基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，包括：步驟1，部署傳感器節(jié)點(diǎn)，獲取所有未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)和到達(dá)角偏角值的初始估計(jì)，所有傳感器節(jié)點(diǎn)開啟定時(shí)器，傳感器節(jié)點(diǎn)包括錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)；步驟2，所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行首次通信，獲取所有錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際偏角值和實(shí)際坐標(biāo)值，計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)間的歸一化向量和偏角差值；步驟3，利用歸一化向量和傳感器節(jié)點(diǎn)間的偏角差值，運(yùn)行迭代定位算法，直至到達(dá)定位器中設(shè)定的執(zhí)行時(shí)間，迭代定位算法結(jié)束后向匯聚節(jié)點(diǎn)輸出計(jì)算得到的偏角估計(jì)值和坐標(biāo)估計(jì)值，完成定位。本發(fā)明的有益效果在于，定位算法的收斂快，迭代次數(shù)較小的情況下坐標(biāo)估計(jì)誤差就能達(dá)到接近零。
【專利說明】基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，位置信息在解析傳感器數(shù)據(jù)，改善路由性能以 及目標(biāo)跟蹤等功能上起到關(guān)鍵作用。然而，受成本、功耗等問題的制約，網(wǎng)絡(luò)中只有少數(shù)節(jié) 點(diǎn)能配置如GPS接收器等定位裝置。因此，研究低成本、高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法具有重 大的意義。
[0003] 現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法大致可分為兩類，分別是集中式定位算法和分布式定 位算法。集中式定位算法，一般要求特定節(jié)點(diǎn)能通過測(cè)量或網(wǎng)絡(luò)通信獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn) 信息，執(zhí)行效率和運(yùn)行成本較高。另一方面，使用分布式定位算法，節(jié)點(diǎn)只需與鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行測(cè)量和通信，就能通過一定的計(jì)算方法得出自己坐標(biāo)的估計(jì)值，并能保證較高的準(zhǔn)確率。 因此，分布式定位算法能夠大幅減少網(wǎng)絡(luò)資源占用，充分使用本地計(jì)算資源，所以一直是無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。
[0004] 在現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式定位算法中，除去少數(shù)精度較低的、無需傳感器 測(cè)量數(shù)據(jù)的定位算法，大部分都是使用測(cè)距信息進(jìn)行定位。由于傳感器成本較高等原因，相 對(duì)于測(cè)距定位，使用到達(dá)角測(cè)量數(shù)據(jù)的分布式定位算法非常稀少。然而，使用聲學(xué)傳感器測(cè) 量到達(dá)角等技術(shù)的出現(xiàn)，大幅降低了獲取到達(dá)角信息的成本，并將有力地推動(dòng)該類定位算 法的發(fā)展。因此，研究基于到達(dá)角信息的分布式定位算法，對(duì)填補(bǔ)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自定位領(lǐng) 域的空白和推動(dòng)自定位技術(shù)發(fā)展具有重大意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的空缺，本發(fā)明目的在于提供一種基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，能有效降低網(wǎng)絡(luò)的通信量，優(yōu)化計(jì)算資源的使用，而且收斂速 度較快，在無測(cè)量誤差的前提下能實(shí)現(xiàn)指數(shù)收斂。
[0006] -種基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，包括如下 步驟：
[0007] 步驟1，部署傳感器節(jié)點(diǎn)，獲取每一未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)值的初始估計(jì)和到達(dá)角的偏 角值的初始估計(jì)，所有傳感器節(jié)點(diǎn)開啟定時(shí)器，傳感器節(jié)點(diǎn)包括錨節(jié)點(diǎn)集合和未知節(jié)點(diǎn)集 合；
[0008] 步驟2,所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行首次通信，獲取所有錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際偏角值和實(shí)際坐標(biāo) 值，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)間連接邊的歸一化向量和節(jié)點(diǎn)間的偏角差值；
[0009] 步驟3,利用歸一化向量和傳感器節(jié)點(diǎn)間的偏角差值，各個(gè)未知節(jié)點(diǎn)運(yùn)行迭代定位 算法，直至到達(dá)定時(shí)器中設(shè)定的執(zhí)行時(shí)間，迭代定位算法結(jié)束后各個(gè)未知節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn) 輸出計(jì)算所得自身的偏角估計(jì)值和坐標(biāo)估計(jì)值，完成定位。
[0010] 步驟1中，每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)對(duì)自身的到達(dá)角測(cè)量傳感器的偏角值和位置坐標(biāo)值做初 始估計(jì)，其到達(dá)角測(cè)量傳感器偏角估計(jì)值、位置坐標(biāo)估計(jì)值都隨機(jī)生成。
