一种基于正三角形运动路径的移动锚节点RSSI值定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于正三角形运动路径的移动锚节点RSSI值定位方法，根据监测区域确定移动锚节点通信半径，监测区域层数、层高，每层分割成交替相连的正置和倒置的正三角形区域单元；具有GNSS定位功能的锚节点逐层、层与层首尾相接不间断连续遍历所述监测区域的正三角形区域单元的边界，移动过程中周期性广播自身的位置信息，未知节点接收到锚节点广播的位置信息及在该位置处的RSSI值，通过计算获得未知节点的定位。本发明专利技术只需一个移动锚节点即可定位整个监测区域内的未知节点，硬件成本低，且定位精度高，适合于开阔的室外无线传感器网络监测环境；不易受RSSI测距误差和GNSS定位误差的影响、不存在信标点共线且能有效定位边界点等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正三角形运动路径的移动锚节点RSSI值定位方法
本专利技术涉及一种无线通讯定位方法，尤其涉及一种RSSI值定位方法。
技术介绍
随着微处理器技术、嵌入式技术、传感器技术和无线通信技术的快速发展，无线传感器网络在军事侦查、智能家居、生物医药、环境监测和物联网等诸多领域得到广泛应用。节点的位置信息是无线传感器网络有效部署和应用的前提和基础。实际使用中，受网络成本、能耗和节点体积等因素限制，无法为网络中每个节点安装GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球导航卫星系统)设备。因此研究无线传感器网络的节点定位技术，使用具有定位功能的锚节点实现对网络位置未知节点的定位，对于促进无线传感器网络技术的进一步应用和进步具有重要意义。节点定位算法可分为基于测距的定位算法和无需测距的定位算法。无需测距的节点定位算法通常只能将未知节点定位于某个区域的质心上，定位精度较低，实际应用范围较为有限。基于测距的定位算法是用一定的技术手段测量出未知节点到多个(三个以上)位置已知的锚节点距离，再使用三边测量或最大似然估计定位方法计算出未知节点位置，与无需测距的节点定位技术相比，这类方法能达到较高的定位精度。基于测距的节点技术一般分为：基于TOA(TimeofArrival，到达时间)、基于TDOA(TimeDifferenceofArrival，到达时间差)、基于AOA(AngleofArrival，到达角度)、基于RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication，接收信号强度指数)，其中基于TOA、TDOA、AOA定位技术需加装额外的测量部件，定位成本相对较高，不适用于大规模的无线传感器网络；基于RSSI的定位技术不需要附加额外的硬件，具有通信开销小、硬件成本低、实现简单、拓展性强等优点，得到了广泛应用，成为研究的重点和热点。目前针对基于RSSI值的锚节点定位算法研究的相关文献如下：1.王振朝、张琦等人在其2014年发表的论文《基于RSSI测距的改进加权质心定位算法》中采用了加权值对RSSI测距值进行修正，有效提高了传统的加权质心算法的定位精度，算法的不足之处在于：(1)必须测量到三个以上锚节点才能实现对未知节点坐标的解算，实际使用时刻保持未知节点的通信范围内有三个及以上锚节点为小概率事件；(2)该算法的定位精度与锚节点的数量和分布密度成正比，对未知节点定位精度需求较高的网络，需要布放大量的静态锚节点，定位成本高昂。2.韩光洁、张晨语等人在其2016年授权的国家专利技术专利“无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法”(授权公告号：CN1036077726B)提出了一种采用单个移动锚节点的无线传感器网络节点定位方法，极大减小了锚节点的使用数量，有效降低了定位成本，方法的不足之处在于：(1)采用基于RSSI测距的三边定位方法实现监测区域内部的未知节点坐标解算,由于RSSI值的测距并不准确，将会对未知节点的定位偏差带来较大影响；(2)采用圆形路径补偿算法实现监测区域边界节点的定位，已有研究结果表明，网络覆盖区域较大时，边界的圆形的轨迹半径也相当大，局部同一圆弧上相近的几个信标点也类似于共线,将对未知节点坐标的解算引入较大的误差。3.徐娟、赵雅坤等人在其2018年申请的专利技术专利“一种基于移动锚节点RSSI的传感器节点定位方法”(申请公布号：CN107770861A)提出了采用RSSI强度值测量未知节点的定位方案，该方法依据RSSI值的变化趋势确定未知节点在至少两个锚节点轨迹上的垂点坐标和对应轨迹的方程，利用几何关系实现未知节点坐标的求解，方法无需使用RSSI值测距，有效避免了RSSI测距误差对未知节点坐标的影响，但是算法没有考虑锚节点的GNSS系统的定位误差对未知节点坐标的影响，当GNSS系统定位误差较大时，直接采用其提供的定位数据参与节点将会使未知节点的坐标严重偏离理论值。综上所述，基于RSSI值的锚节点定位算法研究目前已经取得了较大的进展，但是仍然存在不足之处：(1)现有的基于静态锚节点的RSSI值测距定位算法中，需获得未知节点到其通信范围内三个以上锚节点的距离才能进行坐标解算，当未知节点通信范围内的锚节点数量较少时(小于3个)，将无法实现求解，算法的局限性明显；且未知节点的定位精度与锚节点的数量、分布密度成正比，对于定位精度要求较高的大规模无线传感器网络，将极大增加锚节点的布放使用成本。(2)现有的基于移动锚节点RSSI值定位算法中，存在移动路径上信标点共线和监测区域边界点定位精度不高的问题。(3)现有的基于移动锚节点的定位算法，没有考虑GNSS系统定位误差的影响，当其误差较大时，直接将其提供定位数据参与未知节点坐标解算，将会引入极大的偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种基于单个移动锚节点的无线传感器节点定位方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于正三角形运动路径的移动锚节点RSSI值定位方法，该方法包括以下步骤：S1，根据无线自组网的监测区域的大小和定位时效性需求，确定合适的移动锚节点通信半径R，监测区域的层数n、层高h，每层分割成交替相连的正置和倒置的正三角形区域单元，如图1所示。