一種基於球殼交集的無線傳感器網絡三維定位方法
2023-09-15 14:50:40
專利名稱：一種基於球殼交集的無線傳感器網絡三維定位方法
技術領域：
本發明提出一種基於球殼交集的無線傳感器網絡三維定位方法，涉及無線傳感器網絡應用技術領域。
背景技術：
無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，它通過傳感器節點以無線通信的方式協作地感知、採集、處理監控區域中感知對象的信息，進而完成對目標區域的監控。在很多傳感器網絡中，節點數目成千上萬，通常大量隨機部署在監控區域內，例如在森林火災預警、水下環境監測、沙漠平原監測等許多應用中，常常通過飛行器拋撒節點，節點的位置都是隨機並且未知的，然而節點發回的如溫度、 酸鹼度、水位、壓力、風速等物理信息數據必須和位置信息相捆綁才有意義；在軍事戰術通信網中，甚至有時需要傳感器發回單純的位置信息，作為戰術指揮的關鍵依據。因此傳感器網絡節點的定位技術是進行其他相關應用的基礎和前提，對各項監測活動有著極其重要的作用。目前對無線傳感器網絡定位技術的研究主要集中在二維平面空間，節點的定位坐標只有X軸和Y軸兩個維度，而在實際應用中，常常需要測量節點的三維坐標，例如在森林山區等環境監測中，節點之間會有一定的高度差，此時如果仍採用二維定位算法，節點的位置信息會有較大的誤差。尤其在進行水下監測時，更加需要測量節點的高度位置，因此針對三維空間的傳感器網絡定位算法的研究非常重要。GPS全球定位系統能夠實現三維空間的定位，但是其能耗大、體積大、成本高，如果為無線傳感器網絡中的每個節點都配備GPS系統，則與傳感器網絡低能耗、低成本的要求相違背，因此在傳感器網絡中需要利用位置已知的錨節點，採用一定的定位機制來實現未知節點的定位。例如針對三維空間的定位問題，有文獻提出利用裝有GPS的固定錨節點發送不同強度的信號，未知節點據此估算自身可能所在的球殼的區域。這樣由多個固定錨節點可以確定出一個球殼交集，該交集的中心即為未知節點所在位置。但是該方法需要在監測區域中放置較多的固定錨節點，成本較高，此外如果錨節點分布不均勻則會對未知節點位置的確定造成較大的影響。還有文獻提出只利用一個可自由移動的錨節點即可對整個網絡中的未知節點進行定位，前提是假設移動錨節點隨時知道自己的坐標，能量沒有限制，移動路線隨機，所有節點的信息傳輸距離已知。其工作原理如下移動錨節點在移動過程中不停廣播自身的位置信息，在穿過未知節點的球形通信區域後，未知節點記錄下首次和末次偵聽到的移動錨節點的位置信息並作為兩個定位點，近似認為這兩個定位點位於以未知節點為球心，信息傳輸距離為半徑的球形通信邊界上。當記錄到四個定位點後，利用一定的幾何方法計算出未知節點的位置坐標。但是由於移動錨節點是定時周期性廣播位置消息的， 探測到的定位點不一定正好位於未知節點的球形通信邊界上，因此會給最終位置的確定帶來一定的誤差。更重要的是在實際環境中，由於無線信號不規則衰減，節點的通信半徑不定，此時若認為定位點仍位於未知節點理想的通信邊界上會造成更大的誤差。
由於現有技術存在上述缺陷，需要一種更有效的無線傳感器網絡三維定位機制來滿足實際應用的需求，減少由於移動節點信息發送間隔和無線信號不規則衰減造成的誤差，實現高精度、低幹擾的定位技術。
發明內容
本發明的目的在於提供一種採用移動錨節點廣播位置信息，通過定位點球殼交集區域計算未知節點位置的無線傳感器網絡三維定位方法，減小在三維空間中由於移動錨節點信息發送間隔和在實際環境中無線信號不規則衰減造成的定位誤差。所述定位機制包括以下步驟步驟1 在監測區域內布置無線傳感器節點，裝配有GPS的移動錨節點在所述指定區域內按照預設的移動速度V隨機直線移動，所有節點的通信距離為R。步驟2 在移動過程中，移動錨節點按照預設的周期T廣播自身的實時位置信息， 未知節點處於接收信息的狀態。步驟3 當移動錨節點穿過未知節點的球形通信區域後，未知節點記錄下首次和末次偵聽到的移動錨節點的位置信息，記作兩個定位點。步驟4 當未知節點記錄到4個定位點後，停止對移動錨節點的偵聽，判斷這4個定位點是否共面。如果這4個定位點共面，則執行步驟5 ；否則執行步驟6。步驟5 未知節點隨機刪除一個定位點，繼續偵聽移動錨節點的位置信息，記錄下首次偵聽到的位置信息，記作定位點。跳至步驟4。步驟6 分別以這4個不共面的定位點為球心，做半徑為R和R-VT的兩個球，共形成4個球殼。步驟7 求出這4個球殼的交集區域，計算該區域中心的位置坐標，把該坐標記作未知節點的位置。步驟8:當移動錨節點預設的定位時間結束後，移動錨節點停止廣播位置信息，整個定位過程結束。上述步驟1中，所述移動錨節點的移動路徑是首先移動錨節點在定位區域內隨機選取一個點，然後直線移動過去。到達該點後再次在定位區域內隨機選取一個點，直線移動過去，直到預定的定位時間結束。