專利名稱：一種對傳感器節(jié)點精確定位的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對傳感器節(jié)點精確定位的方法。
背景技術：
在傳感器網(wǎng)絡中，位置信息對監(jiān)測活動至關重要。事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是節(jié)點監(jiān)測消息的重要信息，沒有位置信息的監(jiān)測消息往往毫無意義。因此，確定事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一，對其應用有效性起著關鍵作用。
目前已有針對性地提出了許多定位方案。其中，基于到達時間的TOA(到達時間)、TDoA(到達時間差)，基于到達角的AOA(到達角)方案，利用了聲波/超聲波的低速特性，通過測定傳播時間獲得精度較高的直線距離，但由于引入額外的硬件模塊，增加了成本和能量開銷；特別是AOA方案要求每個節(jié)點都配有超聲或天線陣列，限制了應用?；谛盘枏姸鹊腞SSI(接收信號強度指示)方案，通過預先建立信號強度到位置的映射關系或修正傳播模型來進行定位，成本開銷不高，精度適中。DV-Hop(跳段距離矢量)和Amorphous方案以跳段距離代替直線距離，Centroid(質(zhì)心)和APIT(近似多邊形內(nèi)點)方案則將多邊形質(zhì)心和內(nèi)點作為節(jié)點真實位置，來進行定位；這幾種方案成本低開銷小，相應精度也不高。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述算法中存在的問題，本發(fā)明提出一種新的定位方案，構建協(xié)作的節(jié)點組，并以此為基本通信單位，通過測算到達時間差或接收信號強度，進行基于節(jié)點組的協(xié)作到達角估計定位。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種對傳感器節(jié)點精確定位的方法，包括步驟(1)在傳感器網(wǎng)絡中，將滿足以下條件的多個傳感器節(jié)點構建為一個協(xié)作節(jié)點組，即所述節(jié)點組中任意一個傳感器節(jié)點到信標節(jié)點或另一節(jié)點組中任意傳感器節(jié)點的距離L與節(jié)點組內(nèi)任意兩個傳感器節(jié)點的距離l的比值L/l大于某一聚集度參量lc；(2)得出所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心，作為便于計算的位置；(3)測量發(fā)送端對于所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心的信號到達角，并且得到各個傳感器節(jié)點與所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心之間的坐標關系；(4)對所述協(xié)作節(jié)點組的實際位置進行定位，從而得到傳感器節(jié)點的精確位置。
優(yōu)選地，所述協(xié)作節(jié)點組以其所擁有的傳感器的軟硬件資源作為可用資源。
優(yōu)選地，所述信號到達角是指信號到達所述質(zhì)心的方向與正北的夾角。
優(yōu)選地，步驟(3)中測量發(fā)送端對于所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心的信號到達角的步驟包括通過測量信號到達所述協(xié)作節(jié)點組中的各個傳感器節(jié)點的時間差或者信號強度差，測量出信號到達角。
優(yōu)選地，步驟(2)中得出質(zhì)心的步驟還包括在由兩個傳感器節(jié)點構成協(xié)作節(jié)點組時，以兩個傳感器連線中心的位置作為質(zhì)心位置，以兩傳感器連線的中垂線為方位。
優(yōu)選地，步驟(2)中得出質(zhì)心的步驟還包括在由三個傳感器節(jié)點構成協(xié)作節(jié)點組時，以由三個傳感器確定的圓的圓心作為質(zhì)心位置，由質(zhì)心指向其中一個節(jié)點的方向作為方位。
