本發(fā)明涉及一種基于共線度的協(xié)作定位節(jié)點(diǎn)選擇方法。

背景技術(shù)：

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的帶來，基于位置的服務(wù)對(duì)定位提出了很高的要求，隨時(shí)隨地獲取高定的位置信息成為了許多應(yīng)用的前提。但是目前廣泛使用的GPS系統(tǒng)或者無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位都難以滿足用于的定位需求，于是出現(xiàn)了協(xié)作定位技術(shù)。協(xié)作定位技術(shù)是指待定位節(jié)點(diǎn)間通過相互協(xié)作來實(shí)現(xiàn)定位，包括協(xié)作節(jié)點(diǎn)間建立通信鏈路用于共享定位信息，通過測(cè)距系統(tǒng)來測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。協(xié)作定位具有其他定位系統(tǒng)不具備的有點(diǎn)，比如錨節(jié)點(diǎn)密度要求低、定位范圍更廣、定位精度更高等。但是節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作也帶來了一些問題，比如定位網(wǎng)絡(luò)的平均連接數(shù)過高，從而導(dǎo)致信道擁塞和定位延時(shí)。通常協(xié)同定位的平均連接數(shù)是非協(xié)同定位的10倍以上，在實(shí)際定位中若帶定位節(jié)點(diǎn)使用全部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置估計(jì)，將耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，實(shí)時(shí)性難以得到保證，且輔助節(jié)點(diǎn)中誤差較大的節(jié)點(diǎn)會(huì)影響定位精度。因此在進(jìn)行合作定位過程中，合適的協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇算法既能縮短定位時(shí)間，又能提高定位精度。

目前常用的鄰節(jié)點(diǎn)選擇算法包括根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度[1]或者距離遠(yuǎn)近[2]來進(jìn)行選擇，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的選擇算法和根據(jù)距離的選擇算法類似，其依據(jù)距離越遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差增加，但是這種節(jié)點(diǎn)選擇策略僅適合用于傳統(tǒng)的定位方法，在協(xié)作定位中若鄰居節(jié)點(diǎn)為其他移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，該選擇策略缺少對(duì)移動(dòng)接節(jié)點(diǎn)可靠性的衡量。也有基于克拉美羅界的方法來選擇鄰接點(diǎn)子集[3]，這種方法是在全空間內(nèi)搜索所有不同組合來尋找某一組合使得待定位節(jié)點(diǎn)的克拉美羅界最小，這種選擇方法由于涉及復(fù)雜的計(jì)算，對(duì)于計(jì)算能力受限的分布式節(jié)點(diǎn)來說并不適用。也有根據(jù)信道損耗指數(shù)來選擇鄰節(jié)點(diǎn)的方法[4]，該方法可以卻掉測(cè)距誤差較大的節(jié)點(diǎn)，但是無法衡量節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浞植紝?duì)節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)的影響。在已有的考慮拓?fù)浞植嫉倪x擇方法中，最常用的是通過位置精度因子PDOP(Position Dilution of Precision)[5]來選擇鄰節(jié)點(diǎn)組合，PDOP值越小表示鄰接點(diǎn)集合的拓?fù)浞植荚胶?，也就意味著更高的定位精度?/p>

PDOP的計(jì)算方法如下:

H＝[l₁,l₂,…,l_n]^T

其中H是測(cè)量矩陣，n表示所選擇的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，l_i表示待定位節(jié)點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)向量，最優(yōu)算法是通過搜索所有的組合，計(jì)算每種組合的PDOP值，選擇最小的PDOP值對(duì)應(yīng)的組合作為最終的協(xié)作子集。因此這是一種時(shí)間消耗和計(jì)算量都非常大的算法。

[1]Moragrega,Ana；Closas,Pau；Ibars,Christian,Potential Game for Energy-Efficient RSS-Based Positioning in Wireless Sensor Networks,IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS,(2015)1394-1406

[2]K.C.V.Tam,K.Lui,Using micro-genetic algorithms to improve localization in wireless sensor networks,JOURNAL OF COMMUNICATIONS,(2006)1-10.

