一種基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法

2023-05-05 03:33:01

專利名稱：一種基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法
技術領域：
本發明涉及ー種無線網絡和移動計算領域，特別涉及ー種基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法。
背景技術：
無線自組織網絡是ー種多跳的臨時性自治系統，具有分布式控制和無中心的體系結構，能夠在部分網絡節點失效後維持剩餘節點的組網和通信能力。這類網絡應用範圍廣泛且複雜，比如無線傳感器網絡是無線自組織網絡技術的一大應用領域。除了無線網絡中需要討論的傳統問題，如信道接入與控制，多跳路由選擇與優化、安全隱患等，無線自組織網絡還面臨著由其特性帶來的需要研究解決的課題，如何確定隨機分布的節點自身位置就是其中的關鍵問題之一。位置信息是無線自組織網絡能夠提供有效服務的基本信息，如果感知或傳輸的數據不知道來源對象的位置，一般的這種數據毫無意義。此外，節點位置在不 少無線自組織網絡協議和算法設計中也是基本的支撐信息。對於體積小、功耗低、價格低的無線傳感器網絡節點，不適宜採用GPS定位，而是結合應用需求開發分布式節點定位方法。已知位置坐標、能力較強的節點稱為信標節點，大部分定位方法都採用了一定比率的信標節點輔助定位，它們在定位中是重要的參考點。信標節點位置的獲知往往通過人エ部署或者通過GPS實現，人工部署信標節點的方式不僅受工作環境的限制，還嚴重製約了網絡和應用的可擴展性。因此，非常需要針對無線自組織網絡開發既不依賴信標節點又能夠精確確定物理位置的節點自定位方法。現有的無線自組織網絡節點定位技術中，典型方法如發表於IEE Proceedings,論又名為 Design and Implementation of a Bluetooth Aa Hoc Network for IndoorPositioning (D0I10. 1049/ip-sen :20045027),該文獻設計並實現了室內環境下基於藍牙傳感器的定位系統，通過ー個中心控制單元分析計算，能夠在按需服務請求時實現精確的定位。此系統依賴於節點具有藍牙模塊，通信距離有限。韓國專利申請KR20100042999,名稱為 A Reactive Local Positioning Systemfor Ad Hoc and Method Thereof,公開的該發明通過設定的中間節點，在收到位置請求報文後，計算本地坐標系，並檢查目標節點是否在一定的距離範圍內，根據距離遠近進行相應處理。該發明僅能計算相對的本地坐標位置。美國專利申請US2004082341,名稱為 System and Method for DeterminingRelative Positioning in Ad-Hoc Networks,公開的該發明利用移動接入點、無線路由器和移動節點等裝置，實現具有經緯坐標的絕對位置定位，或者僅有臨節點之間距離和角度信息的相對定位。加拿大專利申請CA 2762092,名稱為 Improved Detection and Location of Wireless Field Devices,公開的該發明通過ー個移動維護工具來確定通信區域內的無線節點位置。中國專利申請CN200780005683. 8，名稱為「在自組織網絡中基於距離的相對3D定位」，公開的該發明使用相鄰節點的距離值，建立相對坐標系來計算某些節點的3D位置，該發明僅能估算相對位置。中國專利申請CN201110191816.3，名稱為「基於無線傳感器網絡的無錨點戰場傷員定位方法」，公開的該發明利用救護人員節點終端接收士兵節點RSSI數據，計算各節點的相對坐標，根據其ID確定傷員的位置。該發明雖然不使用錨節點，但是實際上僅能確定節點(戰場傷員)的相對位置。中國專利申請CN201110179976. 6，名稱為「一種用於無線傳感器網絡的定位方法」，公開的該發明根據信標節點之間的跳數信息使用二分迭代法估算位置節點到信標節點的距離，當獲得未知節點到三個以上信標節點的距離後，通過解超定方程計算出未知節點的位置。在有些場景下，如戰場、災難救援等，不適宜部署信標節點，但是需要確定被感知對象的物理位置，上述文獻和專利發明的定位方法就無法採用。

