專利名稱：一種基于測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于測距技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于布線和電源供給困難、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染、 環(huán)境不能被破壞或敵對區(qū)域)和一些臨時(shí)場合(如發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，固定通信網(wǎng)絡(luò)被破 壞)等。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、 工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域，特別是對于軍事應(yīng)用、目標(biāo)追蹤、環(huán)境檢測、空間探索，無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢越來越明顯。
通過部署大量無線傳感器至目標(biāo)區(qū)域組成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)無線傳感器稱為無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。對于大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)是 沒有意義的。傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說明"在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特 定事件"，實(shí)現(xiàn)對外部目標(biāo)的定位和追蹤。而節(jié)點(diǎn)位置信息的獲得又可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者 優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在其它方面的應(yīng)用，比如對路由算法的優(yōu)化、聯(lián)合信號處理、通信 開銷的優(yōu)化、基于位置的信息査詢、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率檢査等。而人工部署和為所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 安裝GPS接收器都會(huì)受到成本、功耗、擴(kuò)展性等問題的限制，甚至在某些場合可能根 本無法實(shí)現(xiàn)，如在室內(nèi)由于受到建筑物的阻擋其定位性能并不理想，因此必須采用一定 技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的自身定位。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器 節(jié)點(diǎn)能量有限、可靠性差、節(jié)點(diǎn)規(guī)模大且隨機(jī)分布、無線模塊的通信距離有限，這對傳 感器節(jié)點(diǎn)的定位方法和定位技術(shù)提出了很高的要求。
現(xiàn)有技術(shù)中， 一般利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中少量巳知位置的節(jié)點(diǎn)來獲得其他未知位置 節(jié)點(diǎn)的位置信息；上述已知位置的節(jié)點(diǎn)稱為錨節(jié)點(diǎn)，未知位置的節(jié)點(diǎn)稱為未知節(jié)點(diǎn)或待 測節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位方法主要有兩種即基于測距技術(shù)的定位方 法和無需測距的定位方法。基于測距技術(shù)的定位方法通過測量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角 度信息計(jì)算出待測節(jié)點(diǎn)的位置，上述方法的精度較高，但對節(jié)點(diǎn)的硬件也提出了很高的 要求，并且通常需要多次測量，循環(huán)求精，在獲得相對精確的定位結(jié)果的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大 量計(jì)算和通信開銷，所以，這種方法雖然定位精度較高，但不適用于低功耗，低成本的 應(yīng)用領(lǐng)域。
無需測距的定位方法無需距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性和已知位置的錨節(jié)點(diǎn) 等信息就能實(shí)現(xiàn)相對精確的定位功能，但是無需測距的定位方法的精度和收斂速度一定
程度上依賴于網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離估計(jì)的精度，而且當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)各向異性或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比 較復(fù)雜時(shí)算法的性能將明顯變差。例如公開號為CN101004448(專利申請?zhí)? CN200710062844.9)的中國發(fā)明專利《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三角濾波凸規(guī)劃定位方法》就公 開了這樣一種無需測距的無線傳感器節(jié)點(diǎn)定位方法方法，其包括錨節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送包含 自身位置的信息；未知節(jié)點(diǎn)接收錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息；未知節(jié)點(diǎn)接收到兩個(gè)以上錨節(jié)點(diǎn)的 信息時(shí)，計(jì)算以接收到的每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)為圓心，通信半徑為半徑的圓的相交區(qū)域；根據(jù)未 知節(jié)點(diǎn)是否在接收到的任意三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成的三角形內(nèi)和所述的圓的相交區(qū)域?qū)ξ粗?節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位判斷未知節(jié)點(diǎn)是否在接收到的任意三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成的三角形內(nèi)，如果未 知節(jié)點(diǎn)不在任意三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成的三角形內(nèi)，則以包含所述圓的相交區(qū)域的最小矩形的 質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置；否則計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)所在的任意三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成的三角形的相 交區(qū)域，以包含三角形的相交區(qū)域和所述圓的相交區(qū)域的最小矩形的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn) 的位置。上述定位方法關(guān)鍵是-通過測量信號的衰減程度來估計(jì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和3個(gè)以上錨節(jié) 點(diǎn)之間的距離，在錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已知的條件下，以3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為圓心，待測節(jié)點(diǎn)與錨 節(jié)點(diǎn)的距離為半徑畫圓，則3個(gè)圓的交點(diǎn)即為待測節(jié)點(diǎn)的位置。這種定位方法可以應(yīng)用 在現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺上，但這種方法容易易受溫度、濕度、障礙物、多徑等 環(huán)境因素的影響，定位精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種定位精度高，不易受環(huán)境 因素影響，且成本低的基于測距技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法， 包括至少三個(gè)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，位置未知的待測節(jié)點(diǎn)及后臺定位中心，所述至少三個(gè) 位置已知的錨節(jié)點(diǎn)中至少有一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)與后臺定位中心相連， 其特征在于所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一各個(gè)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)按固定功率周期性廣播發(fā)送定位用信標(biāo)信號；
