基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，包括：步驟1，部署傳感器節(jié)點，獲取所有未知節(jié)點的位置坐標和到達角偏角值的初始估計，所有傳感器節(jié)點開啟定時器，傳感器節(jié)點包括錨節(jié)點和未知節(jié)點；步驟2，所有傳感器節(jié)點進行首次通信，獲取所有錨節(jié)點的實際偏角值和實際坐標值，計算傳感器節(jié)點與鄰居節(jié)點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)點間的偏角差值，運行迭代定位算法，直至到達定位器中設(shè)定的執(zhí)行時間，迭代定位算法結(jié)束后向匯聚節(jié)點輸出計算得到的偏角估計值和坐標估計值，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)較小的情況下坐標估計誤差就能達到接近零。
【專利說明】基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方 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稱到達角信息的分布式無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法。

【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)點能通過測量或網(wǎng)絡(luò)通信獲取整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點 信息，執(zhí)行效率和運行成本較高。另一方面，使用分布式定位算法，節(jié)點只需與鄰近節(jié)點進 行測量和通信，就能通過一定的計算方法得出自己坐標的估計值，并能保證較高的準確率。 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。
[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 測量數(shù)據(jù)的定位算法，大部分都是使用測距信息進行定位。由于傳感器成本較高等原因，相 對于測距定位，使用到達角測量數(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 量到達角等技術(shù)的出現(xiàn)，大幅降低了獲取到達角信息的成本，并將有力地推動該類定位算 法的發(fā)展。因此，研究基于到達角信息的分布式定位算法，對填補無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自定位領(lǐng) 域的空白和推動自定位技術(shù)發(fā)展具有重大意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的空缺，本發(fā)明目的在于提供一種基于對稱到達角信息的分布式無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，能有效降低網(wǎng)絡(luò)的通信量，優(yōu)化計算資源的使用，而且收斂速 度較快，在無測量誤差的前提下能實現(xiàn)指數(shù)收斂。
[0006] -種基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，包括如下 步驟：
[0007] 步驟1，部署傳感器節(jié)點，獲取每一未知節(jié)點位置坐標值的初始估計和到達角的偏 角值的初始估計，所有傳感器節(jié)點開啟定時器，傳感器節(jié)點包括錨節(jié)點集合和未知節(jié)點集 合；
[0008] 步驟2,所有傳感器節(jié)點進行首次通信，獲取所有錨節(jié)點的實際偏角值和實際坐標 值，計算未知節(jié)點與鄰居節(jié)點間連接邊的歸一化向量和節(jié)點間的偏角差值；
[0009] 步驟3,利用歸一化向量和傳感器節(jié)點間的偏角差值，各個未知節(jié)點運行迭代定位 算法，直至到達定時器中設(shè)定的執(zhí)行時間，迭代定位算法結(jié)束后各個未知節(jié)點向匯聚節(jié)點 輸出計算所得自身的偏角估計值和坐標估計值，完成定位。
[0010] 步驟1中，每個未知節(jié)點對自身的到達角測量傳感器的偏角值和位置坐標值做初 始估計，其到達角測量傳感器偏角估計值、位置坐標估計值都隨機生成。
[0011] 步驟1中，測量到達角的測量傳感器所采用的測量坐標系經(jīng)過設(shè)置，使得測量坐 標系與全局坐標系間的未知偏角在0度至180度之間。
[0012] 通過將未知偏角設(shè)置在0度至180度，保證定位算法能實現(xiàn)指數(shù)收斂。
[0013] 步驟1中，錨節(jié)點數(shù)目大于或等于2,且每個錨節(jié)點至少跟另一個錨節(jié)點進行通信 以及進行到達角測量。
[0014] 在步驟2中，傳感器節(jié)點間進行無線通信的半徑與到達角測量傳感器的測量半徑 一致，傳感器節(jié)點間的通信為雙向通信，且傳感器節(jié)點所形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖具有剛性性質(zhì)。
