一種以到信標(biāo)點(diǎn)估算距離為搜尋準(zhǔn)則的DV-Hop定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種以到信標(biāo)點(diǎn)估算距離為搜尋 準(zhǔn)則的DV-H〇p定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks,WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它由 部署在觀測(cè)環(huán)境附近的大量微型廉價(jià)低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一 個(gè)多跳的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中被感 知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究領(lǐng)域 是定位技術(shù)。
[0003] 無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要的定位方案分為測(cè)距方案和非測(cè)距方案。測(cè)距的方案需 要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離、角度或信號(hào)強(qiáng)度信息，例如基于信號(hào)傳輸時(shí)間的方法（timeof arrival,T0A)、基于信號(hào)傳輸時(shí)間差的方法（timedifferenceofarrival,TD0A)、基于信 號(hào)角度的方法（angleofarrival,A0A)和基于信號(hào)接收強(qiáng)度的方法（receivedsignal strengthindicator,RSSI)。非測(cè)距方案則無需測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離、角度和信號(hào)強(qiáng)度信息， 例如質(zhì)心算法（CentroidAlgorithm)、APIT(ApproximatePoint-InTtriangulation)算 法和DV-Hop(DistanceVector-Hop)算法。與非測(cè)距方案相比，測(cè)距方案的優(yōu)勢(shì)是未知節(jié) 點(diǎn)的定位精度高，但測(cè)距方案也有兩個(gè)主要的劣勢(shì)。一是它對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件配置要求較高，成 本開銷比較大。二是在某些場(chǎng)合，比如一個(gè)規(guī)模較大且信標(biāo)點(diǎn)稀疏的網(wǎng)絡(luò)中，未知節(jié)點(diǎn)無法 與足夠多的信標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)距，測(cè)距方法無法完成定位，在這種信標(biāo)點(diǎn)稀疏的情況下，非 測(cè)距方案中的DV-Hop算法是一種較好的解決方案。
[0004] DV-Hop算法是一種基于距離矢量路由的非測(cè)距定位算法。該算法中，未知節(jié)點(diǎn)利 用距離矢量路由測(cè)得與信標(biāo)點(diǎn)間的最小跳數(shù)，求得該信標(biāo)點(diǎn)的平均每跳距離，未知節(jié)點(diǎn)通 過計(jì)算所得信標(biāo)點(diǎn)的平均每跳距離和到達(dá)該信標(biāo)點(diǎn)的最小跳數(shù)的乘積，利用三邊測(cè)量法或 最小二乘法來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。
[0005] DV-Hop算法的流程可以分為以下三個(gè)階段：
[0006] 第一階段：獲取信標(biāo)點(diǎn)的位置信息以及距離信標(biāo)點(diǎn)的最小跳數(shù)
[0007] 每個(gè)信標(biāo)點(diǎn)向全網(wǎng)發(fā)送包括位置信息和跳數(shù)信息的廣播數(shù)據(jù)包，跳數(shù)字段的初始 值為〇。在一個(gè)信標(biāo)點(diǎn)的通信半徑內(nèi)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到該信標(biāo)點(diǎn)的廣播數(shù)據(jù)包時(shí)，此節(jié)點(diǎn)將數(shù) 據(jù)包中的跳數(shù)加1，然后記錄該數(shù)據(jù)包中的信息，將該數(shù)據(jù)包繼續(xù)廣播出去。如節(jié)點(diǎn)收到多 個(gè)來自同一信標(biāo)點(diǎn)的信息，該節(jié)點(diǎn)只保留跳數(shù)最小的信息組，通過這種方法記錄自己到每 個(gè)信標(biāo)點(diǎn)的最小跳數(shù)以及信標(biāo)點(diǎn)的位置信息。
[0008] 第二階段：估算未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)點(diǎn)的距離
[0009] 根據(jù)兩個(gè)信標(biāo)點(diǎn)間的歐氏距離和最小跳數(shù)，計(jì)算信標(biāo)點(diǎn)的平均每跳距離。每個(gè)信 標(biāo)點(diǎn)將計(jì)算得到的平均每跳距離廣播到全網(wǎng)。每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)收到各信標(biāo)點(diǎn)的平均每跳距離 后，通過平均每跳距離和第一階段得到的到各信標(biāo)點(diǎn)的最小跳數(shù)的乘積來計(jì)算與各信標(biāo)點(diǎn) 的近似距離。
[0010] 第三階段：未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算位置坐標(biāo)