步驟二所述待測節(jié)點(diǎn)接收上述定位用信標(biāo)信號，待所述待測節(jié)點(diǎn)獲得一組完整的 來自同一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的定位用信標(biāo)信號后，將接收到的一組完整定位用信標(biāo)信號的接收信 號強(qiáng)度值發(fā)送給所述網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)；
步驟三所述網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)將待測節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值和所述錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號強(qiáng) 度值發(fā)送給所述后臺定位中心；
步驟四所述后臺定位中心根據(jù)發(fā)送信號強(qiáng)度值與接收信號強(qiáng)度值之間的差值計(jì)算 出所述待測節(jié)點(diǎn)到所述錨節(jié)點(diǎn)之間的距離；
步驟五所述后臺定位中心根據(jù)所述待測節(jié)點(diǎn)到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離對所述測節(jié)
點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。
上述步驟四中通過以下方法計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離
(1) 、取距位置已知錨節(jié)點(diǎn)的距離為A的參考節(jié)點(diǎn)，其中4為己知常數(shù)，并測量出 該參考節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值，用錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度值減去該參考節(jié)點(diǎn)的接收信號 強(qiáng)度值得到參考點(diǎn)的傳輸路徑損耗，用丄W(0表示；
(2) 、將所述錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號強(qiáng)度值減去所述待測節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值，其信號 強(qiáng)度差值用丄(力表示；
(3) 、計(jì)算出所述待測節(jié)點(diǎn)到所述錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，用d表示
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，a為常數(shù)，其取值范圍為10士2， ^為標(biāo)準(zhǔn)偏差為J的正態(tài)隨機(jī)變量，b為 常數(shù)，其取值范圍為10士2， n為路徑損耗指數(shù)。
上述步驟五中所述待測節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)通過通過Chan氏算法獲得用P]表示待
測節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，用[:]表示網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，用[^]、 [^]表示另外兩個(gè)錨 節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，《表示待測節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，& 、 ^表示待測節(jié)點(diǎn)到另外兩 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號強(qiáng)度與待測節(jié)點(diǎn)接收信 號強(qiáng)度的差值，計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)到所述錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后利用待測節(jié)點(diǎn)到各個(gè)錨節(jié) 點(diǎn)之間的距離差值來對待測節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行定位的實(shí)現(xiàn)方法，能有效減少定位誤 差，尤其是相關(guān)多徑干擾引起的誤差，提高定位精度。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法的流程具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多未知位置且隨機(jī)分布的待測傳感器節(jié)點(diǎn)SN和至少三個(gè)已知 位置的錨節(jié)點(diǎn)AN組成，其中某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與后臺定位中心通信。在本 實(shí)施例中，有三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)AN1、 AN2、 AN3，其位置坐標(biāo)已知，錨節(jié)點(diǎn)AN1作為網(wǎng)關(guān)
錨節(jié)點(diǎn)與后臺定位中心通信，其坐標(biāo)為[:]，錨節(jié)點(diǎn)AN2的坐標(biāo)為[;22 ]，錨節(jié)點(diǎn)AN3
的坐標(biāo)為]，待測節(jié)點(diǎn)SNn的位置未知，詳細(xì)見圖1所示。
如圖2，本發(fā)明提供無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法始于在待測區(qū)域布置位置已知的 三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)AN1、 AN2、 AN3，取錨節(jié)點(diǎn)AN1為網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)，然后三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)AN1、 AN2、 AN3按照固定功率周期性廣播發(fā)送定位用信標(biāo)信號，待測節(jié)點(diǎn)接收錨節(jié)點(diǎn)的定位 用信標(biāo)信號，當(dāng)待測節(jié)點(diǎn)獲得一組完整的來自同一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的定位用信標(biāo)信號后，將接 收到的一組完整定位用信標(biāo)信號的接收信號強(qiáng)度值發(fā)送給網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)AN1，網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn) AN1將待測節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值和所述錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號強(qiáng)度值發(fā)送給所述后臺定 位中心，后臺定位中心根據(jù)發(fā)送信號強(qiáng)度值與接收信號強(qiáng)度值之間的差值計(jì)算出待測節(jié) 點(diǎn)分別到三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)AN1、 AN2、 AN3之間的距離dl、 d2、 d3，然后后臺定位中心根 據(jù)待測節(jié)點(diǎn)到三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)AN1、 AN2、 AN3之間的距離對測節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。
上述后臺定位中心通過以下方式計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)SNn和三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)AN1、 AN2、 AN3 之間的距離dl、 d2、 d3:
(1) 、取距三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)AN1、 AN2、 AN3的距離均為^的三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，其中A為 巳知常數(shù)，并測量出這三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值，用三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)AN1、 AN2、 AN3的發(fā)射信號強(qiáng)度值分別減去上述三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值得到三個(gè)參考點(diǎn) 的傳輸路徑損耗，分別用丄Wo)l、 1(^)2、丄(^)3表示；
