一種基于無人自主飛行器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，具體涉及一種基于無人自主飛行器和 接收信號(hào)強(qiáng)度極大值特征的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在環(huán)境監(jiān)測、森林防火、智能交通、軍事偵察等典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，位 置都是最基本的上下文信息之一。除了用于報(bào)告事發(fā)地點(diǎn)外，位置信息還可用于目標(biāo)跟蹤、 行動(dòng)軌跡預(yù)測，以及基于地理位置的路由和數(shù)據(jù)查詢。因此傳感器節(jié)點(diǎn)的自身定位是無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的前提條件。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位是指無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過某種方法或技術(shù)，來確定自身的位 置。中國專利 CN104080165A 公開了一種基于 TDOA(Time Difference of Arrival)的室內(nèi) 定位方法：首先利用TOA (Time of Arrival)原始數(shù)據(jù)重構(gòu)TDOA數(shù)據(jù)；其次利用幾何規(guī)律和 TD0A測量值對(duì)Chan氏TD0A方法具有較大影響的特征來判斷原始數(shù)據(jù)是否在視距情況下或 者在非視距干擾不嚴(yán)重情況下測量得到；然后分別使用Taylor級(jí)數(shù)展開迭代方法和擴(kuò)展 Kalman方法估算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)；最后進(jìn)行殘差加權(quán)和數(shù)據(jù)平滑得到最終估計(jì)值。中 國專利CN103841641A公開了一種基于到達(dá)角度和Gossip算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式協(xié) 作定位方法：將Gossip算法和Α0Α定位方法的優(yōu)勢相結(jié)合，采用Α0Α (Angle of Arrival) 定位方法作為基本定位技術(shù)，借助Gossip算法隨機(jī)選擇相鄰節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)并最終達(dá)到 分布式平均共識(shí)的特性。中國專利CN103327603A公開了一種用于無線傳感器網(wǎng)的基于 APIT(Approximate Point-in-triangulation Test)的節(jié)點(diǎn)三維定位法：若未知節(jié)點(diǎn)具有 至少6個(gè)鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則依次判斷該未知節(jié)點(diǎn)的鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的每個(gè)四面體與 該未知節(jié)點(diǎn)的關(guān)系；若該未知節(jié)點(diǎn)包含于一個(gè)四面體內(nèi)，用該四面體的所有中垂面對(duì)該四 面體進(jìn)行切割；通過比較該未知節(jié)點(diǎn)收到構(gòu)成該四面體的4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI (Received Signal Strength Indication),確定未知節(jié)點(diǎn)存在于中垂面切割后四面體的哪一切割部 分；對(duì)該四面體所有的包含該未知節(jié)點(diǎn)的切割部分求取交集得到未知節(jié)點(diǎn)存在的縮小空 間；將所有四面體的縮小空間的交集的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，從而計(jì)算出未知節(jié) 點(diǎn)的位置坐標(biāo)。中國專利CN104540217A公開了兩種改進(jìn)DV-Hop定位算法，mandist加權(quán) 最小二乘法和dist加權(quán)最小二乘法：這兩種算法對(duì)經(jīng)典DV_Hop算法存在誤差$父大的平均 跳距，進(jìn)行了最小跳數(shù)mandist和dist加權(quán)處理，使得改進(jìn)后DV-Hop算法能更加有效地對(duì) 平均每跳距離進(jìn)行估計(jì)。中國專利CN102123495A公開了一種基于RSSI校正的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位算法，通過校正RSSI測距技術(shù)測量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離，采用三角形質(zhì)心算 法進(jìn)行定位，減小RSSI測量誤差，與基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法相比，極大提高了定 位精度。中國專利CN103096462A公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非測距節(jié)點(diǎn)定位方法：信標(biāo) 節(jié)點(diǎn)周期性的廣播自身位置信息；未知節(jié)點(diǎn)在收到前三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息后，停止接收 數(shù)據(jù)包，存儲(chǔ)三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；未知節(jié)點(diǎn)向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送電磁波信號(hào)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)后 再確認(rèn)信號(hào)返回，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到確認(rèn)信號(hào)的次序；根據(jù)時(shí)間差，作為修正的權(quán)值，按修 正后的計(jì)算式得出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；獲得自身位置信息的未知節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，開始周期性 廣播自身定位信息，直到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都獲知自身位置信息。中國專利CN103167609A公開了一 種基于跳數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法及系統(tǒng)：各錨節(jié)點(diǎn)（已知自身位置信息的傳感 器節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行第一次廣播，通過泛洪的方式向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳遞錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)及跳數(shù)信息；根 據(jù)每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與其它錨節(jié)點(diǎn)位置和相隔跳數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中平均每跳距離；各錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第二 次廣播，將校正值繼續(xù)以泛洪的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳遞；通過最小二乘法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。 CN101435867A公開了一種基于相位測量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法：首先建立一個(gè) 無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，包括至少四個(gè)已知位置的錨節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)隨機(jī)散布的待定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；錨 節(jié)點(diǎn)按其作用不同分為一個(gè)主錨節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)從錨節(jié)點(diǎn)；其次從錨節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)主 錨節(jié)點(diǎn)的控制信令和參考導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行收發(fā)機(jī)同步；接著主錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)各從錨節(jié)點(diǎn)的探測 導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行相位檢測和對(duì)從錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相位測量補(bǔ)償；最后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)利用若干組相位 測量結(jié)果進(jìn)行到各從錨節(jié)點(diǎn)的距離差估計(jì)并最終利用這些距離信息完成自身定位。