優(yōu)選地，步驟(2)中得出質(zhì)心的步驟還包括在由四個傳感器節(jié)點構成協(xié)作節(jié)點組時，以由四個傳感器確定的四邊形的對角線交點作為質(zhì)心位置，由質(zhì)心指向其中一個節(jié)點的方向作為方位。
優(yōu)選地，步驟(3)還包括步驟采用TDoA方法或者信號傳播的理論模型方法，推測所述協(xié)作節(jié)點組中各個傳感器節(jié)點與信號發(fā)送端的距離；對由發(fā)送節(jié)點組中的多個節(jié)點發(fā)出的多路信號，估測出距離后求平均作為結果；基于此構建由節(jié)點組中各傳感器節(jié)點、超級節(jié)點質(zhì)心和信號發(fā)送端共同組成的歐幾里德空間，得到發(fā)送端關于超級節(jié)點質(zhì)心的信號本地到達角，以及各傳感器與超級節(jié)點質(zhì)心之間的坐標關系。
優(yōu)選地，步驟(4)中采用三角測量法來執(zhí)行對所述協(xié)作節(jié)點組的實際位置的定位。
優(yōu)選地，步驟(4)還包括步驟構造一個包含兩個信標節(jié)點和若干相鄰協(xié)作節(jié)點組的多邊形，其中除信標節(jié)點之間的距離外，傳感器節(jié)點之間的距離相同，在知道兩個信標節(jié)點位置、方位的情況下，求解各個協(xié)作節(jié)點組的位置信息。
根據(jù)本發(fā)明的基本構思，在定位開始前，根據(jù)傳感器節(jié)點的分布聚集狀況，構建協(xié)作的傳感器節(jié)點組，亦即超級節(jié)點。該超級節(jié)點以節(jié)點組中的所有軟硬件資源作為可用資源，以節(jié)點組內(nèi)便于計算的某個位置為其質(zhì)心，以信號到達該質(zhì)心的方向與正北的夾角為信號的到達角。通過測量信號到達超級節(jié)點中各個傳感器節(jié)點的時間差或者信號強度差，可以估計出信號的到達角。
仿真結果證明根據(jù)此方式得到的到達角估計精度是可接受的。據(jù)此協(xié)作節(jié)點組到達角估計方法，進一步提出了與之相適應的兩種定位方案一種是傳統(tǒng)到達角估計定位方案在協(xié)作方式下的衍生版本，一種是改進的DV-Hop(mDV-Hop)方案。
在本發(fā)明中，利用聚集的多個傳感器節(jié)點構成協(xié)作節(jié)點組(超級節(jié)點)的收發(fā)陣列，進行超級節(jié)點的虛擬到達角估計，該方法有效地拓展了基于到達角估計的定位方案的應用范圍。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的協(xié)作到達角估計定位方案的系統(tǒng)模型；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的包含兩傳感器的超級節(jié)點A的本地到達角估計方法；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的超級節(jié)點的全局到達角推算方法；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的兩傳感器、三傳感器、四傳感器節(jié)點的質(zhì)心位置、方位的定義以及相應的信號到達角求法；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的到達角估計誤差分布情況。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的兩傳感器超級節(jié)點的到達角估計誤差分布情況及與兩傳感器間距離的關系；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的m-DV-Hop定位方法。
具體實施例方式
在本發(fā)明中，假設傳感器網(wǎng)絡有N個節(jié)點，以一定的聚集度分布。其中信標節(jié)點知道自身方位且具有感測信號到達角的能力。
網(wǎng)絡根據(jù)傳感器節(jié)點的分布、聚集狀況，建立以包含若干傳感器的節(jié)點組為基本單位的拓撲結構。其中，聚集在一起的若干傳感器節(jié)點被劃分到同一節(jié)點組中，稱這樣的節(jié)點組為超級節(jié)點。劃分依據(jù)為Sk={nki}k=1,2,...M;nki∈{n1,n2,...,nN}]]>s.t.
