專利名稱：一種基于球殼交集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種基于球殼交集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法，涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，它通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信的方式協(xié)作地感知、采集、處理監(jiān)控區(qū)域中感知對(duì)象的信息，進(jìn)而完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)控。在很多傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目成千上萬(wàn)，通常大量隨機(jī)部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，例如在森林火災(zāi)預(yù)警、水下環(huán)境監(jiān)測(cè)、沙漠平原監(jiān)測(cè)等許多應(yīng)用中，常常通過(guò)飛行器拋撒節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的位置都是隨機(jī)并且未知的，然而節(jié)點(diǎn)發(fā)回的如溫度、 酸堿度、水位、壓力、風(fēng)速等物理信息數(shù)據(jù)必須和位置信息相捆綁才有意義；在軍事戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)中，甚至有時(shí)需要傳感器發(fā)回單純的位置信息，作為戰(zhàn)術(shù)指揮的關(guān)鍵依據(jù)。因此傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)是進(jìn)行其他相關(guān)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)活動(dòng)有著極其重要的作用。目前對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的研究主要集中在二維平面空間，節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo)只有X軸和Y軸兩個(gè)維度，而在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，例如在森林山區(qū)等環(huán)境監(jiān)測(cè)中，節(jié)點(diǎn)之間會(huì)有一定的高度差，此時(shí)如果仍采用二維定位算法，節(jié)點(diǎn)的位置信息會(huì)有較大的誤差。尤其在進(jìn)行水下監(jiān)測(cè)時(shí)，更加需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)的高度位置，因此針對(duì)三維空間的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究非常重要。GPS全球定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間的定位，但是其能耗大、體積大、成本高，如果為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備GPS系統(tǒng)，則與傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗、低成本的要求相違背，因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中需要利用位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，采用一定的定位機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位。例如針對(duì)三維空間的定位問(wèn)題，有文獻(xiàn)提出利用裝有GPS的固定錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同強(qiáng)度的信號(hào)，未知節(jié)點(diǎn)據(jù)此估算自身可能所在的球殼的區(qū)域。這樣由多個(gè)固定錨節(jié)點(diǎn)可以確定出一個(gè)球殼交集，該交集的中心即為未知節(jié)點(diǎn)所在位置。但是該方法需要在監(jiān)測(cè)區(qū)域中放置較多的固定錨節(jié)點(diǎn)，成本較高，此外如果錨節(jié)點(diǎn)分布不均勻則會(huì)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)位置的確定造成較大的影響。還有文獻(xiàn)提出只利用一個(gè)可自由移動(dòng)的錨節(jié)點(diǎn)即可對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，前提是假設(shè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)隨時(shí)知道自己的坐標(biāo)，能量沒(méi)有限制，移動(dòng)路線隨機(jī)，所有節(jié)點(diǎn)的信息傳輸距離已知。其工作原理如下移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中不停廣播自身的位置信息，在穿過(guò)未知節(jié)點(diǎn)的球形通信區(qū)域后，未知節(jié)點(diǎn)記錄下首次和末次偵聽(tīng)到的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的位置信息并作為兩個(gè)定位點(diǎn)，近似認(rèn)為這兩個(gè)定位點(diǎn)位于以未知節(jié)點(diǎn)為球心，信息傳輸距離為半徑的球形通信邊界上。當(dāng)記錄到四個(gè)定位點(diǎn)后，利用一定的幾何方法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。但是由于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)是定時(shí)周期性廣播位置消息的， 探測(cè)到的定位點(diǎn)不一定正好位于未知節(jié)點(diǎn)的球形通信邊界上，因此會(huì)給最終位置的確定帶來(lái)一定的誤差。更重要的是在實(shí)際環(huán)境中，由于無(wú)線信號(hào)不規(guī)則衰減，節(jié)點(diǎn)的通信半徑不定，此時(shí)若認(rèn)為定位點(diǎn)仍位于未知節(jié)點(diǎn)理想的通信邊界上會(huì)造成更大的誤差。
