基于圓焦點(diǎn)的無線傳感定位方法
【專利說明】基于圓焦點(diǎn)的無線傳感定位方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機(jī)應(yīng)用與無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensor化twork,WSN)中節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)是無線傳感網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的核屯、技術(shù)之一，在很多應(yīng)用中，位置信息的準(zhǔn)確性是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息實(shí)用性的前提。 在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成本限制的前提下，提高無線傳感器節(jié)點(diǎn)自定位的精度有著重要的意義。
[0003] 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)一般要具有四個特點(diǎn)：第一是低能耗，高效率：節(jié)點(diǎn) 在自定位時能耗盡量低，傳輸通信開銷低，運(yùn)是節(jié)點(diǎn)建設(shè)的基本硬件要求之一，通常節(jié)點(diǎn)的 計算能力和存儲空間??；第二是節(jié)點(diǎn)本身具有自組織能力：通常節(jié)點(diǎn)的部署位置具有不確 定性，隨機(jī)的部署在位置區(qū)域，要能夠通過節(jié)點(diǎn)本身的設(shè)備進(jìn)行自定和組織；第=是分布式 計算：在無線網(wǎng)絡(luò)中傳感器通常都是一次性消耗品，需要能夠通過負(fù)載均衡的方式，避免某 一節(jié)點(diǎn)的能力消耗過快而無法正常運(yùn)行；第四是魯棒性：由于環(huán)境的多樣性W及物理環(huán)境 的復(fù)雜性，導(dǎo)致某一或多個節(jié)點(diǎn)無法正常工作乃至通信中斷，定位技術(shù)能夠在運(yùn)種情況下 進(jìn)行可容忍誤差的定位。
[0004] 節(jié)點(diǎn)定位的計算方法：
[0005] 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位可分為兩個過程，首先未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)測距方法計 算出未知節(jié)點(diǎn)與錯節(jié)點(diǎn)的距離或角度，目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中常見的距離測量技 術(shù)有到達(dá)時間差、到達(dá)角度、到達(dá)時間、接收信號強(qiáng)度指示四種；當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得與錯節(jié)點(diǎn) 的距離或相對角度后，通過有W下幾種方案來計算自己的位置。
[000引 （1);邊測量法
[0007] 立邊測量法（trilateration)的基本原理。已知S個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A(Xa,y。）、B(Xb,Yb) 和C(X。，y。)，未知節(jié)點(diǎn)E(X，y)分別與A、B和C之間的距離分別為d。、db和d。。可得到下列 等式：
[0009] 由公式得節(jié)點(diǎn)E的坐標(biāo)：
[0011] 似S角測量法
[001引S角測量法（triangulation)的基本原理。其中已知節(jié)點(diǎn)A(x。，y。)、B(Xb,yj和C(X。，y。），未知節(jié)點(diǎn)E(X，y)分別相對于A、B和C的角度為：ZAEB、ZAEC、Z邸C。對于信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)A和C夾角ZAEC，如果弧AC位于ZABC內(nèi)，則可W唯一確定一個圓，假設(shè)其圓屯、為 01(x。l，y。l)，半徑為rl，那么a=ZA0lC=(2 3T-2ZADC)，并有公式3:
[0014] (3)極大似然估計法
[0015] 極大似然估計法（maximumUkelihoodestimation)原理。存在n個信標(biāo)節(jié) 點(diǎn)，坐標(biāo)分別為（XI，yi)、（而，72)，.....，（x"，y。），且距離未知節(jié)點(diǎn)E(x，y)的距離分別為di,dz,da,......，d。。
[001引得到公式4:
[0018] 化簡等式，將該組等式前n-1個方程式都減去最后一個方程得到下面等式
[0020] 表示為
[0021] H(x，y)T=P 化）
[0022] 最后利用標(biāo)準(zhǔn)的最小方差估計方法，得到未知節(jié)點(diǎn)E的坐標(biāo)
[0023] (x，y)T=^TH)HTp (7)
