一种基于混合测量的分布式无线传感网络的节点定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混合测量的分布式无线传感网络的节点定位方法，其为混合测量下的定位问题提供了一个统一的解决问题的方案，每个节点可以拥有不同的测量能力，包括距离、角度和相对位置测量；在这种情况下，本发明专利技术分布式算法使得每个未知节点可以估计出自己的未知，每个节点无需配备类似指南针的设备来统一局部坐标系的方向，在恶劣的环境中增加了定位的灵活性；此外本发明专利技术算法具有指数收敛的性质，收敛速度快，而且可以全局收敛，算法不会使估计值陷入局部最优值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感网络
，具体涉及一种基于混合测量的分布式无线传感网络的节点定位方法。
技术介绍
无线传感器网络应用中，定位问题是一个基本问题，传感器节点定位问题在军事搜索、目标跟踪等应用中具有重要意义。定位问题的目标是决定传感器节点在某个坐标系下的物理位置。在大规模无线传感器网络中，受到传感器节点体积、成本等因素限制，不能为所有节点配备全局定位装置如GPS。在无线传感器网络中，存在巨大数量的传感器节点，所以每个传感器节点不能获得所有传感器节点的信息，所以需要分布式的定位算法。即每个传感器节点只需与邻近的传感器节点进行测量和通信，就可以通过分布式算法估计自己的位置信息。在大规模传感器网络中，传感器节点很有可能拥有不同的测量能力。传感器网络中两个最常见的测量信息是距离信息和到达角信息，所以传感器节点可能有三种测量能力：距离测量能力、到达角度测量能力、相对位置测量能力(兼备距离和到达角测量)。公开号为CN101730224A的中国专利申请《基于分布式优化策略的无线传感器网络节点定位方法》中公开了一种无线传感器网络节点定位方法，但是该方法要求每个节点都有能力测量邻居节点的相对距离和相对角度，然而在大规模无线传感器网络中，很可能每个节点只有一种测量能力，距离或者角度，而不具备两者的测量能力。现有的技术很少为混合测量的定位问题提供一个系统的解决框架，基于最优化的定位算法很容易陷入局部最优解而无法最终定位。同时，当用到到达角信息时，现有技术大都假设节点配备指南针从而局部坐标轴有共同的方向，这在有价格限制和能量限制情况下是不现实的。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种基于混合测量的分布式无线传感网络的节点定位方法，该方法为混合测量下的传感器节点定位问题提供了统一的分析框架，并且算法是在每个传感器节点局部坐标系下完成的，不需要配备指南针。一种基于混合测量的分布式无线传感网络的节点定位方法，包括如下步骤：(1)对于网络中未安装GPS的任一节点i，确定其邻居节点集合Ni；(2)根据节点i自身的测量信息及其邻居节点的交互信息计算节点i相对各邻居节点的重心坐标；(3)对于节点i，根据其相对各邻居节点的重心坐标基于以下迭代方程求解出节点i自身的位置坐标：pi(t+1)=pi(t)+γΣj∈NiAij(pj(t)-pi(t))]]>其中：pi(t)和pi(t+1)分别为第t次迭代和第t+1次迭代节点i的位置坐标，pj(t)为第t次迭代节点j的位置坐标，节点j为节点i的邻居节点即节点j属于邻居节点集合Ni，Aij为节点i相对节点j的重心坐标，γ为权重系数且γ∈(0，1)，t为迭代次数。所述的步骤(1)中确定邻居节点集合Ni的方法为：使网络中所有节点进行广播，若节点i收到节点j的广播数据包，则确定节点i与节点j互为邻居节点；将节点i的所有邻居节点组成邻居节点集合Ni。所述的步骤(2)中计算节点i相对各邻居节点的重心坐标，具体过程如下：2.1对于邻居节点集合Ni中的任一节点j，从邻居节点集合Ni中找出所有关于节点j的三点邻居组合，所述的三点邻居组合包含节点j以及另外两个属于邻居节点集合Ni中的节点，这三个节点互为邻居节点且节点i位于这三个节点所围成的三角形区域中；2.2对于任一关于节点j的三点邻居组合，该组合包含节点j、节点l以及节点k；根据这三个节点的测量能力类型，计算出节点i相对节点j、节点l以及节点k的局部重心坐标；2.3根据步骤2.2遍历所有关于节点j的三点邻居组合，得到N个关于节点i相对节点j的局部重心坐标aij，进而根据以下公式计算出节点i相对节点j的重心坐标Aij：Aij=1NΣn=1Naijn]]>其中：N为所有关于节点j的三点邻居组合的种数，为在第n种三点邻居组合中节点i相对节点j的局部重心坐标。