基於共面度的無線傳感網絡的三維定位方法
2023-09-21 00:27:20
專利名稱：基於共面度的無線傳感網絡的三維定位方法
技術領域：
本發明涉及一種無線傳感網絡的定位方法。
背景技術：
無線傳感網絡(Wireless Sensor Network, WSN)技術是20世紀的半導體技術、無線通信技術以及微機電系統集成高速發展孕育成的一個新的信息獲取和處理方式。WSN是一種由一系列傳感器節點構成的網絡，用於實時地監測、感知和採集節點部署區域內觀察者感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、溼度、噪音和有害氣體濃度等物理現象)， 並對這些信息進行處理後以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給監控者。無線傳感網絡由大量隨機部署的節點組成，因此網絡中大部分節點的位置是未知的。然而對於大多數應用，不知道節點位置的感知數據是沒有任何意義的。傳感器節點必須知道自身位置才能說明「在什麼位置或區域發生了什麼特定的事情」。所以定位技術是無線傳感網絡的關鍵技術之一，在無線傳感網絡的各個領域起到支撐作用，是深入研究無線傳感網絡其他相關技術的基礎。定位技術的最早出現是在軍事領域，全球定位系統(GlcAalPositioning System, GPS)是由美國國防部於20世紀70年代初開始設計、研製，於1993年全部建成的。其基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然後綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。GPS技術具有全天候、高精度和自動測量的特點，但是其缺點是不能用於有遮擋的室內環境，並且設備往往能耗高、體積大、成本高。無線傳感網絡節點定位簡單的說就是節點通過某種方法或者執行某種算法獲得自己在網絡中的位置。通常以坐標的形式表示，也可以用大概的位置(如房間號)等表示。 由於GPS技術的成熟，獲得節點的位置可以通過給節點安裝GPS接收器直接獲得，但是其受到價格、體積、功耗、信號屏蔽等很多因素的制約，所以通過GPS獲得所有節點的位置存在一定的困難。目前大多數的定位技術都是利用網絡中少量已知位置的節點通過定位算法獲得其他未知節點的位置，已知位置的節點稱為參考點，可以人為放置或者通過GPS獲得。未知節點的位置可以是相對於參考點建立的坐標系，也可以是一個絕對位置(如參考點採用 GPS定位)。並且根據定位算法的不同，定位結果可以是二維坐標，也可以是三維的。到目前為止，很多學者已經提出了比較典型的面向二維平面的定位算法，然而很少有涉及如何解決三維空間的定位問題。但是實際環境中傳感器節點是經常被部署在三維空間中的，比如多樓層的建築物裡，地面起伏不定的山坡上以及水下空間等等。在三維環境下的定位問題相比於二維平面顯然會有一定區別，其主要難點如下(1).定位所需的參考點增加在二維平面裡，定位一個未知節點只需三個參考節點，而在三維空間裡，最少需要四個參考節點才能定位一個未知節點。這帶來的不僅是對參考點密度的要求，而且增加了算法複雜度。(2).地形障礙對傳輸信號的影響
室外二維環境下，節點的傳輸信號一般不受地形或者障礙影響，但是三維空間裡地形因素帶來的非視距傳輸對信號的影響是不可忽視的，所以使用信號強度等計算節點之間距離的算法就會產生一定誤差，使用非測距算法的同時也要考慮節點最小通信半徑受影響帶來的連通性問題。若不考慮這些因素肯定會對定位精度產生很大影響。(3).目前大多數定位算法不直接適用目前國內外提出的一些經典算法只適用於二維平面，而對三維空間的定位問題研究尚不成熟，某些定位算法必須通過改進才能適用到三維空間。所以，研究出能夠在三維空間中精確定位並且算法複雜度低的定位算法是非常有意義的。(4).難以滿足特定應用場合的需求對於一些特定應用場合的三維定位，如建築物中，定位結果必須能夠反映出節點所處的樓層。由於樓層之間的距離有限，無法達到釐米級精度的定位算法基本難以確定節點處於哪一樓層，這是室內三維定位目前急需解決的問題。
發明內容
為了克服已有無線傳感網絡的定位方法的無法適應三維定位、定位精度不高的不足，本發明提供一種能夠適應三維定位、提高定位精度的基於共面度的無線傳感網絡的三維定位方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種基於共面度的無線傳感網絡的三維定位方法，包括以下步驟1)、參數配置跳數閾值thre_h0p是指節點與其鄰近節點相連通的最遠跳數；共面度閾值thre_ dcp為保證對最佳定位單元的選擇參數；以及參考點坐標，參考節點的數量為不少於四個2)、定位過程，具體包括(2. 1)計算所有節點與參考點之間的最小跳數；(2. 2)計算網絡平均每跳距離先根據節點自身坐標計算兩個參考點之間的實際距離
權利要求
1. 一種基於共面度的無線傳感網絡的三維定位方法，其特徵在於所述三維定位方法包括以下步驟1)、參數配置跳數閾值thre_hop是指節點與其鄰近節點相連通的最遠跳數；共面度閾值thre_dcp 為保證對最佳定位單元的選擇參數；以及參考點坐標，參考節點的數量為不少於四個；2)、定位過程，具體包括(2. 1)計算所有節點與參考點之間的最小跳數；(2. 2)計算網絡平均每跳距離先根據節點自身坐標計算兩個參考點之間的實際距尚
2.如權利要求1所述的基於共面度的無線傳感網絡的三維定位方法，其特徵在於 所述步驟(2.4)中，四邊測量法描述如下假設4個參考點的坐標分別為(xi; Y1, Z1), (x2, Y2, z2)、(x3, y3, Z3)、(x4, y4，z4)，待確定位置節點的坐標是(xu，yu，zu)，該節點到4個參考節點的距離分別是屯、d2、d3、d4，根據三維空間距離計算公式，獲得方程組
3.如權利要求1或2所述的基於共面度的無線傳感網絡的三維定位方法，其特徵在於 所述步驟(2. 1)的具體過程為使用距離矢量交換協議，通過節點間相互交換信息，使網絡中所有節點獲得與跳數閾值範圍內的參考點之間的跳距；具體計算過程為所有參考點向鄰居節點廣播自身位置信息分組，分組格式如下
全文摘要
一種基於共面度的無線傳感網絡的三維定位方法，包括以下步驟1)參數配置跳數閾值、共面度閾值和以及參考點坐標，參考節點的數量為不少於四個2)定位過程，具體包括(2.1)計算所有節點與參考點之間的最小跳數；(2.2)計算網絡平均每跳距離；(2.3)計算未知節點與參考點之間的距離，計算到參考點的距離；(2.4)計算未知節點的坐標首先未知節點將鄰近所有參考點按4個一組計算共面度DCP，根據設置的共面度閾值thre_dcp排除掉DCP小於共面度閾值thre_dcp的參考點組合，然後根據四邊測量法分別計算節點坐標，最後取所有結果的平均值作為未知節點最終位置坐標。本發明能夠適應三維定位、提高定位精度。
文檔編號H04W64/00GK102264127SQ20091015523
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月10日 優先權日2009年12月10日
發明者葉培松, 洪衛丹, 王堯, 程榮, 莫建華, 蔡韶華, 邵奔, 陳慶章 申請人:浙江工業大學