[0024] 在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，存在著兩類節(jié)點(diǎn)，位置已知的節(jié)點(diǎn)（錯節(jié)點(diǎn)，AnchorNode)和 位置未知的節(jié)點(diǎn)（普通節(jié)點(diǎn)，NormalNode)。錯節(jié)點(diǎn)的位置是在我們部署傳感器節(jié)點(diǎn)，或者 通過GI^系統(tǒng)進(jìn)行定位，獲得它們精確的位置信息。根據(jù)測距的方式不同，現(xiàn)在的定位算法 主要分為兩種，基于測距（Range-Based)的定位算法和基于非測距（Range-Free)的定位算 法。Range-Based算法需要通過實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的距離，或者角度信息，使用=邊或多 邊定位算法來計算、確定節(jié)點(diǎn)的位置。Range-Free算法主要通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)的連通性來 估計節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后通過=邊或多邊定位算法來計算節(jié)點(diǎn)的位置。Range-Base算法 精度相對較高，但是對節(jié)點(diǎn)的硬件依賴較高，需要節(jié)點(diǎn)額外的硬件輔助。對于精度要求不高 的系統(tǒng)，Range-Free算法可W有效的降低搭建網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用。因此基于非測距的定位算法越 來越受到人們的關(guān)注。典型的Range-Free算法有：Dv-Hop算法，AP]：T等。
[00巧]Dv-Hop算法是Range-Free算法中典型的算法，算法容易實(shí)施，主要過程可分為五 步：
[0026] 第一：錯節(jié)點(diǎn)通過洪泛法廣播自身位置。錯節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)廣播它的位置信息，并且把 跳數(shù)初始化為一。
[0027]第二：存儲轉(zhuǎn)發(fā)。每個節(jié)點(diǎn)接收到運(yùn)個報文時，檢測節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)保存運(yùn)個錯節(jié) 點(diǎn)的位置，如果沒有該錯節(jié)點(diǎn)信息，則保存錯節(jié)點(diǎn)位置信息和跳數(shù)信息，然后對跳數(shù)加一廣 播運(yùn)個報文。如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)保存有錯節(jié)點(diǎn)位置信息，則比較現(xiàn)有跳數(shù)信息和報文的跳數(shù)信 息，如果現(xiàn)有跳數(shù)信息大于報文中跳數(shù)信息，則用報文信息覆蓋現(xiàn)有信息，然后對報文跳數(shù) 加一，轉(zhuǎn)發(fā)；否則丟棄數(shù)據(jù)包。
[002引第立：當(dāng)一個錯節(jié)點(diǎn)i得到它到其他所有錯節(jié)點(diǎn)的位置信息和跳數(shù)信息，它可W通過公式（8)計算出它每跳的平均跳距。
[0030] 其中，（Xi，y;)，（Xj，y.j)表示錯節(jié)點(diǎn)i，j的坐標(biāo)，hi.j表示兩個節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)。 [003。 第四：錯節(jié)點(diǎn)全網(wǎng)廣播平均跳距，當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)k接收到錯節(jié)點(diǎn)i的平均跳距時，就 可W通過公式（9)得到未知節(jié)點(diǎn)到錯節(jié)點(diǎn)i的距離。
[0032] Distance^=hki蝴isF^erHoPi (9)
[0033] 第五：當(dāng)計算出自身到=個W上錯節(jié)點(diǎn)之間的距離時，位置節(jié)點(diǎn)利用=角定位的 方法計算出他的坐標(biāo)。
[0034] 從（4)中任意找出兩個不線性相關(guān)的等式就可W精確的計算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。 然而由于測距誤差e1的存在，使得等式（4)的實(shí)際表達(dá)式為：
[0036] 運(yùn)導(dǎo)致兩個圓的交點(diǎn)可能不會是第S個圓的上的點(diǎn)。如圖1所示。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0037] 本發(fā)明的目的是解決在定位的時候，環(huán)路對估計距離影響的問題，W錯節(jié)點(diǎn)為圓 屯、，W對應(yīng)估計距離為半徑的圓的焦點(diǎn)的密集度算法來代替S角定位算法，提供一種基于 圓焦點(diǎn)的無線傳感定位方法，很好的避開了環(huán)路帶來的影響，有效的提高了定位精度。
[003引 Dv-Hop算法的精度受多個方面的影響，主要的有：跳轉(zhuǎn)路徑彎曲嚴(yán)重。如圖2所 /J、-O
[0039] 從點(diǎn)1到點(diǎn)4的跳轉(zhuǎn)路徑為1-2-3-4,需要S固而時間的距離沒有S跳那么 長，運(yùn)樣必然會增加計算的誤差。
[0040] 在我們的方法中，我們進(jìn)行了下面的改進(jìn)：
[0041] 定位的時候，為了減少環(huán)路對估計距離的影響，提高定位精度，我們采取了一種基 于圓焦點(diǎn)的定位算法，實(shí)驗證明，運(yùn)種方法能很好的完成定位。
[0042] 本發(fā)明提供的基于圓焦點(diǎn)的無線傳感定