上述步驟3中，未知節點需要記錄首次和末次偵聽到的移動節點的位置信息，所述移動錨節點發送的位置信息包含一個時間戳。當未知節點收到移動錨節點發送的位置信息後，比較距前一次收到的位置信息的時間間隔。如果是第一次收到移動錨節點發送的位置信息或者距前一次收到的位置信息的時間大於T，則把當前收到的位置信息記作首次偵聽到的位置信息；否則不進行記錄。如果未知節點收到的位置信息的時間距前一次收到的位置信息的時間為T，且在隨後的時間T內沒有收到移動錨節點發送的位置信息，則把當前收到的位置信息記作末次偵聽到的位置信息；否則不進行記錄。與現有技術相比，本發明的優點在於減少了在基於移動錨節點的三維空間定位中由於移動錨節點的信息發送間隔可能帶來的誤差，尤其減少了在實際應用中，由於無線信號不規則衰減可能導致的誤差，提高了無線傳感器網絡在三維空間中的平均定位精度。
圖1是本發明實施例中一種基於球殼交集的無線傳感器網絡三維定位方法的流程圖；圖2是本發明實施例中未知節點確定定位點後所做球殼的示意簡圖；
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步詳細描述。如圖1，本發明提供的無線傳感器網絡三維定位方法始於在監測區域內布置無線傳感器節點，所有節點的通信距離為R。然後裝配有GPS的移動錨節點在指定監測區域內按照預設的移動速度V隨機直線移動，在移動過程中移動錨節點按照預設的周期T廣播自身的實時位置信息。移動錨節點穿過未知節點的球形通信區域後，未知節點記錄下首次和末次偵聽到的移動錨節點的位置信息，記作兩個定位點。當未知節點記錄到4個定位點後，停止對移動錨節點的偵聽，判斷這4個定位點是否共面，如果這4個定位點共面，則隨機刪除一個定位點，繼續偵聽移動錨節點廣播的位置信息，直到記錄到4個不共面的定位點為止。 然後分別以這4個不共面的定位點為球心，做半徑為R和R-VT的球殼，未知節點求出這4 個球殼的交集區域，計算該區域中心的位置坐標，把該坐標記作該未知節點的位置坐標。圖2是本發明的未知節點在確定定位點後所做球殼的示意簡圖。當移動錨節點穿過以未知節點N為球心，通信距離R為半徑的球形通信區域後，未知節點記錄下定位點A，以定位點A為球心，做半徑為R和R-VT的兩個球，則未知節點位於該球殼內。為了精確未知節點的位置，至少要獲得4個不共面的定位點A、B、C、D，分別以這4個定位點為球心，做半徑為R和R-VT的球殼，則未知節點位於這些球殼的交集區域。本發明通過計算未知節點可能所在球殼的交集，把交集區域中心的坐標作為未知節點的位置坐標，減小了在基於移動錨節點的無線傳感器網絡三維空間定位中由於移動錨節點的信息發送間隔和無線信號不規則衰減可能帶來的誤差，從而有效的提高了無線傳感器網絡三維空間定位在實際應用中的平均定位精度。以上所述僅為本發明較佳的具體實施方式
，並不用以限制本發明，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種基於球殼交集的無線傳感器網絡三維定位方法，其特徵是移動錨節點發送的信息中還包含當前的時間，如果未知節點收到的位置信息的時間距前一次收到的位置信息的時間為T，且在隨後的時間T內沒有收到移動錨節點發送的位置信息，則把當前收到的位置信息記作末次偵聽到的位置信息。其中T表示移動錨節點廣播信息的時間間隔。
2.一種基於球殼交集的無線傳感器網絡三維定位方法，其特徵是當未知節點記錄到四個定位點後，如果這四個定位點共面，則隨機刪除一個定位點，未知節點繼續偵聽移動錨節點的位置信息，只記錄首次偵聽到的位置信息並記作定位點。
3.一種基於球殼交集的無線傳感器網絡三維定位方法，其特徵是當未知節點記錄到四個不共面的定位點後，分別以這四個定位點為球心，做半徑為R和R-VT的兩個球。然後求出這四個球殼的交集區域，計算該區域中心的位置坐標，把該坐標記作未知節點的位置坐標。 其中R表示未知節點的通信距離，V表示移動錨節點的移動速度，T表示移動錨節點廣播消息的時間間隔。
全文摘要
本發明公開了一種基於球殼交集的無線傳感器網絡三維定位方法，屬於無線傳感器網絡應用技術領域。該方法利用一個裝配有GPS的可以自由移動的錨節點在節點分布區域內移動，未知節點偵聽到移動錨節點廣播的定位點後，以定位點為球心做未知節點可能所在的球殼，通過計算這些球殼的交集區域，估算未知節點的位置，減小了在採用移動錨節點的無線傳感器網絡三維空間定位中由於移動錨節點的信息發送間隔可能帶來的誤差，同時可以改善實際應用中由於無線信號不規則衰減造成的誤差，從而可有效提高在真實環境下無線傳感器網絡三維空間節點定位的平均精度。
文檔編號H04W84/18GK102170695SQ20111005751
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月10日 優先權日2011年3月10日
發明者孫詠梅, 王照宇, 紀越峰 申請人:北京郵電大學