一种基于马鞍地形山区无线传感器网络节点的定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于马鞍地形山区无线传感器网络节点的定位方法，本发明专利技术无需测距的定位机制不需测量节点间的绝对距离或方位，降低了对节点硬件的成本，体积和能量消耗，更适合于大规模传感器网络。但非测距的节点定位方法的精度较低，在理想环境下其定位精度仍可满足应用的需求，但在山区复杂地形上的应用时其定位精度难于满足实际应用的要求。本发明专利技术是在山区马鞍形地形上的无线传感器网络非测距节点定位方法，大幅度提高了无线传感器网络节点的定位精度，完全能满足山区地形下无线传感器网络节点定位的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于马鞍地形山区无线传感器网络节点的定位方法，属于无线传感器网络定位

技术介绍
我国山区地形(包括丘陵和高原)占69.1％，森林覆盖率高，具有丰富的矿产资源，但矿产的开采易造成环境污染。我国地质条件复杂，构造活动频繁，滑坡、泥石流与地裂缝等灾害隐患多、分布广，且突发性和破坏性强，防范难度大，是世界上地质灾害较为严重、受威胁人口较多的国家之一。因此，开展环境监测、森林防火、山体滑坡等监测与预警研究具有十分重要的意义。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的出现引起了全世界范围的广泛关注。1999年，著名的美国商业周刊将无线传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一；2003年，MIT技术评论(Technology Review)在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的10大新技术之一。环境监测与预报、森林防火、地质灾害监测与预警等是无线传感器网络的重要应用领域。节点定位是无线传感器网络应用的重要基础。在无线传感器网络的应用中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要。例如：在大面积环境监测中需要知道污染源发生的地点；森林火灾灾情监测中，需要知道火灾发生的地域；在地质灾害监测预警中，必需要知道发生险情的时间与地域，以便迅速采取有效行动。目前现有的大多数无线传感器网络定位都是假设应用在理想环境下提出的。例如二维、三维的定位算法与路由算法适合三维自由空间内的随机节点分布情况，即假定信号传输模型为理想的球体。无线传感器网络实际应用环境往往是山区，此时，把非平面的网络用平面的或三维自由空间定位来确定节点位置，往往无法达到理想的性能要求，节点定位误差较大，难于满足实际应用的要求。根据是否测量距离分为基于测距定位算法和无需测距的定位算法。目前常用的测距技术有RSSI，TOA，TDOA和AOA。无需测距的定位方法主要有质心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法、APIT算法等，其中影响最大、应用最广泛的当属DV-Hop算法。无需测距的定位机制不需测量节点间的绝对距离或方位，降低了对节点硬件的成本，体积和能量消耗，更适合于大规模传感器网络。但非测距的节点定位方法的精度较低，在理想环境下其定位精度仍可满足应用的需求，但在山区复杂地形上的应用时其定位精度难于满足实际应用的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于马鞍地形山区无线传感器网络节点的定位方法。本专利技术是在山区马鞍形地形上的无线传感器网络非测距节点定位方法，大幅度提高了无线传感器网络节点的定位精度，完全能满足山区地形下无线传感器网络节点定位的要求。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术中所述的一种基于马鞍地形山区无线传感器网络节点的定位方法，包括如下步骤：(1)在山区马鞍地形上用三维DV-HOP定位算法求出无线传感器网络节点的初始位置；(2)建立山区马鞍地形方程，采用双曲抛物面作为马鞍地形的拟合函数，并结合最小二乘的曲面拟合算法，在山区电子地形图上取一组离散点的坐标来求拟合参数，求得马鞍地形方程；(3)将步骤(1)所求出节点的初始位置垂直投影到马鞍地形表面上；(31)求得过马鞍地形双曲抛物面任一点的法线方程；(32)通过在马鞍地形表面上的投影点的法线方程可得2个关于投影点坐标的方程，另外联立该投影点满足所述马鞍地形方程可求出关于投影点的坐标；(33)消去步骤(32)所求得投影点的任意两个坐标，得到关于投影点的坐标的任一坐标的一元五次方程；(34)所述节点初始位置在马鞍地形表面上的投影点有可能有多个，取距离节点初始位置更近的投影点作为未知节点的修正坐标；(4)解关于投影点的坐标的任一坐标的一元五次方程，所述一元五次方程的解法采用方程的数值解法，步骤如下：步骤一：自动搜索方程实数根的有根区间；步骤二：用二分法求方程的数值解,a、如果方程只有唯一的实数根，该一元五次方程的解就是所求的初始位置在马鞍地形上的投影,即所求未知节点的坐标估计值,最终确定未知节点的坐标；b、如果方程有n个实数根,找出n个根中距离所求出的未知节点初始位置最近的那个根，即为未知节点的最终坐标；c、如果方程无实数根,则所求的初始位置就是未知节点的最终坐标。所述定位方法具体包括如下步骤：(1)在山区马鞍地形上用三维DV-HOP定位算法求出无线传感器网络节点的初始位置，将未知节点到信标节点之间的距离用平均每跳距离和两者之间跳段数的乘积表示，使用四边测量法或极大似然估计法获得未知节点位置信息，具体如下：(11)计算未知节点与每个信标节点的最小跳数；(12)计算未知节点与信标节点的实际跳段距离；每个信标节点根据记录的其他信标节点的位置信息和相距最小跳数，利用公式S1计算平均每跳距离hopsize： hopsize i = Σ j ≠ i ( x i - x j ) 2 + ( y i - y j ) 2 + ( z i - z j ) 2 Σ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于马鞍地形山区无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在山区马鞍地形上用三维DV‑HOP定位算法求出无线传感器网络节点的初始位置；(2)建立山区马鞍地形方程，采用双曲抛物面作为马鞍地形的拟合函数，并结合最小二乘的曲面拟合算法，在山区电子地形图上取一组离散点的坐标来求拟合参数，求得马鞍地形方程；(3)将步骤(1)所求出节点的初始位置垂直投影到马鞍地形表面上；(31)求得过马鞍地形双曲抛物面任一点的法线方程；(32)通过在马鞍地形表面上的投影点的法线方程可得2个关于投影点坐标的方程，另外联立该投影点满足所述马鞍地形方程可求出关于投影点的坐标；(33)消去步骤(32)所求得投影点的任意两个坐标，得到关于投影点的坐标的任一坐标的一元五次方程；(4)解关于投影点的坐标的任一坐标的一元五次方程，所述一元五次方程的解法采用方程的数值解法，其步骤如下：步骤一：自动搜索方程实数根的有根区间；步骤二：用二分法求方程的数值解,方程的数值解有如下三种情况：a、如果方程只有唯一的实数根，该一元五次方程的解就是所求的初始位置在马鞍地形上的投影,即所求未知节点的坐标估计值,最终确定未知节点的坐标；b、如果方程有n个实数根,找出n个根中距离所求出的未知节点初始位置最近的那个根，即为未知节点的最终坐标；c、如果方程无实数根,则所求的初始位置就是未知节点的最终坐标。...

