一種基於正交投影能夠檢測無線傳感網絡節點翻轉模糊的定位器的製造方法

2023-04-26 21:06:01

一種基於正交投影能夠檢測無線傳感網絡節點翻轉模糊的定位器的製造方法
【專利摘要】本發明設計了一種基於正交投影能夠檢測無線傳感網絡節點翻轉模糊的定位器。利用正交投影方法，將無線傳感網絡節點定位中的翻轉模糊檢測等價為在二維空間中尋找一條直線的問題，要求該直線滿足任意兩個參考節點的測距誤差圓在它上面的投影線段有重疊部分；將尋找這一直線的問題轉化為一個角度計算問題，並利用坐標變換的方式求解，簡化了計算過程。本發明採用多邊定位方法進行節點的定位，定位中加入計算複雜度較低的基於正交投影的節點翻轉模糊檢測措施，不僅具有較好的檢測效果，而且提高了節點定位精度。
【專利說明】一種基於正交投影能夠檢測無線傳感網絡節點翻轉模糊的 定位器

【技術領域】
[0001] 本發明屬於無線傳感器網絡的節點定位領域。

【背景技術】
[0002] 無線傳感網絡（Wireless Sensor Networks, WSN)節點定位是當前的研究熱點之 一。WSN的節點定位方法通常可以劃分為基於測距和基於非測距的兩種方法。其中基於測 距的方法，由於定位精度高在節點定位中被廣泛採用。不過該方法存在從已知的數據所估 計位置信息的非唯一性問題，也就是在定位中將出現節點的翻轉模糊問題。而且，基於測距 的定位方法在實際定位中，如果發生翻轉模糊，就可能產生節點定位的雪崩效應，導致整個 網絡節點的定位失效。因此，有必要採取一定的措施去檢測節點翻轉模糊是否會發生，從而 減小其對整個網絡定位過程的影響。
[0003] 目前主要採用魯棒四邊形的方法來檢測節點定位的翻轉模糊問題。該類方法通過 判斷未知節點和三個參考節點組成的一個四邊形是否滿足一定的幾何條件，來確定未知節 點的定位不發生翻轉模糊的魯棒性。大多數魯棒四邊形方法只適用於採用三個參考節點的 三邊定位。相對於三邊定位方法，使用多於三個參考節點的多邊定位方法更能得到較小的 平均定位誤差，因此在基於測距的無線傳感網絡的節點定位中，大多採用多邊定位方法。目 前針對多邊定位中節點翻轉模糊問題的研究還是非常少，雖然有些魯棒四邊形方法也能用 於多邊定位，但是其計算複雜度大，而且判斷效果較差。而將翻轉模糊問題等價為判斷是否 存在一條直線和若干圓（以參考節點為圓心，以參考節點到未知節點的測距誤差絕對值的 最大值為半徑）都相交（Existence of Intersecting Line, EIL)問題，是目前判斷效果較 好的一種用於多邊定位中節點翻轉模糊的檢測方法。不過，目前求解EIL問題採用的公切 線法，其計算複雜度太大。