[0011] 步驟1中，測(cè)量到達(dá)角的測(cè)量傳感器所采用的測(cè)量坐標(biāo)系經(jīng)過設(shè)置，使得測(cè)量坐 標(biāo)系與全局坐標(biāo)系間的未知偏角在0度至180度之間。
[0012] 通過將未知偏角設(shè)置在0度至180度，保證定位算法能實(shí)現(xiàn)指數(shù)收斂。
[0013] 步驟1中，錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于或等于2,且每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)至少跟另一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信 以及進(jìn)行到達(dá)角測(cè)量。
[0014] 在步驟2中，傳感器節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行無線通信的半徑與到達(dá)角測(cè)量傳感器的測(cè)量半徑 一致，傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信為雙向通信，且傳感器節(jié)點(diǎn)所形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D具有剛性性質(zhì)。
[0015] 各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過雙向通信向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身的全局位置坐標(biāo)值以及對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn) 的到達(dá)角，并從每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)獲取該鄰居節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)值以及該鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的 到達(dá)角；無線通信的半徑與到達(dá)角測(cè)量傳感器的測(cè)量半徑一致，使得節(jié)點(diǎn)能從鄰居節(jié)點(diǎn)獲 取數(shù)據(jù)包的同時(shí)測(cè)量鄰居節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D具有剛性性質(zhì)，以保證算法的收斂性。
[0016] 步驟2的具體步驟如下：
[0017] 步驟2-1，所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行首次無線通信，獲取各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)集 合，每一傳感器節(jié)點(diǎn)在本地坐標(biāo)系下測(cè)得鄰居節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角，錨節(jié)點(diǎn)額外獲取自身在全局 坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)；
[0018] 步驟2-2,每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)向各個(gè)鄰居錨節(jié)點(diǎn)傳輸自身的全局位置坐標(biāo)以及在本地坐 標(biāo)系下該鄰居錨節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角，并通過無線通信獲取各個(gè)鄰居錨節(jié)點(diǎn)的全局位置坐標(biāo)值以 及該鄰居錨節(jié)點(diǎn)的本地坐標(biāo)系下當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角，從而計(jì)算出當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角測(cè) 量傳感器的偏角值，并將偏角值和全局坐標(biāo)傳輸給所有鄰居節(jié)點(diǎn)。
[0019] 步驟2-3,對(duì)于每一未知節(jié)點(diǎn)，向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身所測(cè)得的鄰居節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角， 計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間連接邊的歸一化向量和節(jié)點(diǎn)間的偏角差值。
[0020] 注意到錨節(jié)點(diǎn)的全局坐標(biāo)可以通過GPS或人工測(cè)量獲得，但由于設(shè)備的方向擺放 的隨機(jī)性，其到達(dá)角測(cè)量傳感器的本地坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系仍存在未知偏角。
[0021] 鄰居錨節(jié)點(diǎn)表示鄰居節(jié)點(diǎn)中同時(shí)為錨節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)。在步驟2-1中，錨節(jié)點(diǎn) 通過自帶的GPS裝置或人工測(cè)量獲取自身在全局坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)值。
[0022] 步驟2-2中，當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i通過使用鄰居錨節(jié)點(diǎn)j的全局位置坐標(biāo)值，計(jì)算其到達(dá) 角測(cè)量傳感器的實(shí)際偏角值，計(jì)算公式如下：
[0023] Θ i = Z (Pj-Pi) - δ jj, i, j e A and j e N j
[0024] 其中，Pi為當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i的全局位置坐標(biāo)值，為鄰居錨節(jié)點(diǎn)j的全局位置坐標(biāo) 值，S u為當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i測(cè)得的鄰居錨節(jié)點(diǎn)j的到達(dá)角，A表示錨節(jié)點(diǎn)集合，隊(duì)表示當(dāng)前錨 節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)集合。