由于現(xiàn)有技術(shù)存在上述缺陷，需要一種更有效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位機(jī)制來(lái)滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，減少由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送間隔和無(wú)線信號(hào)不規(guī)則衰減造成的誤差，實(shí)現(xiàn)高精度、低干擾的定位技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播位置信息，通過(guò)定位點(diǎn)球殼交集區(qū)域計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法，減小在三維空間中由于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送間隔和在實(shí)際環(huán)境中無(wú)線信號(hào)不規(guī)則衰減造成的定位誤差。所述定位機(jī)制包括以下步驟步驟1 在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，裝配有GPS的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在所述指定區(qū)域內(nèi)按照預(yù)設(shè)的移動(dòng)速度V隨機(jī)直線移動(dòng)，所有節(jié)點(diǎn)的通信距離為R。步驟2 在移動(dòng)過(guò)程中，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的周期T廣播自身的實(shí)時(shí)位置信息， 未知節(jié)點(diǎn)處于接收信息的狀態(tài)。步驟3 當(dāng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)穿過(guò)未知節(jié)點(diǎn)的球形通信區(qū)域后，未知節(jié)點(diǎn)記錄下首次和末次偵聽(tīng)到的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，記作兩個(gè)定位點(diǎn)。步驟4 當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)記錄到4個(gè)定位點(diǎn)后，停止對(duì)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)，判斷這4個(gè)定位點(diǎn)是否共面。如果這4個(gè)定位點(diǎn)共面，則執(zhí)行步驟5 ；否則執(zhí)行步驟6。步驟5 未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)刪除一個(gè)定位點(diǎn)，繼續(xù)偵聽(tīng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，記錄下首次偵聽(tīng)到的位置信息，記作定位點(diǎn)。跳至步驟4。步驟6 分別以這4個(gè)不共面的定位點(diǎn)為球心，做半徑為R和R-VT的兩個(gè)球，共形成4個(gè)球殼。步驟7 求出這4個(gè)球殼的交集區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域中心的位置坐標(biāo)，把該坐標(biāo)記作未知節(jié)點(diǎn)的位置。步驟8:當(dāng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)預(yù)設(shè)的定位時(shí)間結(jié)束后，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)停止廣播位置信息，整個(gè)定位過(guò)程結(jié)束。上述步驟1中，所述移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)路徑是首先移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在定位區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)點(diǎn)，然后直線移動(dòng)過(guò)去。到達(dá)該點(diǎn)后再次在定位區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)點(diǎn)，直線移動(dòng)過(guò)去，直到預(yù)定的定位時(shí)間結(jié)束。上述步驟3中，未知節(jié)點(diǎn)需要記錄首次和末次偵聽(tīng)到的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，所述移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置信息包含一個(gè)時(shí)間戳。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)收到移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置信息后，比較距前一次收到的位置信息的時(shí)間間隔。如果是第一次收到移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置信息或者距前一次收到的位置信息的時(shí)間大于T，則把當(dāng)前收到的位置信息記作首次偵聽(tīng)到的位置信息；否則不進(jìn)行記錄。如果未知節(jié)點(diǎn)收到的位置信息的時(shí)間距前一次收到的位置信息的時(shí)間為T，且在隨后的時(shí)間T內(nèi)沒(méi)有收到移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置信息，則把當(dāng)前收到的位置信息記作末次偵聽(tīng)到的位置信息；否則不進(jìn)行記錄。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于減少了在基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的三維空間定位中由于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送間隔可能帶來(lái)的誤差，尤其減少了在實(shí)際應(yīng)用中，由于無(wú)線信號(hào)不規(guī)則衰減可能導(dǎo)致的誤差，提高了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在三維空間中的平均定位精度。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中一種基于球殼交集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中未知節(jié)點(diǎn)確定定位點(diǎn)后所做球殼的示意簡(jiǎn)圖；
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖1，本發(fā)明提供的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法始于在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)的通信距離為R。然后裝配有GPS的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在指定監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)按照預(yù)設(shè)的移動(dòng)速度V隨機(jī)直線移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的周期T廣播自身的實(shí)時(shí)位置信息。移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)穿過(guò)未知節(jié)點(diǎn)的球形通信區(qū)域后，未知節(jié)點(diǎn)記錄下首次和末次偵聽(tīng)到的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，記作兩個(gè)定位點(diǎn)。