【發明內容】

[0004] 針對當前公切線法求解EIL問題計算複雜度較高的缺陷，本發明提供了一種基於 正交投影能夠檢測無線傳感網絡節點翻轉模糊的定位器。此定位器中在定位過程中加入了 檢測節點翻轉模糊的措施，並利用正交投影的方法，將EIL問題等價為在二維空間中尋找 一條滿足任意兩個參考節點的測距誤差圓在它上面的投影線段有重疊部分的直線問題，能 夠降低檢測節點翻轉模糊的計算複雜度。本發明是通過以下技術方案實現的： 將尋找滿足上述條件的直線問題轉化為一個角度計算問題，並利用坐標變換的方式求 解。將翻轉模糊檢測加入到無線傳感網絡的節點定位過程中，最後用多邊定位方法對未知 節點進行定位。
[0005] 具體實現過程如下： 1.無線傳感網絡的節點定位中的翻轉模糊問題描述 節點定位的翻轉模糊問題的發生指的是當參考節點間的位置幾乎共線時，由於 測距誤差的存在，導致未知節點的定位存在兩個關於某一條直線成鏡像關係的估計 位置。圖2是節點的翻轉模糊示意圖，圖中節點A、B和C是位置已知的參考節點， 心、心和分別是他們到未知節點的測量距離。以B、C兩點為圓心，分別以和心為 半徑畫兩個圓。未知節點的位置必然在兩圓的交點D或D'上，且關於直線BC對稱。假設 待定位的未知節點位置為D，A到D和D'兩點的距離分別為式,和，3,。測量距離^^用 來選擇未知節點的估計位置，其選擇的標準是I更接近式，（選擇D)還是更接近，3，(選 擇D')。當A、B、C三點幾乎共線時，式，和?/ζ 3，相差不大。由於測距誤差的存在，就有可 能錯誤地選擇IV作為未知節點D的估計位置。如果讓這種錯誤定位的未知節點參與其它 未知節點的定位，可能導致整個網絡節點的定位失效。
[0006] 2. EIL 問題 無線傳感網絡的節點多邊定位方法需用a α > 3)個參考節點來定位一個未知節點。 已知數據可以用一個集合μ={<α.，名、^^。，…，左表示:其中:朽表示第/個參考節 點的位置，4表示第』·個參考節點到未知節點的測量距離。4 =式.+ ~，其中4和q分別 表示第i個參考節點到未知節點的真實距離和測距誤差。將每個參考節點沿著各自的測距 方向平移G至一個新的位置為，可以得到另一個集合M' ={}。與集合Μ不 同，集合Μ'沒有測距誤差。因此，在集合Μ'中，如果平移後的々個節點位置為不共線，那 麼，在未知節點的定位過程中肯定不會發生翻轉模糊。
[0007] 在實際情況下，測距誤差f 是未知的，所以無法求出參考節點平移後的位置為。 不過G的取值是有界限的，故可以求出為所處的區域範圍。若L表示未知節點到第i個 參考節點測距誤差絕對值的最大值，即，4 = maxki|,i=l，2,…，左。那麼，為必然在以為 圓心，L為半徑的圓內。可以用集合S={ }，i=l，2，···，々表示這左個圓。對 於集合S，若存在一條直線和々個圓都相交，那麼平移後的位置為有可能共線，則會發生 節點的翻轉模糊；否則，為肯定不會共線，也不會發生翻轉模糊。所以，翻轉模糊問題可以 等價為判斷是否存在一條直線和若干圓都相交（EIL)問題。
[0008] 3.基於正交投影的節點翻轉模糊檢測方法 基於正交投影的節點翻轉模糊檢測方法的理論基礎來自於如下我們提出的定理。
[0009] 定理：EIL問題的充分必要條件是空間中存在一條直線，任意兩個圓在該直線上 的正交投影線段有重疊部分。
[0010] 根據此條定理，EIL問題可以轉換為尋找滿足上述條件直線的問題。由於空間中 的每一條直線的方向可以用該直線與橫坐標軸的夾角〃來表示，因此EIL問題可等價為能 否找到滿足條件的直線夾角〃值的問題。角度計算問題可以採用坐標變換的方法來求解， 以簡化計算過程。
[0011] 若二維空間中有一條直線7與Z軸相交於坐標為（a，0)的點P，直線/與Z軸的 夾角為〃（〇 <〃+? sm ￡!, -(? -?φιη^ + Μ cos_ , i=l，2,…，々。而各圓心在直線 / 上的正交 投影點在坐標系'的坐標為((巧-￡*)〇<^5 + _^3111漢0)，/=1，2，"％左。因此 若任意兩個圓在直線7上的正交投影線段有重疊部分，則必須滿足： |(χ? - ) ?05& + (^ "Λ )sm ^ +'rK Qn=l,2,-,k\ /7=1,2,-,k\ m^n) 上式表示的是包含(A-l)/2個不等式的不等式組。對該不等式組求解，若其有解， 則空間中存在直線和這A個圓都相交，節點定位有可能發生翻轉模糊。否則，空間中不存在 和這A個圓都相交的直線，節點不會發生翻轉模糊。
[0012] 4.基於正交投影能夠檢測無線傳感網絡的節點翻轉模糊的定位器實現步驟 (1)尋找可定位的未知節點。
[0013] (2)通過無線信道模型估計未知節點與參考節點之間的距離。
[0014] (3)設定各參考節點的測距誤差圓的半徑。
[0015] (4)用基於正交投影的方法檢測未知節點的定位是否會發翻轉模糊。若節點定位 可能發生翻轉模糊，進入步驟（5);否則，進入步驟（6)。
[0016] (5)未知節點的定位可能會發生翻轉模糊，不對其定位。
[0017] (6)用多邊定位方法對未知節點進行定位，求出其估計位置。
[0018] 本發明的有益效果在於： 1.節點翻轉模糊檢測效果 本定位器採用的基於正交投影翻轉模糊檢測方法與目前一般採用的公切線翻轉模糊 檢測方法的檢測結果是相同的。圖3是節點分別為均勻分布和隨機分布時，採用基於正交 投影方法和公切線方法檢測節點翻轉模糊的檢測結果對比圖。從圖3中可以看出，在不同 節點分布時，這兩種方法的檢測結果是完全相同的。
[0019] 2.節點翻轉模糊檢測的計算複雜度 基於正交投影的方法檢測節點的翻轉模糊，對每一對參考節點的測距誤差圓都要列出 一個不等式，然後對其求解，因此，本定位器採用的基於正交投影的檢測方法的計算複雜度 為0(0。而公切線檢測方法首先要計算每對圓的公切線，然後再判斷公切線與其餘圓是 否相交，因此公切線檢測方法的計算複雜度為〇仏 3)，計算複雜度較高。表1和表2分別是 節點為均勻分布和隨機分布時，採用基於正交投影檢測方法和公切線檢測方法檢測一次所 需的平均時間對比。在表中，和#分別表示節點的通信半徑和參考節點的平均數，7^和 7_分別表示公切線翻轉模糊檢測方法和基於正交投影翻轉模糊檢測方法判斷一次所需的 平均時間，，表示兩者的比值，即，=7^ / 從表中可以看出，對於兩種節點分布，基 於正交投影檢測方法檢測一次所需的平均時間要小於公切線檢測方法，而且隨著參考節點 數量的增加，兩者所需時間的比值越來越大，因此，當參考節點數量較多時，基於正交投影 檢測方法明顯地更適用。這就說明了與公切線檢測方法相比，本定位器採用的基於正交投 影檢測節點翻轉模糊的方法大大降低了計算複雜度。

