基于球体的三维节点定位方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于球体的三维节点定位方法和系统，属于无线传感器网络应用技术领域。所述方法包括：锚节点在移动过程中周期性地广播信标消息；未知节点接收信标消息，并检查是否收到过锚节点发送的信标消息，如果是，则未知节点在信标消息链表中查找到与锚节点对应的信标消息项，并检查其是否过期，如果过期，则未知节点更新信标消息项中的位置信息，并设置信标点标识位为１；未知节点将信标点标识位为１的信标消息项作为信标点，并根据从所有信标点中选择出的任意四个有效信标点的位置信息计算出本节点的位置信息。所述系统包括：锚节点设备和未知节点设备。本发明专利技术有效地解决了无线传感器网络节点空间定位的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络应用
，特别涉及一种基于球体的三维节点定位方法 和系统。
技术介绍
节点自身定位技术是无线传感器网络的一个重要研究课题。无线传感器网络的目的是协 作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。事件发生的位置 或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中包含的重要信息，因此，确定网络自身位置 对传感器网络应用的有效性起着至关重要的作用。此外，节点自身定位技术还对网络管理、 路由协议以及网络拓扑等方面起着辅助作用。迄今为止，学术界已经提出了很多的节点定位系统和算法，但大部分的算法都是针对静 态网络和平面应用而提出的，这些算法假设网络部署完成后网络节点都静止不动，这在一定 程度上限制了一些移动场景以及空间场景的应用。针对节点的移动性，学术界也提出一些动 态定位算法，但这些算法普遍存在计算量大、定位精度不高等缺点，而且这些算法大都是针 对二维平面应用而设计的，针对WSN (Wireless Sensor Network-无线传感器网络)而设计的 三维定位算法寥寥无几，且大多数定位算法也很难扩展到三维平面。目前仅存的三维定位算 法有两种解决方案， 一是依靠与锚节点进行信息交换的交互式定位机制，通过三角计算等方 法来获取未知节点的位置，这种定位机制在很大程度上要依靠锚节点的密度；另一是通过基 础设施在网内动态的广播消息以进行定位的被动式定位机制，这种定位机制主要依靠基础设 施。对于交互式定位来说，由于空间障碍物或环境条件等干扰的存在，并不是所有未知节点 都能够获得足够的邻近锚节点信息，即使获得足够的锚节点信息，如何有效地解决多解问题 也是一个难点。对于被动式定位来说，定位成败完全取决于基础设施， 一旦这些基础设施受 到干扰或破坏，整个网络将处于瘫痪状态，对于军事应用来说，更存在着一些安全隐患。总 之，目前还没有一种完整的适用于空间应用的移动定位方案。
技术实现思路
为了解决空间移动节点的定位问题，本专利技术例提供了一种基于球体的三维节点定位方法， 所述方法包括-锚节点在移动过程中周期性地广播信标消息；所述信标消息包括所述锚节点的编号、所 述锚节点发送所述信标消息的时刻和所述锚节点在所述时刻的空间位置信息；未知节点接收所述信标消息，并根据自身存储的信标消息链表检査是否收到过所述锚节 点发送的信标消息，如果是，则所述未知节点在所述信标消息链表中査找到与所述锚节点对 应的信标消息项，检查所述信标消息项是否过期，如果过期，则所述未知节点更新所述信标 消息项中的位置信息，设置所述信标消息项中的信标点标识位为1;所述未知节点将信标点标识位为1的信标消息项作为信标点，并从所有信标点中选择出 任意四个有效信标点，根据四个有效信标点的位置信息计算出本节点的位置信息。所述根据自身存储的信标消息链表检査是否收到过所述锚节点发送的信标消息的步骤具 体为所述未知节点从所述信标消息中提取出所述锚节点的编号，检査所述锚节点的编号是 否存在于所述信标消息链表中。所述检査所述信标消息项是否过期的步骤具体为所述未知节点检查接收所述信标消息 的时刻与所述锚节点发送所述信标消息的时刻的差值是否大于所述信标消息项预先设置的生 存周期，如果是，则所述信标消息项过期。所述未知节点更新所述信标消息项中的位置信息的步骤具体为所述未知节点用所述信 标消息中的位置信息替换所述信标消息项中当前的位置信息。所述任意四个有效信标点具体为任意四个不共面，且其中任意三个不共线的信标点。所述根据四个有效信标点的位置信息计算出本节点的位置信息的步骤是通过克莱姆法则 或最小二乘法来实现的。