基于分治求精的无线传感器网络节点自身定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分治求精的无线传感器网络节点自身定位方法，属于嵌入式开发与无线通信的交叉领域。本发明专利技术方法将接收到的锚节点的信号强度转化为距离，对锚节点按位置排序，然后依此顺序每次选出两个锚节点构成定位组合，根据锚节点位置和相应的测距信息初步估计未知节点的坐标，选择有效的冗余锚节点信息验证坐标估计值，计算各估计值对应的权值，最后加权求精输出定位结果。此方法不需要额外添加硬件，不增加通信量且容易实现。通过ＭＡＴＬＡＢ将本发明专利技术方法与质心法、加权质心法进行了仿真比较，结果显示，本发明专利技术方法具有明显的优越性，且可以利用较少的锚节点取得较高的定位精度，适用于低锚节点密度的大规模无线传感器网络。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术隶属于属于嵌入式开发与无线通信的交叉领域，具体涉及一种基于分治求 精的无线传感器网络节点自身定位方法。
技术介绍
无线传感器网络是一种新兴的科学技术网络，它将客观世界的物理信息同传输网 络连接在一起，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些 信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络具有节点数量大、分布广、网 络动态性强、单个节点成本低廉等特点。它的出现使人们获得了一种可以持续实时监测环 境的新途径，是一种“无处不在”的传感技术，可以广泛应用到人类生活的各个领域。尤其 是在军事领域中，无线传感器网络的自组织性和容错能力使其不会因为某些节点的损坏而 导致整个系统的崩溃，非常适合应用在恶劣的战场环境中，包括监控敌方部署、装备、军火 情况，战场监视、定位、战场损失评估，核、生化武器攻击的监测和侦察。另外，无线传感器网 络还能广泛应用于环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、 城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业区的安全检测等领域。传感器网络有着与传统网络有着明显不同的设计目的和技术要求。传感器网络是 以感知、采集和传输数据为目的，中间节点仅仅负责数据分组的转发。相邻节点间的距离较 短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通 信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的 技术问题，网络自身定位问题就是其中之一。由于传感器节点往往采取随机布撒的部署方 式，除少数传感器节点外，网络中的大部分节点不能预知其位置，而传感网络的应用背景又 往往与节点地理位置密切相关，没有位置信息的感知数据是没有意义的。因此，在无线传感 器网络的应用中，节点自身的定位问题也就成了关键的问题之一。目前技术条件下常用的方法是利用传感器网络中少量已知位置的节点来获得其 他未知位置的节点的位置信息。已知位置的节点称作锚节点；未知位置的节点称作未知 节点；节点能通信的最远距离称为通信半径；锚节点根据自身位置建立本地坐标系，未知 节点根据锚节点计算出自己在锚节点本地坐标系里的相对位置，从而可以获知自身位置信 肩、ο通过考察现有的定位方法并结合无线传感器网络应用实际，我们认为，一种适用 于大规模无线传感器网络的定位方法除了定位精度必须达到要求之外，还需要满足以下条 件①自组织性，传感器节点部署方式常为随机分布；②分布式定位，大规模无线传感器网 络中收集全网的信息非常困难；③通信开销小、方法复杂度低，通信是能耗的主要方面，复 杂性关系到节点硬件配置，两者直接影响到网络的生命周期；④鲁棒性，传感器之间的测量 数据可能有误差，要求定位方法具有良好的容错性。本专利技术正是考虑到了以上几个条件，着 眼于大规模无线传感器网络应用，提出了基于分治求精的无线传感器网络节点自身定位方 法。
技术实现思路