【權利要求】
1. 一種基於正交投影能夠檢測無線傳感網絡節點翻轉模糊的定位器，其特徵在於：提 出了一種基於正交投影的無線傳感網絡節點定位翻轉模糊檢測方法，該方法將節點定位中 的翻轉模糊檢測等價為在二維空間中尋找一條直線問題，要求該直線滿足任意兩個參考節 點的測距誤差圓在它上面的投影線段有重疊。
2. 根據權利要求1所述的無線傳感網絡的節點定位器，其特徵在於：將節點翻轉模糊 檢測中尋找滿足條件的直線問題轉化為一個角度計算問題，並用坐標變換的方式簡化求解 過程。
3. 根據權利要求1及2所述無線傳感網絡的節點定位器，其特徵在於：具體步驟如下： 步驟1 :尋找可定位的未知節點； 步驟2 :通過無線信道模型估計未知節點與參考節點之間的距離； 步驟3 :設定各參考節點的測距誤差圓的半徑； 步驟4 :用基於正交投影的方法檢測未知節點的定位是否會發翻轉模糊； 假設需要尋找的直線與原坐標系的橫坐標軸的夾角為〃，首先用坐標變換的方法，使 新坐標系的橫坐標軸與所尋找的直線重合，並計算出各參考節點在新坐標系中的坐標值， 得到如下的一個不等式組：
其中，（&，7^)和是分別是第》個和第/?個參考節點在原始坐標系中的坐標，rw 和&分別表示第《個和第/7個圓的半徑，A為參考節點的個數，對該不等式組求解，若其有 解，則說明有滿足條件的〃值，節點定位時可能發生翻轉模糊，進入步驟5;否則，節點定位 時不會發生翻轉模糊，進入步驟6 ; 步驟5 :未知節點的定位可能會發生翻轉模糊，不對其定位； 步驟6 :用多邊定位方法對未知節點進行定位，求出其估計位置。
【文檔編號】H04W64/00GK104101860SQ201310597657
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】董恩清, 劉偉, 張德敬, 宋洋, 高翔, 孫祺, 崔文韜, 張軍蕊 申請人:山東大學（威海）