一种基于三边测量改进的无线传感器网络节点定位算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于三边测量改进的无线传感器网络节点定位算法，引入参考三角形几何形状以及三角形内点准则，所述算法包括如下步骤：步骤1：锚节点广播数据包；步骤2：计算未知节点与锚节点的距离；步骤3：选择N个锚节点组成个三角形；步骤4：设置参考三角形几何形状阈值筛选三角形；步骤5：利用三角形内点准则筛选三角形；步骤6：三边测量法计算未知节点的估计坐标；步骤7：计算每个未知节点估计坐标的平均绝对距离差值；步骤8：选择并计算最优节点的坐标。本发明专利技术在基于参考三角形几何形状的三边定位算法的基础上引入了三角形内点准则，有效地提高了节点定位的精度和效率。有效地提高了节点定位的精度和效率。有效地提高了节点定位的精度和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三边测量改进的无线传感器网络节点定位算法


[0001]本专利技术涉及一种基于三边测量改进的无线传感器网络节点定位算法，属于无线传感器网络定位


技术介绍

[0002]无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由一组传感器节点在自组织的组网方式下构成的分布式传感网络，是一种由多个学科交织在一起的崭新技术。它有涉猎到很多科技领域，例如军事、交通管控、智能家居和医疗等。在无线传感器网络中，定位技术是无线传感器网络的基础技术，对其后续工作的开展以及应用起到了关键性作用。
[0003]将全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)配置到每个网络节点是无线传感器网路最简单的定位方法，但是GPS的高成本和能量限制导致其无法安装在每个传感器节点上，因此只有少量的信标节点装有GPS模块。
[0004]近年来，国内外的学者提出了许多应用在无线传感器网络中的节点定位算法。节点定位算法根据测距方式分为两类：测距算法(range
‑
based)和非测距算法(range
‑
free)。测距算法主要通过测量节点间距离或角度，运用三边测量法或三角测量法等计算得到未知节点的坐标。目前主流的测距方式主要有：基于到达时间(Time of Arrival，TOA)、基于到达角度(Angle of Arrival，AOA)、基于到达时间差(Time Difference of Arriva，TDOA)和信号接收强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)。非测距算法主要使用网络的连通度和训练匹配模型来间接测量位置，它不需要额外的硬件设备，而且成本低，但是定位效果较差。典型的无需测距的算法有：距离向量跳数(Distance Vector
‑
Hop，DV
‑
Hop)算法、质心(Centriod)算法、近似三角形内点测试(Approximate point in triangulation，APIT)算法和多维标度(Multidimensional scaling，MDS)算法。
[0005]三边定位算法是一种基于测距的定位算法，它通过RSSI来估算锚节点与未知节点之间的距离，并用三边测量法计算未知节点的坐标。该算法定位成本较小，适用于各种大型无线传感器网络。但是该算法的优劣受限于RSSI的测距误差，在实际情况中，定位环境相对复杂，使得RSSI测距存在误差，从而使得在各类环境下进行三边测量的三个圆必定不能交于一点，定位精度急剧下降。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的是提供一种基于三边测量改进的无线传感器网络节点定位算法，通过优化锚节点选取的方式，引入了参考三角形几何形状(Geometry of Reference Triangle，GRT)与三角形内点(Point In Triangulation)准则，有效提高了目标节点定位的精度。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于三边测量改进的无线传感器网络节点定位算法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：通过每个锚节点向网络广播包含身份标识、位置信息和发射功率的数据
包；
[0009]步骤2：未知节点接收广播的数据包，得到锚节点的位置信息以及发射功率，并将得到的发射功率转换成RSSI值与距离值；
[0010]步骤3：未知节点选择通信范围内距离自己最近的N个锚节点，并组合构成个三角形；
[0011]步骤4：计算每个三角形的GRT值，并将其与预先设置好的阈值GRT
th
比较，排除掉GRT值小于GRT
th
的三角形；
[0012]步骤5：对通过GRT阈值筛选的三角形做PIT测试，排除掉不包含未知节点的三角形；
[0013]步骤6：对通过筛选的三角形分别做三边测量计算，得到若干个未知节点的估计坐标；
[0014]步骤7：分别计算每个未知节点估计坐标的平均距离绝对差值；