所述的步骤2.2中若节点i具有距离测量能力或到达角度测量能力，节点j、节点l和节点k中至少存在一个节点具有相对位置测量能力且假设该节点为节点j，则通过以下公式计算节点i相对节点j、节点l以及节点k的局部重心坐标aij、ail和aik：aij=SiklSjkl,aik=SjilSjkl,ail=SjkiSjkl]]>Sikl=12pijpkjplj111,Sjil=12pjjpijplj111]]>Sjki=12pjjpkjpij111,Sjkl=12pjjpkjplj111]]>其中：Sikl为由节点i、节点k和节点l所围成三角形区域的有向面积，Sjil为由节点j、节点i和节点l所围成三角形区域的有向面积，Sjki为由节点j、节点k和节点i所围成三角形区域的有向面积，Sjkl为由节点j、节点k和节点l所围成三角形区域的有向面积，和分别为节点j、节点l、节点k和节点i在节点j坐标系下的位置坐标且所述的步骤2.2中若节点i具有距离测量能力，节点j、节点l和节点k中至少存在两个节点也具有距离测量能力且假设这两个节点分别为节点j和节点l，则通过以下公式计算节点i相对节点j、节点l以及节点k的局部重心坐标aij、ail和aik：aij=SiklSjkl,aik=SjilSjkl,ail=SjkiSjkl]]>Sikl2=-116011110dik2dil21dki20dkl21dli2dlk20,Sjil2=-116011110dji2djl21dij20dil21dlj2dli20]]>Sjkl2=-116011110djk2dji21dkj20dki21dij2dik20,Sjkl2=-116011110djk2djl21dkj20dkl21dlj2dlk20]]>其中：Sikl为由节点i、节点k和节点l所围成三角形区域的有向面积，Sjil为由节点j、节点i和节点l所围成三角形区域的有向面积，Sjki为由节点j、节点k和节点i所围成三角形区域的有向面积，Sjkl为由节点j、节点k和节点l所围成三角形区域的有向面积，dij＝dji且均表示节点j至节点i的距离，dik＝dki且均表示节点k至节点i的距离，dil＝dli且均表示节点l至节点i的距离，dkj＝djk且均表示节点j至节点k的距离，dkl＝dlk且均表示节点l至节点k的距离，djl＝dlj且均表示节点l至节点j的距离。所述的步骤2.2中若节点i具有距离测量能力，节点j、节点l和节点k中至少存在两个节点具有到达角度测量能力且假设这两个节点分别为节点j和节点l，则通过以下过程计算节点i本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于混合测量的分布式无线传感网络的节点定位方法，包括如下步骤：(1)对于网络中未安装GPS的任一节点i，确定其邻居节点集合Ni；(2)根据节点i自身的测量信息及其邻居节点的交互信息计算节点i相对各邻居节点的重心坐标；(3)对于节点i，根据其相对各邻居节点的重心坐标基于以下迭代方程求解出节点i自身的位置坐标：pi(t+1)=pi(t)+γΣj∈NiAij(pj(t)-pi(t))]]>其中：pi(t)和pi(t+1)分别为第t次迭代和第t+1次迭代节点i的位置坐标，pj(t)为第t次迭代节点j的位置坐标，节点j为节点i的邻居节点即节点j属于邻居节点集合Ni，Aij为节点i相对节点j的重心坐标，γ为权重系数且γ∈(0，1)，t为迭代次数。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合测量的分布式无线传感网络的节点定位方法，包括如下步
骤：
(1)对于网络中未安装GPS的任一节点i，确定其邻居节点集合Ni；
(2)根据节点i自身的测量信息及其邻居节点的交互信息计算节点i相对
各邻居节点的重心坐标；
(3)对于节点i，根据其相对各邻居节点的重心坐标基于以下迭代方程求
解出节点i自身的位置坐标：
pi(t+1)=pi(t)+γΣj∈NiAij(pj(t)-pi(t))]]>其中：pi(t)和pi(t+1)分别为第t次迭代和第t+1次迭代节点i的位置坐标，pj(t)
为第t次迭代节点j的位置坐标，节点j为节点i的邻居节点即节点j属于邻居节
点集合Ni，Aij为节点i相对节点j的重心坐标，γ为权重系数且γ∈(0，1)，t为迭
代次数。
2.根据权利要求1所述的节点定位方法，其特征在于：所述的步骤(1)中
确定邻居节点集合Ni的方法为：使网络中所有节点进行广播，若节点i收到节
点j的广播数据包，则确定节点i与节点j互为邻居节点；将节点i的所有邻居
节点组成邻居节点集合Ni。
3.根据权利要求1所述的节点定位方法，其特征在于：所述的步骤(2)中
计算节点i相对各邻居节点的重心坐标，具体过程如下：
2.1对于邻居节点集合Ni中的任一节点j，从邻居节点集合Ni中找出所有关
于节点j的三点邻居组合，所述的三点邻居组合包含节点j以及另外两个属于邻
居节点集合Ni中的节点，这三个节点互为邻居节点且节点i位于这三个节点所