[0025] 其中任意傳感器節(jié)點(diǎn)的本地坐標(biāo)系是以當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系，全 局坐標(biāo)系是則是在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中選取原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系，所有傳感器節(jié)點(diǎn)共用該坐標(biāo) 系。本發(fā)明中的全局位置坐標(biāo)值即是指實(shí)際坐標(biāo)值。
[0026] 步驟2-2中，當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i的到達(dá)角測(cè)量傳感器的實(shí)際偏角值Θ i的計(jì)算公式如 下：
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，包 括如下步驟： 步驟1，部署傳感器節(jié)點(diǎn)，獲取每一未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)值的初始估計(jì)和到達(dá)角的偏角值 的初始估計(jì)，所有傳感器節(jié)點(diǎn)開啟定時(shí)器，傳感器節(jié)點(diǎn)包括錨節(jié)點(diǎn)集合和未知節(jié)點(diǎn)集合； 步驟2,所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行首次通信，獲取所有錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際偏角值和實(shí)際坐標(biāo)值， 計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)間連接邊的歸一化向量和偏角差值； 步驟3,利用歸一化向量和傳感器節(jié)點(diǎn)間的偏角差值，各個(gè)未知節(jié)點(diǎn)運(yùn)行迭代定位算 法，直至到達(dá)定時(shí)器中設(shè)定的執(zhí)行時(shí)間，迭代定位算法結(jié)束后各個(gè)未知節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)輸 出計(jì)算所得自身的偏角估計(jì)值和坐標(biāo)估計(jì)值，完成定位。
2. 如權(quán)利要求1所述基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其 特征在于，步驟1中，測(cè)量到達(dá)角的測(cè)量傳感器所采用的測(cè)量坐標(biāo)系經(jīng)過設(shè)置，使得測(cè)量坐 標(biāo)系與全局坐標(biāo)系間的未知偏角在0度至180度之間。
3. 如權(quán)利要求1所述基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其 特征在于，步驟1中，錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于或等于2,且每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)至少跟另一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通 信以及進(jìn)行到達(dá)角測(cè)量。
4. 如權(quán)利要求1所述基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其 特征在于，在步驟2中，傳感器節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行無線通信的半徑與到達(dá)角測(cè)量傳感器的測(cè)量半 徑一致，傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信為雙向通信，且傳感器節(jié)點(diǎn)所形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D具有剛性性 質(zhì)。
5. 如權(quán)利要求1所述基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其 特征在于，步驟2的具體步驟如下： 步驟2-1，所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行首次無線通信，獲取各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)列表， 每一傳感器節(jié)點(diǎn)在本地坐標(biāo)系下測(cè)得鄰居節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角，錨節(jié)點(diǎn)額外獲取自身在全局坐標(biāo) 系下的全局位置坐標(biāo)值； 步驟2-2,每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)向各個(gè)鄰居錨節(jié)點(diǎn)傳輸自身的全局位置坐標(biāo)以及在本地坐標(biāo)系 下該鄰居錨節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角，并通過無線通信獲取各個(gè)鄰居錨節(jié)點(diǎn)的全局位置坐標(biāo)值以及該 鄰居錨節(jié)點(diǎn)的本地坐標(biāo)系下當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角，從而計(jì)算出當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)到達(dá)角測(cè)量傳感 器的偏角值，并將偏角值和全局位置坐標(biāo)值傳輸給所有鄰居節(jié)點(diǎn)； 步驟2-3,對(duì)于每一未知節(jié)點(diǎn)，向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身所測(cè)得的鄰居節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角，計(jì)算 未知節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間連接邊的歸一化向量和節(jié)點(diǎn)間的偏角差值。