【技术特征摘要】
1.一种基于马鞍地形山区无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在山区马鞍地形上用三维DV-HOP定位算法求出无线传感器网络节点的初始位置；(2)建立山区马鞍地形方程，采用双曲抛物面作为马鞍地形的拟合函数，并结合最小二乘的曲面拟合算法，在山区电子地形图上取一组离散点的坐标来求拟合参数，求得马鞍地形方程；(3)将步骤(1)所求出节点的初始位置垂直投影到马鞍地形表面上；(31)求得过马鞍地形双曲抛物面任一点的法线方程；(32)通过在马鞍地形表面上的投影点的法线方程可得2个关于投影点坐标的方程，另外联立该投影点满足所述马鞍地形方程可求出关于投影点的坐标；(33)消去步骤(32)所求得投影点的任意两个坐标，得到关于投影点的坐标的任一坐标的一元五次方程；(4)解关于投影点的坐标的任一坐标的一元五次方程，所述一元五次方程的解法采用方程的数值解法，其步骤如下：步骤一：自动搜索方程实数根的有根区间；步骤二：用二分法求方程的数值解,方程的数值解有如下三种情况：a、如果方程只有唯一的实数根，该一元五次方程的解就是所求的初始位置在马鞍地形上的投影,即所求未知节点的坐标估计值,最终确定未知节点的坐标；b、如果方程有n个实数根,找出n个根中距离所求出的未知节点初始位置最近的那个根，即为未知节点的最终坐标；c、如果方程无实数根,则所求的初始位置就是未知节点的最终坐标。2.如权利要求1所述的一种基于马鞍地形山区无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于，所述定位方法具体包括如下步骤：(1)在山区马鞍地形上用三维DV-HOP定位算法求出无线传感器网络节点的初始位置，将未知节点到信标节点之间的距离用平均每跳距离和两者之间跳段数的乘积表示，使用四边测量法或极大似然估计法获得未知节点位置信息，具体如下：(11)计算未知节点与每个信标节点的最小跳数hmin；(12)计算未知节点与信标节点的实际跳段距离Sd；每个信标节点根据记录的其他信标节点的位置信息和相距最小跳数，利用公式S1计算平均每跳距离hopsize： hopsize i = Σ j ≠ i ( x i - x j ) 2 + ( y i - y j ) 2 + ( z i - z j ) 2 Σ j ≠ i h j - - - S 1 ]]>其中(xi,yi,zi)，(xj,yj,zj)是信标节点i，j的坐标，hj为信标节点i与j(i≠j)之间的跳段数；未知节点i与信标节点j的实际跳段距离为:Sdij＝hminij×hopsizei(13)未知节点利用上述记录的到各个信标节点的跳段距离，利用四边测量法或极大似然估计法计算自身坐标；(131)所述四边测量法具体如下：已知A、B、C、D四个节点的坐标分别为(xa，ya，za)，(xb，yb，zb)，(xc，yc，zc)，(xd，yd，zd)，以及它们到未知节点E的距离分别为da，db，dc，dd；根据两点间距离公式得方程组： ( x - x a ) 2 + ( y - y a ) 2 + ( z - z a ) 2 = d a 2 ( x - x b ) 2 + ( y - y b ) 2 + ( z - z b ) 2 = d b 2 ( x - x c ) 2 + ( y - y c ) 2 + ( z - z c ) 2 = d c 2 ( x - x d ) 2 + ( y - y d ) 2 + ( z - z d ) 2 = d d 2 ]]>解方程组：X＝A-1b其中： A = 2 ( x a - x d ) 2 ( y a - y d ) 2 ( z a - z d ) 2 ( x b - x d ) 2 ( y b - y d ) 2 ( z b - z d ) 2 ( x c - x d ) 2 ( y c - y d ) 2 ( z c - z d ) , X = x y z ]]> b = x a 2 - x d 2 + y a 2 - y d 2 + z a 2 - z d 2 + d d 2 - d a 2 x b 2 - x d 2 + y b 2 - y d 2 + ...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡中栋，曾珽，王振东，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西;36