Si∩Sj＝，i≠jmin(Lij/li，Lij/lj)≥lc(1)其中Lij＝min[d(ni，nj)] ni∈Si，nj∈Sj，i≠jlk=max[d(nki,nkj)]nki,nkj∈Sk---(2)]]>參數(shù)介紹如下Sk協(xié)作節(jié)點組k，協(xié)作定位網(wǎng)絡中的第k個超級節(jié)點nki傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點，協(xié)作節(jié)點組k中的第i個節(jié)點M構建的超級節(jié)點的數(shù)目
N網(wǎng)絡中傳感器的數(shù)目Lij協(xié)作節(jié)點組i和j的最小距離lk協(xié)作節(jié)點組k中任意兩節(jié)點的最大距離lc網(wǎng)絡聚集度參量其中l(wèi)c的值取決于網(wǎng)絡中傳感器的聚集度，影響協(xié)作到達角估計的應用，lc的值越大，網(wǎng)絡中傳感器的聚集度越高，協(xié)作到達角估計方式越有意義。
已構建的超級節(jié)點，其物理參數(shù)包括可用資源、質(zhì)心位置、方位(orientation)，可相應地由節(jié)點組導出。節(jié)點組中的所有傳感器的軟硬件資源即為超級節(jié)點的可用資源。對于超級節(jié)點的質(zhì)心位置和方位，原則上應選定為節(jié)點組中便于計算的位置和方位。為便于說明，在本實現(xiàn)中做如下規(guī)定1.對于兩傳感器節(jié)點組情形，以兩傳感器連線中心或其它便于計算的位置，作為質(zhì)心位置，以兩傳感器連線的中垂線為方位；2.對于三傳感器節(jié)點組情形，以由三傳感器確定的圓的圓心或其它便于計算的位置，作為質(zhì)心位置，由質(zhì)心指向其中一個節(jié)點的方向作為方位；3.對于四傳感器節(jié)點組情形，以由四傳感器確定的四邊形的對角線交點或其它便于計算的位置，作為質(zhì)心位置，由質(zhì)心指向其中一個節(jié)點的方向作為方位；4.對于其它情形，以節(jié)點組中便于計算的位置和方向，作為質(zhì)心位置和方位。
然后，對超級節(jié)點的到達角做如下定義信號關于超級節(jié)點質(zhì)心的到達方向，與超級節(jié)點方位的夾角為信號的本地到達角，與正北的夾角為信號的到達角。
在此基礎上，對超級節(jié)點上的信號到達角進行估計。采用TDoA方法、信號傳播的理論模型方法或者其它方法來推測節(jié)點組中各傳感器與信號發(fā)送端的距離。對由發(fā)送節(jié)點組中的多個節(jié)點發(fā)出的多路信號，估測出距離后求平均作為結果?；诖藰嫿ㄓ晒?jié)點組中各傳感器節(jié)點、超級節(jié)點質(zhì)心和信號發(fā)送端共同組成的歐幾里德空間，得到發(fā)送端關于超級節(jié)點質(zhì)心的信號本地到達角，以及各傳感器與超級節(jié)點質(zhì)心之間的坐標關系。
接著，可以用三角測量法或多邊形法，完成超級節(jié)點的定位。分述如下1.三角測量法相當于把傳統(tǒng)到達角定位方案中的有信號到達角測量能力的傳感器節(jié)點替換成本發(fā)明中的有信號到達角測量能力的虛擬協(xié)作節(jié)點組，亦即超級節(jié)點，因而可以看作是傳統(tǒng)到達角定位方案在協(xié)作方式下的衍生版本。三角法一般同相對比較精確的TDoA測距方法相結合，因而具有較高精度。
2.多邊形法是特別為協(xié)作到達角估計而提出的，吸收了DV-Hop思想的一個定位方案，稱為mDV-Hop方案。具體實現(xiàn)如圖7，多邊形的每個內(nèi)角都可以由各節(jié)點的信號到達角導出，因而在知道兩個信標節(jié)點位置、方位的情況下，構造多邊形可以方便地求解各個超級節(jié)點的位置信息，這里假設除信標節(jié)點之間的距離外，節(jié)點之間的距離是相同的。多邊形法一般同信號強度測距法相結合，因而精度較差。具體地，f(d′；1，...，k)＝ddij=|ninj|=d′i=1,j=kdelse---(3)-1]]>其中i＝□nininj|=(xi-xj)2+(yi-yj)2]]>i＜j；i，j＝1，...，k (3)-2其中ni是多邊形的頂點，其坐標為(xi，yi)，且n1，nk為已知坐標的兩個信標節(jié)點；i是多邊形中以ni為頂點的內(nèi)角；dij是多邊形中以ni，nj為端點的邊長，其中除以兩信標節(jié)點為端點的邊長為d′外，其它邊長相等皆為d；
式f(d′；1，...，k)＝d為多邊形已知各內(nèi)角與已知邊長的關系式則由該式可解得惟一未知變量值d＝f(d′；1，...，k)，并可進一步得出各頂點坐標值。
最后，根據(jù)先前得出的超級節(jié)點各傳感器與超級節(jié)點質(zhì)心之間的坐標關系，推算出傳感器所在位置。
權利要求