围成的三角形区域中；
2.2对于任一关于节点j的三点邻居组合，该组合包含节点j、节点l以及节
点k；根据这三个节点的测量能力类型，计算出节点i相对节点j、节点l以及节
点k的局部重心坐标；
2.3根据步骤2.2遍历所有关于节点j的三点邻居组合，得到N个关于节点

\ti相对节点j的局部重心坐标aij，进而根据以下公式计算出节点i相对节点j的
重心坐标Aij：
Aij=1NΣn=1Naijn]]>其中：N为所有关于节点j的三点邻居组合的种数，为在第n种三点邻居组合
中节点i相对节点j的局部重心坐标。
4.根据权利要求3所述的节点定位方法，其特征在于：所述的步骤2.2中
若节点i具有距离测量能力或到达角度测量能力，节点j、节点l和节点k中至
少存在一个节点具有相对位置测量能力且假设该节点为节点j，则通过以下公式
计算节点i相对节点j、节点l以及节点k的局部重心坐标aij、ail和aik：
aij=SiklSjkl,aik=SjilSjkl,ail=SjkiSjkl]]>Sikl=12|pijpkjplj111|,Sjil=12|pjjpijplj111|]]>Sjki=12|pjjpkjpij111|,Sjkl=12|pjjpkjplj111|]]>其中：Sikl为由节点i、节点k和节点l所围成三角形区域的有向面积，Sjil为由节
点j、节点i和节点l所围成三角形区域的有向面积，Sjki为由节点j、节点k和节
点i所围成三角形区域的有向面积，Sjkl为由节点j、节点k和节点l所围成三角
形区域的有向面积，和分别为节点j、节点l、节点k和节点i在节
点j坐标系下的位置坐标且5.根据权利要求3所述的节点定位方法，其特征在于：所述的步骤2.2中
若节点i具有距离测量能力，节点j、节点l和节点k中至少存在两个节点也具
有距离测量能力且假设这两个节点分别为节点j和节点l，则通过以下公式计算
节点i相对节点j、节点l以及节点k的局部重心坐标aij、ail和aik：
aij=SiklSjkl,aik=SjilSjkl,ail=SjkiSjkl]]>Sikl2=-116|011110dik2dil21dki20dkl21dli2dlk20|,Sjil2=-116|011110dji2djl21dij20dil21dlj2dli20|]]>Sjki2=-116|011110djk2dji21dkj20dki21dij2dik20|,Sjkl2=-116|011110djk2djl21dkj20dkl21dlj2dlk20|]]>其中：Sikl为由节点i、节点k和节点l所围成三角形区域的有向面积，Sjil为由节
点j、节点i和节点l所围成三角形区域的有向面积，Sjki为由节点j、节点k和节
点i所围成三角形区域的有向面积，Sjkl为由节点j、节点k和节点l所围成三角
形区域的有向面积，dij＝dji且均表示节点j至节点i的距离，dik＝dki且均表示节点
k至节点i的距离，dil＝dli且均表示节点l至节点i的距离，dkj＝djk且均表示节点j
至节点k的距离，dkl＝dlk且均表示节点l至节点k的距离，djl＝dlj且均表示节点l
至节点j的距离。
6.根据权利要求3所述的节点定位方法，其特征在于：所述的步骤2.2中
若节点i具有距离测量能力，节点j、节点l和节点k中至少存在两个节点具有
到达角度测量能力且假设这两个节点分别为节点j和节点l，则通过以下过程计
算节点i相对节点j、节点l以及节点k的局部重心坐标aij、ail和aik：
首先，确定节点i在节点j坐标系下的位置坐标以及节点j在节
点j坐标系下的位置坐标其中：dij为节点j至节点i的距离，为节点
j坐标系下节点i至节点j的到达角度；
然后，根据以下公式计算节点l在节点j坐标系下的位置坐标plj=pij-dilblij]]>blij=cos(αlj)-sin(αlj)sin(αlj)cos(αlj)blil]]>αlj＝δjl-δlj+π
其中：dil为节点l至节点i的距离，为节点j坐标系下节点i至节点l的到达
角度，为节点l坐标系下节点i至节点l的到达角度，αlj为节点j坐标系相对
节点l坐标系的旋转角度，δji为在节点j坐标系中的幅角，δlj为在节点l
坐标系中的幅角，为节点j坐标系下节点l至节点j的到达角度，为节点l
坐标系下节点j至节点l的到达角度；
进而，通过求解以下方程计算节点k在节点j坐标系下的位置坐标(pkj-plj)Tcosπ2-sinπ2sinπ2cosπ2blkj=0(pkj)Tcosπ2-sinπ2sinπ2cosπ2bjkj=0]]>blkj=cos(&alph...

【专利技术属性】
技术研发人员：林志赟，韩廷睿，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33