[0015] 各個節(jié)點通過雙向通信向鄰居節(jié)點發(fā)送自身的全局位置坐標值以及對鄰居節(jié)點 的到達角，并從每個鄰居節(jié)點獲取該鄰居節(jié)點的位置坐標值以及該鄰居節(jié)點對當(dāng)前節(jié)點的 到達角；無線通信的半徑與到達角測量傳感器的測量半徑一致，使得節(jié)點能從鄰居節(jié)點獲 取數(shù)據(jù)包的同時測量鄰居節(jié)點的到達角；網(wǎng)絡(luò)拓撲圖具有剛性性質(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)點進行首次無線通信，獲取各個傳感器節(jié)點的鄰居節(jié)點集 合，每一傳感器節(jié)點在本地坐標系下測得鄰居節(jié)點的到達角，錨節(jié)點額外獲取自身在全局 坐標系下的位置坐標；
[0018] 步驟2-2,每個錨節(jié)點向各個鄰居錨節(jié)點傳輸自身的全局位置坐標以及在本地坐 標系下該鄰居錨節(jié)點的到達角，并通過無線通信獲取各個鄰居錨節(jié)點的全局位置坐標值以 及該鄰居錨節(jié)點的本地坐標系下當(dāng)前錨節(jié)點的到達角，從而計算出當(dāng)前錨節(jié)點的到達角測 量傳感器的偏角值，并將偏角值和全局坐標傳輸給所有鄰居節(jié)點。
[0019] 步驟2-3,對于每一未知節(jié)點，向鄰居節(jié)點發(fā)送自身所測得的鄰居節(jié)點的到達角， 計算未知節(jié)點與鄰居節(jié)點之間連接邊的歸一化向量和節(jié)點間的偏角差值。
[0020] 注意到錨節(jié)點的全局坐標可以通過GPS或人工測量獲得，但由于設(shè)備的方向擺放 的隨機性，其到達角測量傳感器的本地坐標系和全局坐標系仍存在未知偏角。
[0021] 鄰居錨節(jié)點表示鄰居節(jié)點中同時為錨節(jié)點的傳感器節(jié)點。在步驟2-1中，錨節(jié)點 通過自帶的GPS裝置或人工測量獲取自身在全局坐標系下的位置坐標值。
[0022] 步驟2-2中，當(dāng)前錨節(jié)點i通過使用鄰居錨節(jié)點j的全局位置坐標值，計算其到達 角測量傳感器的實際偏角值，計算公式如下：
[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i的全局位置坐標值，為鄰居錨節(jié)點j的全局位置坐標 值，S u為當(dāng)前錨節(jié)點i測得的鄰居錨節(jié)點j的到達角，A表示錨節(jié)點集合，隊表示當(dāng)前錨 節(jié)點i的鄰居節(jié)點集合。
[0025] 其中任意傳感器節(jié)點的本地坐標系是以當(dāng)前傳感器節(jié)點為原點建立的坐標系，全 局坐標系是則是在整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中選取原點建立的坐標系，所有傳感器節(jié)點共用該坐標 系。本發(fā)明中的全局位置坐標值即是指實際坐標值。
[0026] 步驟2-2中，當(dāng)前錨節(jié)點i的到達角測量傳感器的實際偏角值Θ i的計算公式如 下：
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征在于，包 括如下步驟： 步驟1，部署傳感器節(jié)點，獲取每一未知節(jié)點位置坐標值的初始估計和到達角的偏角值 的初始估計，所有傳感器節(jié)點開啟定時器，傳感器節(jié)點包括錨節(jié)點集合和未知節(jié)點集合； 步驟2,所有傳感器節(jié)點進行首次通信，獲取所有錨節(jié)點的實際偏角值和實際坐標值， 計算未知節(jié)點與鄰居節(jié)點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)點間的偏角差值，各個未知節(jié)點運行迭代定位算 法，直至到達定時器中設(shè)定的執(zhí)行時間，迭代定位算法結(jié)束后各個未知節(jié)點向匯聚節(jié)點輸 出計算所得自身的偏角估計值和坐標估計值，完成定位。
2. 如權(quán)利要求1所述基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，步驟1中，測量到達角的測量傳感器所采用的測量坐標系經(jīng)過設(shè)置，使得測量坐 標系與全局坐標系間的未知偏角在0度至180度之間。
3. 如權(quán)利要求1所述基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，步驟1中，錨節(jié)點數(shù)目大于或等于2,且每個錨節(jié)點至少跟另一個錨節(jié)點進行通 信以及進行到達角測量。
4. 如權(quán)利要求1所述基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，在步驟2中，傳感器節(jié)點間進行無線通信的半徑與到達角測量傳感器的測量半 徑一致，傳感器節(jié)點間的通信為雙向通信，且傳感器節(jié)點所形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖具有剛性性 質(zhì)。