为了在不增加硬件设备和网络通信量的条件下进一步提高定位精度，使得定位方 案更加适合大规模无线传感器网络，本专利技术提出一种基于分治求精的无线传感器网络节点 定位方法，示意图如图1所示，包括锚节点广播信标分组；未知节点接收信标分组，将接收 信号强度转化为距离；将接收到的锚节点按位置排序；按顺序依次选择两个锚节点构成定 位组合，计算未知节点的估计位置；计算各个估计位置对应的权值；计算未知节点的最终 位置。上述技术方案中，锚节点广播信标分组具体为定位周期内，锚节点以最大功率广 播信标分组，包括自身ID和坐标。上述技术方案中，未知节点接收信标分组，将接收信号强度转化为距离具体为未 知节点接收并记录信标分组，根据RSSI测距模型将相应的信号强度转化为距离。上述技术方案中，将接收到的锚节点按位置排序具体为未知节点计算自身接收 到的锚节点的质心，以此质心为原点，分别计算各锚节点相对于质心的角度，然后按角度大 小排列各锚节点。上述技术方案中，按顺序依次选择两个锚节点构成定位组合，计算未知节点的估 计位置具体为根据排好的顺序，依次选择两个锚节点构成定位组合，计算未知节点的估计 位置，其中，最后一个锚节点与第一个锚节点构成定位组合。若某个定位组合计算出的估计 位置有两个，则引入另一个锚节点作为验证节点来剔除错误的估计位置，验证节点与构成 定位组合的两个锚节点的共线度必须不超过预先设置好的阈值。若某个定位组合构成的方 程组无解，就以接收到的所有锚节点的质心作为近似解。上述技术方案中，计算各个估计位置对应的权值具体为每个估计位置对应的权 值为未知节点到构成此定位组合的两个锚节点的距离的倒数之和。上述技术方案中，计算未知节点的最终位置具体为若未知节点接收到的锚节点 信标分组不小于3个，则根据各定位组合计算的估计位置和对应的权值计算出未知节点的 最终位置。否则，直接以接收到的所有锚节点的质心作为最后定位结果。本专利技术提出了一种分布式的定位方法，将接收到的锚节点按顺序两两划分构成定 位组合，进而能够计算出未知节点的若干个估计位置，并充分利用测量数据的信息，定义了 各个估计位置对应的权值计算方法，最后加权求精得出未知节点的最终位置。本专利技术方法 不需要增添硬件设备，不需要增加网络通信量且定位过程简单，便于实现。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术示意图；图2为本专利技术中节点估计位置的验证方法特例示意图；图3为本专利技术中验证节点选择方法示意图；图4为本专利技术中某一定位组合无法得出未知节点的估计位置示意图；图5为网络中噪声存在时的信号干扰示意图；图6为本专利技术方法在锚节点均勻部署时的定位精度随平均锚节点个数变化情况；图7为本专利技术方法在锚节点随机部署时的定位精度随平均锚节点个数变化情况；图8为本专利技术方法在锚节点均勻部署时的定位精度随噪声水平变化情况；图9为本专利技术方法在锚节点随机部署时的定位精度随噪声水平变化情况；具体实施例方式步骤一定位周期内，锚节点广播信标分组，包括自身ID和坐标。步骤二 节点间RSSI测距。由于传感器节点具有通信模块，通信控制的芯片一般会提供测量RSSI的方法，且 网络中节点间收发信息就可以完成RSSI的测量，故RSSI是一种低功率、低代价的测距方 式。无线电传播路径损耗对RSSI测距具有较大影响，自由空间中传播模型(free space propagation model)为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于分治求精的无线传感器网络节点自身定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤１：定位周期内，锚节点广播信标分组；步骤２：未知节点接收锚节点的信标分组后，将接收信号强度转化为锚节点到自身的距离信息；步骤３：未知节点接收到信标分组后，按位置将锚节点进行排序；步骤４：按顺序依次选择两个锚节点构成定位组合，计算未知节点的估计位置；步骤５：计算各个估计位置对应的权值；步骤６：计算未知节点的最终位置。

【技术特征摘要】
基于分治求精的无线传感器网络节点自身定位方法，其特征在于包括以下步骤步骤1定位周期内，锚节点广播信标分组；步骤2未知节点接收锚节点的信标分组后，将接收信号强度转化为锚节点到自身的距离信息；步骤3未知节点接收到信标分组后，按位置将锚节点进行排序；步骤4按顺序依次选择两个锚节点构成定位组合，计算未知节点的估计位置；步骤5计算各个估计位置对应的权值；步骤6计算未知节点的最终位置。2.根据权利1所述的基于分治求精的无线传感器网络节点自身定位方法，其特征在 于，所述步骤1具体为定位周期内，锚节点以最大功率广播信标分组，包括自身ID和坐标。3.根据权利1所述的基于分治求精的无线传感器网络节点自身定位方法，其特征在 于，所述步骤2具体为未知节点接收并记录信标分组，根据RSSI测距模型将相应的信号强 度转化为距离。4.根据权利1所述的基于分治求精的无线传感器网络节点自身定位方法，其特征在 于，所述步骤3具体为未知节点计算自身接收到的锚节点的质心，以此质心为原点，分别 计算各锚节点相对于质心的角度，然后按角度大小排...

【专利技术属性】
技术研发人员：衣晓，刘瑜，何友，邓露，王梓有，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空工程学院，
类型：发明
国别省市：37[中国|山东]