1.一種對傳感器節(jié)點精確定位的方法，包括步驟(1)在傳感器網(wǎng)絡中，將滿足以下條件的多個傳感器節(jié)點構建為一個協(xié)作節(jié)點組，即所述節(jié)點組中任意一個傳感器節(jié)點到信標節(jié)點或另一節(jié)點組中任意傳感器節(jié)點的距離L與節(jié)點組內(nèi)任意兩個傳感器節(jié)點的距離l的比值L/l大于某一聚集度參量lc；(2)得出所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心，作為便于計算的位置；(3)測量發(fā)送端對于所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心的信號到達角，并且得到所述協(xié)作節(jié)點組中的各個傳感器節(jié)點與所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心之間的坐標關系；(4)對所述協(xié)作節(jié)點組的實際位置進行定位，從而得到傳感器節(jié)點的精確位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述協(xié)作節(jié)點組以其所擁有的傳感器的軟硬件資源作為可用資源。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述信號到達角是指信號到達所述質(zhì)心的方向與正北的夾角。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中步驟(3)中測量發(fā)送端對于所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心的信號到達角的步驟包括通過測量信號到達所述協(xié)作節(jié)點組中的各個傳感器節(jié)點的時間差或者信號強度差，測量出信號到達角。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(2)中得出質(zhì)心的步驟還包括在由兩個傳感器節(jié)點構成協(xié)作節(jié)點組時，以兩個傳感器連線中心的位置作為質(zhì)心位置，以兩傳感器連線的中垂線為方位。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(2)中得出質(zhì)心的步驟還包括在由三個傳感器節(jié)點構成協(xié)作節(jié)點組時，以由三個傳感器確定的圓的圓心作為質(zhì)心位置，由質(zhì)心指向其中一個節(jié)點的方向作為方位。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(2)中得出質(zhì)心的步驟還包括在由四個傳感器節(jié)點構成協(xié)作節(jié)點組時，以由四個傳感器確定的四邊形的對角線交點作為質(zhì)心位置，由質(zhì)心指向其中一個節(jié)點的方向作為方位。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(3)還包括步驟采用TDoA方法或者信號傳播的理論模型方法，推測所述協(xié)作節(jié)點組中各個傳感器節(jié)點與信號發(fā)送端的距離；對由發(fā)送節(jié)點組中的多個傳感器節(jié)點發(fā)出的多路信號，估測出距離后求平均作為結果；基于此構建由節(jié)點組中各傳感器節(jié)點、超級節(jié)點質(zhì)心和信號發(fā)送端共同組成的歐幾里德空間，得到發(fā)送端關于超級節(jié)點質(zhì)心的信號本地到達角，以及各傳感器與超級節(jié)點質(zhì)心之間的坐標關系。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(4)中采用三角測量法來執(zhí)行對所述協(xié)作節(jié)點組的實際位置的定位。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(4)還包括步驟構造一個包含兩個信標節(jié)點和若干相鄰協(xié)作節(jié)點組的多邊形，其中除信標節(jié)點之間的距離外，傳感器節(jié)點之間的距離相同，在知道兩個信標節(jié)點位置、方位的情況下，求解各個協(xié)作節(jié)點組的位置信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對傳感器節(jié)點精確定位的方法，包括步驟在傳感器網(wǎng)絡中，將滿足以下條件的多個傳感器節(jié)點構建為一個協(xié)作節(jié)點組，即所述節(jié)點組中任意一個傳感器節(jié)點到信標節(jié)點或另一節(jié)點組中任意傳感器節(jié)點的距離L與節(jié)點組內(nèi)任意兩個傳感器節(jié)點的距離l的比值L/l大于某一聚集度參量lc；得出所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心，作為便于計算的位置；測量發(fā)送端對于所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心的信號到達角，并且得到各個傳感器節(jié)點與所述協(xié)作節(jié)點組的質(zhì)心之間的坐標關系；對所述協(xié)作節(jié)點組的實際位置進行定位，從而得到傳感器節(jié)點的精確位置。
文檔編號G01S5/02GK1862286SQ200610087258
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月15日 優(yōu)先權日2006年6月15日
發(fā)明者田輝, 張平, 謝懷遙, 陶小峰 申請人:北京郵電大學