5. 如權(quán)利要求1所述基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，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)點進行首次無線通信，獲取各個傳感器節(jié)點的鄰居節(jié)點列表， 每一傳感器節(jié)點在本地坐標系下測得鄰居節(jié)點的到達角，錨節(jié)點額外獲取自身在全局坐標 系下的全局位置坐標值； 步驟2-2,每個錨節(jié)點向各個鄰居錨節(jié)點傳輸自身的全局位置坐標以及在本地坐標系 下該鄰居錨節(jié)點的到達角，并通過無線通信獲取各個鄰居錨節(jié)點的全局位置坐標值以及該 鄰居錨節(jié)點的本地坐標系下當(dāng)前錨節(jié)點的到達角，從而計算出當(dāng)前錨節(jié)點到達角測量傳感 器的偏角值，并將偏角值和全局位置坐標值傳輸給所有鄰居節(jié)點； 步驟2-3,對于每一未知節(jié)點，向鄰居節(jié)點發(fā)送自身所測得的鄰居節(jié)點的到達角，計算 未知節(jié)點與鄰居節(jié)點之間連接邊的歸一化向量和節(jié)點間的偏角差值。
6. 如權(quán)利要求5所述基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，步驟2-2中，當(dāng)前錨節(jié)點i通過使用鄰居錨節(jié)點j的全局位置坐標值，計算其到 達角測量傳感器的實際偏角值，計算公式如下： 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i的全局位置坐標值，Pj為鄰居錨節(jié)點j的全局位置坐標值，S u 為當(dāng)前錨節(jié)點i測得的鄰居錨節(jié)點j的到達角，A表示錨節(jié)點集合，隊表示當(dāng)前錨節(jié)點i的 鄰居節(jié)點集合。
7. 如權(quán)利要求5所述基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，步驟2-2中，當(dāng)前錨節(jié)點i的到達角測量傳感器的實際偏角值Θ i的計算公式如 下：
其中，Pi為當(dāng)前錨節(jié)點i的全局位置坐標值，Pj為鄰居錨節(jié)點j的全局位置坐標值，s ij 為當(dāng)前錨節(jié)點i測得的鄰居錨節(jié)點j的到達角，A表示錨節(jié)點集合，隊表示當(dāng)前錨節(jié)點i的 鄰居節(jié)點集合，|Ni n AI表示當(dāng)前錨節(jié)點i的鄰居錨節(jié)點的數(shù)量。
8. 如權(quán)利要求6或7所述基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方 法，其特征在于，步驟2-3中，當(dāng)前錨節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間連接邊的歸一化向量及偏 角差值θ u的計算公式如下： 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)點集合，對于任意角Θ，PV( Θ )定義為PV( Θ ) = [ ( Θ + ji ) mod2 π ] - ji 0
9. 如權(quán)利要求8所述基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，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i通過無線通信向所有鄰居節(jié)點j e Ni傳輸自身的位置估計 值兵(X)和偏角估計值，并從任意鄰居節(jié)點j e \都獲取其位置估計值&(幻:和偏 角估計值&(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值：
i&F 上式中，若鄰居節(jié)點j e A，則其偏角估計值恒等于步驟2-2中計算所得的實際偏角值， 用公式表不為4 (々）Ξ $ ; 步驟3-2,對于未知節(jié)點i，通過所得的連接邊歸一化向量以及自身的偏角估計值，計 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i對自身的偏角估計 值，7?($.(々)）表示旋轉(zhuǎn)矩陣，對于任意角Θ，定義為：R( Θ ) = [cos( Θ )-sin( Θ ) ;sin( Θ ) cos ( Θ)]; 進一步，得到第k+1次迭代中自身的坐標估計值：
上式中，若鄰居節(jié)點j e A，則其坐標估計值恒等于步驟2-2中所獲取的實際坐標值，用 公式表示為#/(幻三戶|;其中(幻為當(dāng)前未知節(jié)點i對自身的坐標估計值逆時針旋轉(zhuǎn) 九十度，/〕/(々）為鄰居節(jié)點j對自身的坐標估計值逆時針旋轉(zhuǎn)九十度； 步驟3-3,對于未知節(jié)點i，如該未知節(jié)點i的定時器未到達，則重復(fù)步驟3-1至3-2,直 至定時器達到執(zhí)行時間，并在結(jié)束定位算法時向匯聚節(jié)點輸出當(dāng)前的偏角估計值和 坐標估計值/〕,(々）,完成定位。
【文檔編號】H04W64/00GK104066176SQ201410299500
【公開日】2014年9月24日 申請日期: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 申請人:浙江大學(xué)