S2，具有GNSS定位功能的移动锚节点逐层、层与层首尾相接不间断连续遍历所述监测区域的所有正三角形区域单元的边界，如图1所示，移动过程中周期性广播自身的位置信息，未知节点接收到移动锚节点广播的位置信息及在该位置处的RSSI值。S3，在任何一个正三角形区域单元中未知节点接收到三组成线性关系的位置数据值及在该位置处的RSSI值，对该三组位置数据值进行最小二乘法处理，分别得到该正三角形区域单元三条边界的直线轨迹方程，将直线轨迹方程的交点,即正三角形区域单元的顶点作为参考节点，锚节点广播信息的位置点，即信标点与参考节点之间的相对距离d作为自变量，RSSI值作为因变量，对RSSI值和相对距离d进行曲线拟合，分别得到正三角形区域单元每条边界上的RSSI值增大趋势段和RSSI值减小趋势段的轨迹方程，对两个RSSI值多项式方程求交点计算得到未知节点在所述正三角形区域单元三边边界上的RSSI峰值点坐标。S4，根据未知节点在正三角形区域单元三边上的RSSI峰值点坐标，通过数学计算得到未知节点的坐标。进一步地，为确保无线传感器网络的边界区域的未知节点能接收到足够的移动锚节点信息实现自身位置信息的解算，同时为保证每一层的未知节点均能有效接收到移动锚节点的广播的位置信息和RSSI值，所述移动锚节点的运动区域覆盖并略大于监测区域，所述移动锚节点的通信半径R与正三角形区域单元的边长L的关系为：R≧L。进一步地，所述步骤S3包括以下步骤及计算方法，S31，根据最小二乘法分别得到该正三角形区域单元的三条边界的直线轨迹方程，具体计算方法为：移动锚节点在正三角形区域单元的三条边界上运动时，未知节点分别获得移动锚节点在三条边界上广播的三组成线性关系的地理位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于正三角形运动路径的移动锚节点RSSI值定位方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：/nS1，根据无线自组网的监测区域的大小和定位时效性需求，确定合适的移动锚节点通信半径R，监测区域的层数n、层高h，每层分割成交替相连的正置和倒置的正三角形区域单元；/nS2，具有GNSS定位功能的移动锚节点逐层、层与层首尾相接不间断连续遍历所述监测区域的所有正三角形区域单元的边界，移动过程中周期性广播自身的位置信息，未知节点接收到移动锚节点广播的位置信息及在该位置处的RSSI值；/nS3，在任何一个正三角形区域单元中未知节点接收到三组成线性关系的位置数据值及在该位置处的RSSI值，对该三组位置数据值进行最小二乘法处理，分别得到该正三角形区域单元三条边界的直线轨迹方程，将直线轨迹方程的交点,即正三角形区域单元的顶点作为参考节点，锚节点广播信息的位置点，即信标点与参考节点之间的相对距离d作为自变量，RSSI值作为因变量，对RSSI值和相对距离d进行曲线拟合，分别得到正三角形区域单元每条边界上的RSSI值增大趋势段和RSSI值减小趋势段的轨迹方程，对两个RSSI值多项式方程求交点计算得到未知节点在所述正三角形区域单元三边边界上的RSSI峰值点坐标；/nS4，根据未知节点在正三角形区域单元三边上的RSSI峰值点坐标，通过数学计算得到未知节点的坐标。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于正三角形运动路径的移动锚节点RSSI值定位方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1，根据无线自组网的监测区域的大小和定位时效性需求，确定合适的移动锚节点通信半径R，监测区域的层数n、层高h，每层分割成交替相连的正置和倒置的正三角形区域单元；
S2，具有GNSS定位功能的移动锚节点逐层、层与层首尾相接不间断连续遍历所述监测区域的所有正三角形区域单元的边界，移动过程中周期性广播自身的位置信息，未知节点接收到移动锚节点广播的位置信息及在该位置处的RSSI值；
S3，在任何一个正三角形区域单元中未知节点接收到三组成线性关系的位置数据值及在该位置处的RSSI值，对该三组位置数据值进行最小二乘法处理，分别得到该正三角形区域单元三条边界的直线轨迹方程，将直线轨迹方程的交点,即正三角形区域单元的顶点作为参考节点，锚节点广播信息的位置点，即信标点与参考节点之间的相对距离d作为自变量，RSSI值作为因变量，对RSSI值和相对距离d进行曲线拟合，分别得到正三角形区域单元每条边界上的RSSI值增大趋势段和RSSI值减小趋势段的轨迹方程，对两个RSSI值多项式方程求交点计算得到未知节点在所述正三角形区域单元三边边界上的RSSI峰值点坐标；
S4，根据未知节点在正三角形区域单元三边上的RSSI峰值点坐标，通过数学计算得到未知节点的坐标。


2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述移动锚节点的运动区域覆盖并略大于监测区域，所述移动锚节点的通信半径R与正三角形区域单元的边长L的关系为：R≧L。


3.根据权利要求1或2所述的定位方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下步骤及计算方法，
S31，根据最小二乘法分别得到该正三角形区域单元的三条边界的直线轨迹方程，具体计算方法为：
移动锚节点在正三角形区域单元的三条边界上运动时，未知节点分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文博，孙良义，孙向前，苏军，刘百峰，彭水，朱元林，邓开，陈慧茜，刘力文，邢庆龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军九一三八八部队，
类型：发明
国别省市：广东;44