6. 如權(quán)利要求5所述基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其 特征在于，步驟2-2中，當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i通過使用鄰居錨節(jié)點(diǎn)j的全局位置坐標(biāo)值，計(jì)算其到 達(dá)角測(cè)量傳感器的實(shí)際偏角值，計(jì)算公式如下： Θ i = Z (Pj-Pi) - δ Jj, i, j e A and j e N j 其中，Pi為當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i的全局位置坐標(biāo)值，Pj為鄰居錨節(jié)點(diǎn)j的全局位置坐標(biāo)值，S u 為當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i測(cè)得的鄰居錨節(jié)點(diǎn)j的到達(dá)角，A表示錨節(jié)點(diǎn)集合，隊(duì)表示當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i的 鄰居節(jié)點(diǎn)集合。
7. 如權(quán)利要求5所述基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其 特征在于，步驟2-2中，當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i的到達(dá)角測(cè)量傳感器的實(shí)際偏角值Θ i的計(jì)算公式如 下：
其中，Pi為當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i的全局位置坐標(biāo)值，Pj為鄰居錨節(jié)點(diǎn)j的全局位置坐標(biāo)值，s ij 為當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i測(cè)得的鄰居錨節(jié)點(diǎn)j的到達(dá)角，A表示錨節(jié)點(diǎn)集合，隊(duì)表示當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i的 鄰居節(jié)點(diǎn)集合，|Ni n AI表示當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i的鄰居錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。
8. 如權(quán)利要求6或7所述基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方 法，其特征在于，步驟2-3中，當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)i與鄰居節(jié)點(diǎn)j之間連接邊的歸一化向量及偏 角差值θ u的計(jì)算公式如下： e。· = [cos ( δsin ( δ。.）]T，i e F and j e N ^ Θ jj = PV ( δ jj- δ Ji), i e F and j e N j 其中F為未知節(jié)點(diǎn)集合，對(duì)于任意角Θ，PV( Θ )定義為PV( Θ ) = [ ( Θ + ji ) mod2 π ] - ji 0
9. 如權(quán)利要求8所述基于對(duì)稱到達(dá)角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其 特征在于，步驟3的具體步驟如下： 步驟3-1，每一未知節(jié)點(diǎn)i通過無線通信向所有鄰居節(jié)點(diǎn)j e Ni傳輸自身的位置估計(jì) 值兵(X)和偏角估計(jì)值，并從任意鄰居節(jié)點(diǎn)j e \都獲取其位置估計(jì)值&(幻:和偏 角估計(jì)值&(々），并結(jié)合在步驟2中已收到的連接邊的歸一化向量eij以及偏角差值，通 過下式得到第k+Ι次迭代中自身的偏角估計(jì)值：
i&F 上式中，若鄰居節(jié)點(diǎn)j e A，則其偏角估計(jì)值恒等于步驟2-2中計(jì)算所得的實(shí)際偏角值， 用公式表不為4 (々）Ξ $ ; 步驟3-2,對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)i，通過所得的連接邊歸一化向量以及自身的偏角估計(jì)值，計(jì) 算如下矩陣：
其中，k表示第k次迭代，為在第k次迭代中當(dāng)前未知節(jié)點(diǎn)i對(duì)自身的偏角估計(jì) 值，7?($.(々)）表示旋轉(zhuǎn)矩陣，對(duì)于任意角Θ，定義為：R( Θ ) = [cos( Θ )-sin( Θ ) ;sin( Θ ) cos ( Θ)]; 進(jìn)一步，得到第k+1次迭代中自身的坐標(biāo)估計(jì)值：
上式中，若鄰居節(jié)點(diǎn)j e A，則其坐標(biāo)估計(jì)值恒等于步驟2-2中所獲取的實(shí)際坐標(biāo)值，用 公式表示為#/(幻三戶|;其中(幻為當(dāng)前未知節(jié)點(diǎn)i對(duì)自身的坐標(biāo)估計(jì)值逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 九十度，/〕/(々）為鄰居節(jié)點(diǎn)j對(duì)自身的坐標(biāo)估計(jì)值逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)九十度； 步驟3-3,對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)i，如該未知節(jié)點(diǎn)i的定時(shí)器未到達(dá)，則重復(fù)步驟3-1至3-2,直 至定時(shí)器達(dá)到執(zhí)行時(shí)間，并在結(jié)束定位算法時(shí)向匯聚節(jié)點(diǎn)輸出當(dāng)前的偏角估計(jì)值和 坐標(biāo)估計(jì)值/〕,(々）,完成定位。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK104066176SQ201410299500
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】林志赟, 鐘鉅斌, 顏鋼鋒 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)