發明內容
本發明的目的是設計一種基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法，它採用無信標節點時的無線自組織網絡定位方法，解決了測距類方法普遍存在的反轉分歧問題，並且實現精確的物理定位。本發明的目的通過以下技術方案實現步驟S101，無線自組織網絡系統初始化，各節點查找相鄰節點並測量鄰節點的距離和角度信息；步驟S102，各節點構建本地平面直角坐標系，所有坐標系從上方看時總是符合右手法則；步驟S103,計算鄰節點的本地坐標；步驟S104，相鄰節點求解基於齊次坐標的坐標系變換矩陣，使得相對於一個本地坐標系的節點通過變換矩陣的轉換可以計算出相對於另一個本地坐標系的坐標；步驟S105，選定全局坐標系原點，各節點通過坐標系變換矩陣的遞歸式傳遞，計算出全局物理坐標。整個流程如圖I所示。上述的基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法，各節點具有測量鄰節點距離和方向角的能力。上述的步驟SlOl中，無線自組織網絡中並不需要部署已知位置的信標節點，而全網節點可以自主實現物理定位。上述的步驟S103中，未知鄰節點u只需要與除本地坐標系原點i以外的I個已知鄰節點j相鄰，就可以通過鄰節點間距離和角度信息求解其本地坐標艽。上述的步驟S104中，所述的相鄰節點求解基於齊次坐標的二維坐標系變換矩陣中，當節點的齊次坐標採用行向量表示時，任意節點j的本地坐標系LCSj轉換到與相鄰節點i的本地坐標系LCSi重合時的變換矩陣計算公式為
權利要求
1.ー種基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟S101，無線自組織網絡系統初始化，各節點查找相鄰節點並測量與相鄰節點間的距離和相対的角度信息； 步驟S102，各節點構建自己的本地平面直角坐標系，所有坐標系從上方向下看時總是符合右手法則； 步驟S103,計算各鄰節點的本地坐標； 步驟S104，相鄰節點求解基於齊次坐標的坐標系變換矩陣，使得相對於ー個本地坐標系的節點通過變換矩陣的轉換計算出相對於另一個本地坐標系的坐標； 步驟S105，選定全局坐標系原點，各節點通過坐標系變換矩陣的遞歸式傳遞，計算出全局物理坐標。
2.根據權利要求I所述的基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法，其特徵在於，所述步驟SlOl中，無線自組織網絡中並不部署已知位置的信標節點，全網節點自主進行物理定位。
3.根據權利要求I所述的基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法，其特徵在於，所述步驟S103中，未知鄰節點u利用除本地坐標系原點i以外的I個已知相鄰的鄰節點j，通過鄰節點間距離和角度信息求解其本地坐標艽。
4.根據權利要求I所述的基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法，其特徵在於，所述步驟S104中，當節點的齊次坐標採用行向量表示時，任意節點j的本地坐標系LCA轉換到與相鄰節點i的本地坐標系LCSi重合時的變換矩陣計算公式為
5.根據權利要求I所述的基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法，其特徵在於，所述步驟S105中，所述的全局坐標系GCS原點是靜止的。
6.根據權利要求I所述的基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法，其特徵在於，所述步驟S105中，任意節點u計算全局物理坐標的公式為gcsPu = iPu .11% 其中resPu代表節點U在全局坐標系中的位置， iPu代表節點u在本地坐標系LCSi中的位置， 代表把節點i的本地坐標系LCSi轉換到與全局坐標系GCS重合時的變換矩陣，i與全局坐標系原點未必相鄰。
7.根據權利要求4所述的坐標系變換矩陣計算公式，其特徵在於，旋轉變換角Θ的計算公式為， Θ = Θji Θij+ π ,其中Θ Ji代表節點i相對於節點j的方向角，Θ ij代表節點j相對於節點i的方向角 。
全文摘要
本發明公開了一種基於齊次坐標的無線自組織網絡節點定位方法，該方法包括如下步驟無線自組織網絡系統初始化，各節點查找相鄰節點並測量鄰節點的距離和角度信息；各節點構建本地平面直角坐標系，所有坐標系從上方看時總是符合右手法則；計算鄰節點的本地坐標；相鄰節點求解基於齊次坐標的坐標系變換矩陣，使得相對於一個本地坐標系的節點通過變換矩陣的轉換可以計算出相對於另一個本地坐標系的坐標；選定全局坐標系原點，各節點通過坐標系變換矩陣的遞歸式傳遞，計算出全局物理坐標。本發明充分利用了無線節點自身的測距、側角能力，在不適宜部署信標節點的無線自組織網絡應用中，可以確定各未知節點物理位置。
文檔編號H04W64/00GK102711241SQ20121017231
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者丁曉鳳, 周勁, 張遠, 賈忠田, 陳月輝, 韓春燕 申請人:濟南大學