复杂度。本专利技术是通过以下技术方案实现的：将寻找满足上述条件的直线问题转化为一个角度计算问题，并利用坐标变换的方式求解。将翻转模糊检测加入到无线传感网络的节点定位过程中，最后用多边定位方法对未知节点进行定位。具体实现过程如下：1.无线传感网络的节点定位中的翻转模糊问题描述节点定位的翻转模糊问题的发生指的是当参考节点间的位置几乎共线时，由于测距误差的存在，导致未知节点的定位存在两个关于某一条直线成镜像关系的估计位置。图2是节点的翻转模糊示意图，图中节点A、B和C是位置已知的参考节点，和分别是他们到未知节点的测量距离。以B、C两点为圆心，分别以和为半径画两个圆。未知节点的位置必然在两圆的交点D或D′上，且关于直线BC对称。假设待定位的未知节点位置为D，A到D和D′两点的距离分别为dad和d′ad。测量距离用来选择未知节点的估计位置，其选择的标准是更接近dad(选择D)还是更接近d′ad(选择D′)。当A、B、C三点几乎共线时，dad和d′ad相差不大。由于测距误差的存在，就有可能错误地选择D′作为未知节点D的估计位置。如果让这种错误定位的未知节点参与其它未知节点的定位，可能导致整个网络节点的定位失效。2.EIL问题无线传感网络的节点多边定位方法需用k(k≥3)个参考节点来定位一个未知节点。已知数据可以用一个集合i＝1,2,…,k表示，其中，pi表示第i个参考节点的位置，表示第i个参考节点到未知节点的测量距离。其中di和εi分别表示第i个参考节点到未知节点的真实距离和测距误差。将每个参考节点沿着各自的测距方向平移εi至一个新的位置可以得到另一个集合与集合M不同，集合M′没有测距误差。因此，在集合M′中，如果平移后的k个节点位置不共线，那么，在未知节点的定位过程中肯定不会发生翻转模糊。在实际情况下，测距误差εi是未知的，所以无法求出参考节点平移后的位置不过εi的取值是有界限的，故可以求出所处的区域范围。若δi表示未知节点到第i个参考节点测距误差绝对值的最大值，即，δi＝max|εi|，i＝1,2,…,k。那么，必然在以pi为圆心，δi为半径的圆内。可以用集合S＝{＜pi,δi＞}，i＝1，2，…,k表示这k个圆。对于集合S，若存在一条直线和k个圆都相交，那么pi平移后的位置有可能共线，则会发生节点的翻转模糊；否则，肯定不会共线，也不会发生翻转模糊。所以，翻转模糊问题可以等价为判断是否存在一条直线和若干圆都相交(EIL)问题。3.基于正交投影的节点翻转模糊检测方法基于正交投影的节点翻转模糊检测方法的理论基础来自于如下我们提出的定理。定理：EIL问题的充分必要条件是空间中存在一条直线，任意两个圆在该直线上的正交投影线段有重叠部分。根据此条定理，EIL问题可以转换为寻找满足上述条件直线的问题。由于空间中的每一条直线的方向可以用该直线与横坐标轴的夹角θ来表示，因此EIL问题可等价为能否找到满足条件的直线夹角θ值的问题。角度计算问题可以采用坐标变换的方法来求解，以简化计算过程。若二维空间中有一条直线l与x轴相交于坐标为(a，0)的点P，直线l与x轴的夹角为θ(0≤θ＜π)。经过两步坐标变换：第1步将原始坐标系xOy的坐标原点O平移至P点，得到坐标系x′O′y′。第2步将坐标系x′O′y′绕坐标原点O′旋转一个角度θ，得到坐标系x″O″y″。这样坐标系x″O″y″的横坐标轴与直线l重合。假设各圆的圆心在原坐标系的坐标为(xi，yi)，半径为ri，i＝1,2,…,k。由坐标变换的公式，可以得出各圆的圆心在坐标系x″O″y″上的坐标为((xi-a)cosθ+yisinθ,-(xi-a)sinθ+yicosθ)，i＝1,2,…,k。而各圆心在直线l上的正交投影点在坐标系x″O″y″的坐标为((xi-a)cosθ+yisinθ,0)，i＝1,2,…,k。因此若任意两个圆在直线l上的正交投影线段有重叠部分，则必须满足：|(xm-xn)cosθ+(ym-yn)sinθ|≤rm+rn(m＝1,2,…,k；n＝1,2,…,k；m≠n)上式表示的是包含g＝k(k-1)/2个不等式的不等式组。对该不等式组求解，若其有解，则空间中存在直线和这k个圆都相交，节点定位有可能发生翻转模糊。否则，空间中不存在和这k个圆都相交的直线，节点不会发生翻转模糊。4.基于正交投影能够检测无线传感网络节点翻转模糊的定位方法实现步骤(1)寻找可定位的未知节点。(2)通过无线信道模型估计未知节点与参考节点之间的距离。(3)设定各参考节点的测距误差圆的半径。(4)用基于正交投影的方法检测未知节点的定位是否会发翻转模糊。若节点定位可能发生翻转模糊，进入步骤(5)；否则，进入步骤(6)。(5)未知节点的定位可能会发生翻转模糊，不对其定位。(6)用多边定位方法对未知节点进行定位，求出其估计位置。本专利技术的有益效果在于：1.节点翻转模糊检测效果本定位方法中采用的基于正交投影翻转模糊检测方法与目前一般采用的公切线翻转模糊检测方法的检测结果是相同的。图3是节点分别为均匀分布和随机分布时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于正交投影能够检测无线传感网络节点翻转模糊的定位器，其特征在于：提出了一种基于正交投影的无线传感网络节点定位翻转模糊检测方法，该方法将节点定位中的翻转模糊检测等价为在二维空间中寻找一条直线问题，要求该直线满足任意两个参考节点的测距误差圆在它上面的投影线段有重叠。

【技术特征摘要】
1.一种基于正交投影能够检测无线传感网络节点翻转模糊的定位方法，其特征在于：在该定位方法中使用了一种基于正交投影的方法对无线传感网络的节点定位过程进行翻转模糊检测；该定位方法将节点定位中的翻转模糊检测问题等价为在二维空间中寻找一条直线问题，要求该直线满足任意两个参考节点的测距误差圆在它上面的投影线段有重叠；该方法包括以下步骤：步骤1：寻找可定位的未知节点；步骤2：通过无线信道模型估计未知节点与参考节点之间的距离；步骤3：设定各参考节点的测距误差圆的半径；步骤4：用基于正交投影的方法检测未知节点的定位是否会发翻转模糊；在该定位方法中，将节点定位的翻转模糊检测中寻找满足条件的直线问题转化一个角度计算问题，即寻找该直线与直角坐标系中横坐标轴正方向的夹角；假设需要寻找的直线与原始坐标系的横坐标轴的夹角为θ，首先用坐标变换的方法，使新坐标系的横坐标轴与所寻找的直线重合，即假设直...

【专利技术属性】
技术研发人员：董恩清，刘伟，张德敬，宋洋，高翔，孙祺，崔文韬，张军蕊，
申请(专利权)人：山东大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37