[0011] 未知節(jié)點(diǎn)得到與三個(gè)以上不同信標(biāo)點(diǎn)的距離后，通過最小二乘法來計(jì)算自己的位 置坐標(biāo)。假設(shè)信標(biāo)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為n，未知節(jié)點(diǎn)首先列出其與n個(gè)信標(biāo)點(diǎn)之間的距離方程，然后 以距離方程的第n個(gè)等式作為參考，其余（n-1)個(gè)方程減去第n個(gè)方程得到的方程組用矩 陣形式可表示為AnXn=Bn。根據(jù)最小二乘法，利用公式Xn= (AnTAn) \%"可以計(jì)算得到未 知節(jié)點(diǎn)的位置信息。
[0012] DV-Hop算法的缺點(diǎn)是定位精度較低。針對(duì)DV-Hop算法定位精度低的問題，一些 相關(guān)的改進(jìn)方法已經(jīng)被提出，這些方法的思路大多是改進(jìn)DV-Hop定位算法的第二階段，即 改進(jìn)未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)點(diǎn)的平均每跳距離。這些方法在一定程度上提高了未知節(jié)點(diǎn)的定位精 度，然而我們發(fā)現(xiàn)在DV-Hop算法的第三階段中，未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)點(diǎn)的距離是估算距離，因 此公式AnXn=B"并不是一個(gè)嚴(yán)格的等式，而是一個(gè)約等式，即AnXn~Bn。所以利用最小二 乘法來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)時(shí)就會(huì)存在較大的誤差。
[0013] 因此，需要一種新的方法來解決DV-Hop的未知節(jié)點(diǎn)定位問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)【背景技術(shù)】的缺陷，提供一種以到信標(biāo)點(diǎn)估算距 離為搜尋準(zhǔn)則的DV-Hop定位方法，以改善未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)點(diǎn)的估算距離對(duì)傳統(tǒng)DV-Hop定 位方法第三階段造成的計(jì)算誤差，提高未知節(jié)點(diǎn)的定位精度。
[0015] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0016] 本發(fā)明一種以到信標(biāo)點(diǎn)估算距離為搜尋準(zhǔn)則的DV-Hop定位方法包括：S1、獲取信 標(biāo)點(diǎn)的位置信息以及距離信標(biāo)點(diǎn)的最小跳數(shù)；S2、估算未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)點(diǎn)的距離；S3、未知 節(jié)點(diǎn)采用網(wǎng)格搜索方法計(jì)算位置坐標(biāo)，其中：S31、劃定無線傳感網(wǎng)的區(qū)間范圍；S32、將無 線傳感器網(wǎng)的區(qū)間范圍劃分為一系列的網(wǎng)格；S33、依次計(jì)算各信標(biāo)點(diǎn)到各網(wǎng)格的距離值； S34、將未知節(jié)點(diǎn)與各網(wǎng)格到信標(biāo)點(diǎn)的距離值作差求和得到誤差目標(biāo)值；S35、篩選找到最小 的誤差目標(biāo)值，確定未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟S31可以包括：劃定無線傳感網(wǎng)的橫向區(qū)間范圍為[0， Borderlength]，縱向區(qū)間范圍為[0，Borderlength]。其中，Borderlength為節(jié)點(diǎn)所在正方 形區(qū)域的邊長。
[0018] 進(jìn)一步地，所述步驟S32可以包括：將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橫向區(qū)間和縱向區(qū)間分 別劃分為M等份，使整個(gè)邊長為Borderlength的正方形區(qū)域等分為MXM個(gè)小正方形網(wǎng)格。
[0019] 進(jìn)一步地，所述步驟S33可以包括：假設(shè)有m個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，n個(gè)信標(biāo)點(diǎn)，將各正方形 網(wǎng)格的中心點(diǎn)坐標(biāo)值作為該正方形網(wǎng)格的坐標(biāo)，未知節(jié)點(diǎn)j依次計(jì)算信標(biāo)點(diǎn)i到第k個(gè)正 方形網(wǎng)格的距離值5,;.,..。其中，i=l，2, ? ? ? ? ^MXM。
[0020] 進(jìn)一步地，所述步驟S34可以包括：未知節(jié)點(diǎn)j(j= 1，2，? ? ?，m)將它到各信標(biāo) 點(diǎn)的估算距離du和第k個(gè)正方形網(wǎng)格到各信標(biāo)點(diǎn)的距離^ ,作差求和，得到未知節(jié)點(diǎn)j到 第k個(gè)正方形網(wǎng)格的誤差目標(biāo)值。
[0021] 進(jìn)一步地，所述步驟S35可以包括：未知節(jié)點(diǎn)j通過比較它到各正方形網(wǎng)格的誤差 目標(biāo)值，找到其中最小的誤差目標(biāo)值及其對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)值，并將該橫縱坐標(biāo)值作為該未 知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。
[0022] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0023] 采用的一種以到信標(biāo)點(diǎn)估算距離為搜尋準(zhǔn)則的DV-Hop定位方法，從網(wǎng)格搜索的 思想出發(fā)，將無線傳感網(wǎng)區(qū)域劃分為一系列的網(wǎng)格，利用網(wǎng)格搜索逐一比較擇優(yōu)，找到該 區(qū)域內(nèi)最佳的網(wǎng)格中心點(diǎn)作為待求的未知節(jié)點(diǎn)，改善未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)點(diǎn)的估算距離對(duì)傳統(tǒng) DV-Hop定位方法第三階段造成的計(jì)算誤差，