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)記錄到4個(gè)定位點(diǎn)后，停止對(duì)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)，判斷這4個(gè)定位點(diǎn)是否共面，如果這4個(gè)定位點(diǎn)共面，則隨機(jī)刪除一個(gè)定位點(diǎn)，繼續(xù)偵聽(tīng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播的位置信息，直到記錄到4個(gè)不共面的定位點(diǎn)為止。 然后分別以這4個(gè)不共面的定位點(diǎn)為球心，做半徑為R和R-VT的球殼，未知節(jié)點(diǎn)求出這4 個(gè)球殼的交集區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域中心的位置坐標(biāo)，把該坐標(biāo)記作該未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。圖2是本發(fā)明的未知節(jié)點(diǎn)在確定定位點(diǎn)后所做球殼的示意簡(jiǎn)圖。當(dāng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)穿過(guò)以未知節(jié)點(diǎn)N為球心，通信距離R為半徑的球形通信區(qū)域后，未知節(jié)點(diǎn)記錄下定位點(diǎn)A，以定位點(diǎn)A為球心，做半徑為R和R-VT的兩個(gè)球，則未知節(jié)點(diǎn)位于該球殼內(nèi)。為了精確未知節(jié)點(diǎn)的位置，至少要獲得4個(gè)不共面的定位點(diǎn)A、B、C、D，分別以這4個(gè)定位點(diǎn)為球心，做半徑為R和R-VT的球殼，則未知節(jié)點(diǎn)位于這些球殼的交集區(qū)域。本發(fā)明通過(guò)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)可能所在球殼的交集，把交集區(qū)域中心的坐標(biāo)作為未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，減小了在基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間定位中由于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送間隔和無(wú)線信號(hào)不規(guī)則衰減可能帶來(lái)的誤差，從而有效的提高了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間定位在實(shí)際應(yīng)用中的平均定位精度。以上所述僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，并不用以限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種基于球殼交集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法，其特征是移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息中還包含當(dāng)前的時(shí)間，如果未知節(jié)點(diǎn)收到的位置信息的時(shí)間距前一次收到的位置信息的時(shí)間為T，且在隨后的時(shí)間T內(nèi)沒(méi)有收到移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置信息，則把當(dāng)前收到的位置信息記作末次偵聽(tīng)到的位置信息。其中T表示移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播信息的時(shí)間間隔。
2.一種基于球殼交集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法，其特征是當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)記錄到四個(gè)定位點(diǎn)后，如果這四個(gè)定位點(diǎn)共面，則隨機(jī)刪除一個(gè)定位點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)繼續(xù)偵聽(tīng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，只記錄首次偵聽(tīng)到的位置信息并記作定位點(diǎn)。
3.一種基于球殼交集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法，其特征是當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)記錄到四個(gè)不共面的定位點(diǎn)后，分別以這四個(gè)定位點(diǎn)為球心，做半徑為R和R-VT的兩個(gè)球。然后求出這四個(gè)球殼的交集區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域中心的位置坐標(biāo)，把該坐標(biāo)記作未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。 其中R表示未知節(jié)點(diǎn)的通信距離，V表示移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度，T表示移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播消息的時(shí)間間隔。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于球殼交集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位方法，屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。該方法利用一個(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(tīng)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(guò)計(jì)算這些球殼的交集區(qū)域，估算未知節(jié)點(diǎn)的位置，減小了在采用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間定位中由于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送間隔可能帶來(lái)的誤差，同時(shí)可以改善實(shí)際應(yīng)用中由于無(wú)線信號(hào)不規(guī)則衰減造成的誤差，從而可有效提高在真實(shí)環(huán)境下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間節(jié)點(diǎn)定位的平均精度。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102170695SQ20111005751
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者孫詠梅, 王照宇, 紀(jì)越峰 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)