本专利技术还提供了一种基于球体的三维节点定位系统，所述系统包括锚节点设备和未知节 点设备；所述锚节点设备包括发送模块；所述未知节点设备包括接收模块、存储模块、第一 检査模块、查找模块、第二检査模块、更新设置模块、选择计算模块；所述发送模块用于向所述接收模块周期性地发送信标消息；所述信标消息包括所述锚节 点设备的编号、发送所述信标消息的时刻和所述锚节点设备在所述时刻的空间位置信息；所述接收模块用于接收所述发送模块发送的信标消息，并将所述信标消息发送给所述第 一检査模块；所述存储模块用于存储信标消息链表；所述第一检查模块用于根据所述存储模块存储的信标消息链表，检查是否收到过所述发送模块发送的信标消息，并将检查结果发送给所述查找模块；所述查找模块用于接收到所述第一检査模块收到过所述发送模块发送的信标消息的检查 结果后，在所述存储模块存储的信标消息链表中査找到与所述信标消息对应的信标消息项， 并将所述信标消息项发送给所述第二检查模块；所述第二检查模块用于根据预先设置的信标消息项生存周期检查接收到的信标消息项是 否过期，并将检查结果发送给所述更新设置模块；所述更新设置模块用于接收所述第二检査模块发送的信标消息项过期的检查结果后，更 新所述存储模块存储的信标消息链表中信标消息项的位置信息，并设置所述信标消息项中的 信丰示点标识位为1;所述选择计算模块用于从所述存储模块存储的信标消息链表中选择出任意四个信标点标 识位为1的信标消息项作为有效信标点，并根据四个有效信标点的位置信息计算出所述未知 节点设备的位置信息。有益效果本专利技术通过对网络节点空间性和移动性的分析，将网络空间节点的定位问题 抽象为空间球体求解问题，从而有效地解决了无线传感器网络节点空间定位的问题；另外， 本专利技术提供的方法不需要测距等辅助设施及硬件支持，降低了网络成本，而且未知节点间不 需要进行网络通信，减小了通信开销。附图说明图1是本专利技术提供的基于球体的三维节点定位方法的流程图； 图2是本专利技术未知节点存储的信标消息链表的结构示意图；图3-图6是本专利技术提供的生存周期Lifetime与相对定位误差localization error的关系示意图；图7-图12是本专利技术提供的通信半径R与相对定位误差localization error的关系示意图； 图13是本专利技术提供的信标消息广播周期与相对定位误差localization error的关系示意图； 图14是本专利技术提供的在锚节点密度一定的情况下，通信半径R与相对定位误差 localization error的关系示意图；图15是本专利技术提供的未知节点平均定位时间与锚节点密度的的关系示意图； 图16是本专利技术提供的未知节点平均通信量与锚节点密度的的关系示意图； 图17是本专利技术提供的改进后算法的定位时间消耗比较示意图； 图18是本专利技术提供的基于球体的三维节点定位系统的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进 一步地详细描述。本专利技术提供了一种针对动态传感器网络的三维定位机制SBLS (Sphere-Based Localization Scheme)。本专利技术的原理是根据空间节点信号传输模型的特性，将空间未知节点的定位问 题抽象为立体几何中通过球面多点获取球心坐标的问题，即已知球面不共面的四点能够唯一 确定球心。根据问题的抽象，将网络中未知节点的空间信号传输模型看作是一个理想的球体， 网络中的锚节点周期性地发送信标消息，信标消息的传播轨迹与球体表面的交点记为信标点， 每个未知节点可获取一个信标点集合；利用空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于球体的三维节点定位方法，其特征在于，所述方法包括：锚节点在移动过程中周期性地广播信标消息；所述信标消息包括所述锚节点的编号、所述锚节点发送所述信标消息的时刻和所述锚节点在所述时刻的空间位置信息；未知节点接收所述信标消息，并根据自身存储的信标消息链表检查是否收到过所述锚节点发送的信标消息，如果是，则所述未知节点在所述信标消息链表中查找到与所述锚节点对应的信标消息项，检查所述信标消息项是否过期，如果过期，则所述未知节点更新所述信标消息项中的位置信息，设置所述信标消息项中的信标点标识位为１；所述未知节点将信标点标识位为１的信标消息项作为信标点，并从所有信标点中选择出任意四个有效信标点，根据四个有效信标点的位置信息计算出本节点的位置信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴桂兰，赵冲冲，邱岩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]