[0015]步骤8：将前u个平均距离绝对差值最小的未知节点估计坐标的均值作为最终定位的节点坐标。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，步骤2中转换成RSSI值与距离值的计算公式为：
[0017][0018][0019]其中，d0为1，P
t
表示锚节点发射的能量，代表在距离为d0＝1时的路径损耗，X
σ
是均值为0、方差为σ的高斯随机变量，n为传播损耗系数。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤4具体为：不同于经典三边定位算法中取未知节点通信范围内距离自身最近的三个锚节点进行三边测量计算，参考三角形几何形状GRT通过三个锚节点之间的几何关系选择锚节点组合：
[0021][0022]其中，R
max
，R
min
，R
md
分别代表三角形的最长的边、最短的边以及中间长的边的长度。
[0023]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤5具体为：当GRT
th
较大时，通过筛选的三角形数量较多，故先利用GRT阈值排除掉几何形状较差的锚节点组合后，再利用PIT准则对锚节点组合做进一步筛选，排除掉不包含未知节点的锚节点组合。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，所述PIT准则的基本原理是：当未知节点往任意方向移动的时候，如果存在某一方向移动使得未知节点与三个锚节点的距离同时变大或者同时变小，则证明未知节点位于三角形外，反之则证明未知节点位于三角形内。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，步骤6具体为：对全部通过筛选的三角形分别做三边测量计算，以三角形的三个角为圆心，以未知节点的测量距离为半径画圆：
[0026][0027][0028][0029]最终通过联立解方程组得到M组未知节点的估计坐标。
[0030]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤7包括：
[0031]步骤71：在得到若干个未知节点的估计坐标之后，计算得到每个估计坐标与三个锚节点的距离r
j
：
[0032][0033]其中，(x
j
，y
j
)表示锚节点的坐标，表示未知节点的估计坐标；
[0034]步骤72：计算每个未知节点估计坐标的距离绝对差值Δr
j
：
[0035][0036]其中，表示未知节点与锚节点的测量距离。
[0037]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤7还包括：
[0038]步骤73：使用平均距离绝对差值
[0039][0040]其中，n＝3，并且当越小时，定位效果越佳。
[0041]本专利技术的有益效果如下：本专利技术的基于三边测量改进的无线传感器网络节点定位算法，通过在基于三角形几何形状的三边定位算法的基础上引入了三角形内点准则，优化了锚节点选取的方式，从而有效提高了目标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三边测量改进的无线传感器网络节点定位算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过每个锚节点向网络广播包含身份标识、位置信息和发射功率的数据包；步骤2：未知节点接收广播的数据包，得到锚节点的位置信息以及发射功率，并将得到的发射功率转换成RSSI值与距离值；步骤3：未知节点选择通信范围内距离自己最近的N个锚节点，并组合构成个三角形；步骤4：计算每个三角形的GRT值，并将其与预先设置好的阈值GRT
th
比较，排除掉GRT值小于GRT
th
的三角形；步骤5：对通过GRT阈值筛选的三角形做PIT测试，排除掉不包含未知节点的三角形；步骤6：对通过筛选的三角形分别做三边测量计算，得到若干个未知节点的估计坐标；步骤7：分别计算每个未知节点估计坐标的平均距离绝对差值；步骤8：将前u个平均距离绝对差值最小的未知节点估计坐标的均值作为最终定位的节点坐标。2.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，步骤2中转换成RSSI值与距离值的计算公式为：式为：其中，d0为1，P
t
表示锚节点发射的能量，代表在距离为d0＝1时的路径损耗，X
σ
是均值为0、方差为σ的高斯随机变量，n为传播损耗系数。3.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，所述步骤4具体为：不同于经典三边定位算法中取未知节点通信范围内距离自身最近的三个锚节点进行三边测量计算，参考三角形几何形状GRT通过三个锚节点之间的几何关系选择锚节点组合：其中，R
max
,R
min
,R<...

【专利技术属性】
技术研发人员：万新旺，周闻谦，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：