[0004] 在上述定位方法中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)二維位置的確定需要至少3個(gè)非共線的錨節(jié) 點(diǎn)，因此整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位需要大量的錨節(jié)點(diǎn)來保證定位的精度與覆蓋率，導(dǎo)致 網(wǎng)絡(luò)硬件成本和部署難度的急劇上升。為解決這一問題，有研究者提出利用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在 掃描傳感器部署區(qū)域過程中所產(chǎn)生的虛擬錨節(jié)點(diǎn)取代靜態(tài)錨節(jié)點(diǎn)的定位方法，有效降低了 網(wǎng)絡(luò)的硬件成本。中國專利CN102680995A公開了一種簡單易行的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方 法：用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)錨節(jié)點(diǎn)來降低使用成本，提高對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的覆蓋率；對(duì)錨節(jié)點(diǎn) 的移動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)合加權(quán)質(zhì)心算法得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。中國專利CN103796306A公 開了一種多移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的方法：a)布設(shè)3個(gè)可確定位置坐標(biāo)的 錨節(jié)點(diǎn)；b)錨節(jié)點(diǎn)沿掃描路徑移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的遍歷；c)時(shí)鐘同步，使3個(gè)移 動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)具有相同的時(shí)鐘信號(hào)；d)3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)處于成正三角形時(shí)廣播定位用的信標(biāo)信息； e)根據(jù)廣播信息的時(shí)刻篩選信標(biāo)信息；f)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的大小，將節(jié)點(diǎn)位置縮小至特定三 角形內(nèi)，三角形質(zhì)心即為節(jié)點(diǎn)的估算位置。中國專利CN102170695A公開了一種基于球殼交 集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法：利用一個(gè)裝配有GPS的可以自由移動(dòng)的錨節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn) 分布區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，未知節(jié)點(diǎn)偵聽到移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播的定位點(diǎn)后，以定位點(diǎn)為球心做未知節(jié) 點(diǎn)可能所在的球殼，通過計(jì)算這些球殼的交集區(qū)域估算未知節(jié)點(diǎn)的位置。這三種定位方法 都假設(shè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)輻射模型是標(biāo)準(zhǔn)的球形，這在實(shí)際系統(tǒng)中是很難保證的，因此定 位精度有限。
[0005] 中國專利CN101285878A公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的垂直相交定位方法：移動(dòng) 信標(biāo)在其移動(dòng)軌線上不斷廣播信號(hào)和自己當(dāng)前位置，節(jié)點(diǎn)通過比較信號(hào)強(qiáng)度，記下信號(hào)強(qiáng) 度最高的點(diǎn)，并根據(jù)每相鄰兩條邊上得到的兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度最高的點(diǎn)，利用幾何方法來計(jì)算 節(jié)點(diǎn)的位置。這種方法能有效避免射頻信號(hào)的利用信號(hào)強(qiáng)度測距帶來的定位誤差，但在長 距離通訊環(huán)境下，距離變化導(dǎo)致的射頻信號(hào)強(qiáng)度變化很小，垂直點(diǎn)的測量存在較大的誤差。
[0006] 綜上所述，現(xiàn)有基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位方法，大都采用接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI)進(jìn)行 定位，受射頻信號(hào)的非規(guī)則傳播影響，精度有限。因此迫切需要一種更有效的定位方法來滿 足實(shí)際應(yīng)用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法受射頻信號(hào)非規(guī)則傳播影響定位誤差 較大的不足，本發(fā)明提供一種基于無人自主飛行器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。
[0008] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于無人自主飛行器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方 法，其步驟為：
[0009] 步驟1 :移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)與信標(biāo)廣播；
[0010] 步驟1. 1 :將傳感器部署區(qū)域劃分為由邊長為d的多個(gè)虛正方形網(wǎng)格構(gòu)成的規(guī)則 圖形，選定該規(guī)則圖形的西南角頂點(diǎn)作為起飛點(diǎn)，沿所述虛正方形網(wǎng)格的邊，按方波軌跡連 接，構(gòu)成一個(gè)至少涉及每個(gè)虛正方形網(wǎng)格兩條邊的行程軌跡，依照該行程軌跡按順序?yàn)樘?正方形網(wǎng)格的頂點(diǎn)做頂點(diǎn)編號(hào)；
[0011] 步驟1.2:攜帶定向天線的無人自主飛行器以固定高度沿行程軌跡飛行，逢虛正 方形網(wǎng)格的頂點(diǎn)作定點(diǎn)懸停，并以角速度a順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360° ;旋轉(zhuǎn)過程中，無人自主飛行 器上搭載的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)以一定的頻率廣播包含無人自主飛行器自身定位信息以及所在虛 正方形網(wǎng)格的頂點(diǎn)編號(hào)的信標(biāo)信號(hào)；旋轉(zhuǎn)完成后，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送當(dāng)前頂點(diǎn)的頂點(diǎn)廣播結(jié) 束信號(hào)；
[0012] 步驟2 :在該規(guī)則圖形中分布若干傳感器節(jié)點(diǎn)，各傳感器節(jié)點(diǎn)接收和處理信標(biāo)信 號(hào)，在每個(gè)頂點(diǎn)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)做信標(biāo)廣播時(shí)，信標(biāo)傳播范圍內(nèi)的各傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程如 下：
[0013] 步驟2. 1 :傳感器節(jié)點(diǎn)每次接收到信標(biāo)信號(hào)，對(duì)此信標(biāo)信號(hào)中的頂點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行判 斷，
[0014] 1)