(2) 、將錨節(jié)點(diǎn)AN1的發(fā)送信號強(qiáng)度值減去待測節(jié)點(diǎn)分別接收錨節(jié)點(diǎn)AN1的定位用 信標(biāo)信號的接收信號強(qiáng)度值，其信號強(qiáng)度差值用"力l表示；將錨節(jié)點(diǎn)AN2的發(fā)送信號 強(qiáng)度值減去待測節(jié)點(diǎn)分別接收錨節(jié)點(diǎn)AN2的定位用信標(biāo)信號的接收信號強(qiáng)度值，其信 號強(qiáng)度差值用丄(力2表示；將錨節(jié)點(diǎn)AN3的發(fā)送信號強(qiáng)度值減去待測節(jié)點(diǎn)分別接收錨節(jié) 點(diǎn)AN3的定位用信標(biāo)信號的接收信號強(qiáng)度值，其信號強(qiáng)度差值用丄(^)3表示；
(3) 、計(jì)算出待測節(jié)點(diǎn)到三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)AN1、 AN2、 AN3之間的距離
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，a為常數(shù)，其取值范圍為10土2， ^為標(biāo)準(zhǔn)偏差為"的正態(tài)隨機(jī)變量，b為 常數(shù)，其取值范圍為10土2， n為路徑損耗指數(shù)。
上述后臺定位中心根據(jù)通過通過Chan氏算法計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)[;]:
<formula>formula see original document page 8</formula>
權(quán)利要求
1、一種基于測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，包括至少三個(gè)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，位置未知的待測節(jié)點(diǎn)及后臺定位中心，所述至少三個(gè)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)中至少有一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)與后臺定位中心相連，其特征在于所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一所述各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)按固定功率周期性廣播發(fā)送定位用信標(biāo)信號；步驟二所述待測節(jié)點(diǎn)接收上述定位用信標(biāo)信號，待所述待測節(jié)點(diǎn)獲得一組完整的來自同一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的定位用信標(biāo)信號后，將接收到的一組完整定位用信標(biāo)信號的接收信號強(qiáng)度值發(fā)送給所述網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)；步驟三所述網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)將待測節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值和所述錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號強(qiáng)度值發(fā)送給所述后臺定位中心；步驟四所述后臺定位中心根據(jù)發(fā)送信號強(qiáng)度值與接收信號強(qiáng)度值之間的差值計(jì)算出所述待測節(jié)點(diǎn)到所述錨節(jié)點(diǎn)之間的距離；步驟五所述后臺定位中心根據(jù)所述待測節(jié)點(diǎn)到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離對所述測節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于 所述步驟四中后臺定位中心通過以下方法計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離(1) 、取距位置已知錨節(jié)點(diǎn)的距離為A的參考節(jié)點(diǎn)，其中A為己知常數(shù)，并測量出 該參考節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值，用錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度值減去該參考節(jié)點(diǎn)的接收信號 強(qiáng)度值得到參考點(diǎn)的傳輸路徑損耗，用"A)表示；(2) 、將所述錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號強(qiáng)度值減去所述待測節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值，其信號 強(qiáng)度差值用丄(力表示；(3) 、計(jì)算出所述待測節(jié)點(diǎn)到所述錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，用d表示<formula>complex formula see original document page 2</formula>其中，a為常數(shù)，其取值范圍為10士2， L為標(biāo)準(zhǔn)偏差為^的正態(tài)隨機(jī)變量，b為常數(shù)，其取值范圍為10士2， n為路徑損耗指數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于:所述步驟五中所述測節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)通過Chan氏算法獲得用[;]表示測節(jié)點(diǎn)的位置 坐標(biāo)，用[:]表示網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，用[S]、[，]表示另外兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)<formula>complex formula see original document page 3</formula>其中，A表示待測節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，& 、 4表示待測節(jié)點(diǎn)到另外兩 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于測距技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，包括至少三個(gè)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，待測節(jié)點(diǎn)及后臺定位中心，其特征在于一、各個(gè)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)按固定功率周期性廣播發(fā)送定位用信標(biāo)信號；二、待測節(jié)點(diǎn)將接收定位用信標(biāo)信號的接收信號強(qiáng)度值發(fā)送給網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)；三、網(wǎng)關(guān)錨節(jié)點(diǎn)將待測節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值和錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號強(qiáng)度值發(fā)送給后臺定位中心；四、后臺定位中心計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的距離；五、后臺定位中心計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。本發(fā)明根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號強(qiáng)度與待測節(jié)點(diǎn)接收信號強(qiáng)度的差值計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)間的距離，然后利用待測節(jié)點(diǎn)到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離差值來對待測節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行定位，能有效減少定位誤差提高定位精度。
文檔編號G01S5/02GK101191832SQ20071016458
公開日2008年6月4日 申請日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月11日
發(fā)明者鵬 夏, 鵬 姜, 路 孫, 徐勇軍, 宇 楊 申請人:寧波中科集成電路設(shè)計(jì)中心有限公司