[3]K.Das,H.Wymeersch,Censoring for bayesian cooperative positioning in dense wireless networks,IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS(2012)1835-1842

[4]G.S.-G.Albert Bel 1,Jose Lopez Vicario 2,Real-time path loss and node selection for cooperative localization in wireless sensor networks,IEEE International Symposium on Personal(2010)283{288doi:10.1109/PIMRCW.2010.5670380

[5]Park C W.Precise relative navigation using augmented CDGPS[D].Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology，2001.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有鄰節(jié)點(diǎn)選擇算法的不足，提供一種協(xié)作定位節(jié)點(diǎn)選擇方法。本發(fā)明結(jié)合鄰節(jié)點(diǎn)的位置的可靠性和節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)浞植?，?duì)PDOP算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，優(yōu)化后的算法不但可以適用于協(xié)作定位，而且避免了在全空間內(nèi)搜索所有組合，使待定位節(jié)點(diǎn)快速選擇出合適的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種基于共線度的協(xié)作定位節(jié)點(diǎn)選擇方法，設(shè)待定位節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)集合為S，i，j為集合S中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，i，j為集合S中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，θ_ij為節(jié)點(diǎn)i，j與待定位節(jié)點(diǎn)的連線所構(gòu)成的夾角，包括如下的步驟：

第一步：估計(jì)出該待定位節(jié)點(diǎn)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)i的位置估計(jì)的方差σ_i。

第二步：計(jì)算節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間的費(fèi)用值J_ij＝cos2θ_ij,并將于其他所有可視節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用相加作為該帶定位節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的總費(fèi)用：

第三步：計(jì)算該待定位節(jié)點(diǎn)最終的費(fèi)用值：

第四步：從鄰節(jié)點(diǎn)集S中刪除費(fèi)用值最大的節(jié)點(diǎn)。

第五步：重復(fù)第二、三、四步直到剩下指定數(shù)目的節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明由于采取了以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.該算法通過計(jì)算每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的總費(fèi)用來逐個(gè)剔除不合適的節(jié)點(diǎn)，避免了全空間搜索的計(jì)算量大的問題。

2.該算法同時(shí)衡量了鄰節(jié)點(diǎn)位置的可靠性，將鄰節(jié)點(diǎn)的位置的方差作為權(quán)值來計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用值。位置方差越大，該節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用值越大。

3.該方法能夠有效提出剔除相互之間夾角很小的節(jié)點(diǎn)，使剩余的節(jié)點(diǎn)組合具有很好的幾何分布。如圖2所示,夾角越大的節(jié)點(diǎn)組合具有更大的價(jià)值量。該方法計(jì)算迅速，選擇的節(jié)點(diǎn)組合雖然不是最有解集，但是在算法復(fù)雜度和定位精度兩者之間實(shí)現(xiàn)了較好的平衡。

附圖說明

圖1協(xié)作定位場(chǎng)景圖，圖中待定位節(jié)點(diǎn)從周圍5個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)中選擇指定數(shù)目的節(jié)點(diǎn)，θ₁₂表示鄰節(jié)點(diǎn)間的夾角。

圖2節(jié)點(diǎn)價(jià)值量隨角度的變化曲線

圖3不同算法在選擇的節(jié)點(diǎn)組合的PDOP值隨著時(shí)間變化趨勢(shì)

具體實(shí)施方式

設(shè)待定位節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)集合為S，i，j為集合S中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，θ_ij為節(jié)點(diǎn)i，j與待定位節(jié)點(diǎn)的連線所構(gòu)成的夾角，如圖1所示。選擇算法的執(zhí)行過程如下：

第一步：節(jié)點(diǎn)i首先估計(jì)出該節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)的方差σ_i。

第二步：節(jié)點(diǎn)i計(jì)算與j節(jié)點(diǎn)間的費(fèi)用值J_ij＝cos2θ_ij,并將于其他所有可視節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用相加作為該節(jié)點(diǎn)的總費(fèi)用：

第三步：將第一步求出的i節(jié)點(diǎn)估計(jì)位置的方差與該節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)總費(fèi)用相乘作為最終的費(fèi)用值：

第四步：從鄰節(jié)點(diǎn)集S中刪除費(fèi)用值最大的節(jié)點(diǎn)。

第五步：重復(fù)第二、三、四步直到剩下指定數(shù)目的節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明的算法，實(shí)現(xiàn)的效果和采用PDOP方法獲得的效果具有幾乎相同的效果，但是卻節(jié)約大量的搜索時(shí)間和計(jì)算量。節(jié)點(diǎn)集合PDOP作為衡量協(xié)作節(jié)點(diǎn)集合的標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)算法的PDOP僅次于最優(yōu)算法，最遠(yuǎn)、最近算法的PDOP值接近，隨機(jī)算法(從所有鄰居節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作)變化比較大。

結(jié)合圖3和表1，最優(yōu)算法雖然在PDOP、定位誤差上均取得最好的結(jié)果。但是計(jì)算時(shí)間也非常長(zhǎng)，超過其他算法2個(gè)數(shù)量級(jí)，改進(jìn)算法在PDOP與定位誤差上僅次于最優(yōu)算法。剩下的三種算法雖然耗時(shí)比較少，但是從性能得不到保證(圖3)。

表1采用不同選擇算法的定位耗時(shí)