專利名稱：一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
最初，WSN定位算法的研究偏重于infras tructure-based類定位技術(shù)，典型的研究成果有Active Badge、Active Bat、RADAR等。此后，研究重心轉(zhuǎn)為對ad hocinfrastructure-free定位技術(shù)的關(guān)注,該方向目前成為WSN定位算法的主流研究方向。Nirupama Bulusu等人提出的一種基于網(wǎng)絡(luò)連通性的質(zhì)心定位算法。在該算法中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地廣播包含自身ID和位置信息的信標(biāo)報文，若未知節(jié)點(diǎn)的接收報文數(shù)超過某預(yù)設(shè)閾值或接收時間超出某設(shè)定時限后，該節(jié)點(diǎn)位置就視作信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組成多邊形的質(zhì)心。該算法操作簡易，無需信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)間的交互通信，但同時無法區(qū)分不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對未知節(jié)點(diǎn)的定位價值，其定位精度過度依賴于較高的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)部署密度。瑞士洛桑聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的Srdian Capkun等人提出了一種相對定位算法SPA,由分布最密集的節(jié)點(diǎn)群建立全局坐標(biāo)系統(tǒng)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的測距在各個節(jié)點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系統(tǒng)，通過節(jié)點(diǎn)間的交互通信，以參考點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行坐標(biāo)變換。該算法的定位精度較高，但坐標(biāo)建立和變換計算所需的通信開銷異常龐大，與節(jié)點(diǎn)數(shù)量近似呈現(xiàn)指數(shù)階關(guān)系，因此復(fù)雜度對于普通傳感器節(jié)點(diǎn)是難以承受的。Doherty等人提出一種凸規(guī)劃定位算法，把全局網(wǎng)絡(luò)映射為一個凸集，可將定位問題轉(zhuǎn)化為凸約束優(yōu)化問題，通過線性規(guī)劃等方法求解該問題來定位未知節(jié)點(diǎn)。凸規(guī)劃定位算法可以基于少量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)獲得很高精度的未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，但對信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的分布也有著極高要求，即要求信標(biāo)節(jié)點(diǎn)均勻分布于網(wǎng)絡(luò)邊界，否則將明顯影響其定位精度。此外，該算法是一種集中式算法，對特定節(jié)點(diǎn)的計算量要求較高，并且無法得到較好的可擴(kuò)展性。DV Hop算法中，首先使用距離矢量交換協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)獲得距信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)。隨后由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離，然后將其作為一個校正值廣播至網(wǎng)絡(luò)中，最后執(zhí)行三邊測量定位。DV Hop的缺點(diǎn)在于校正值難以合理地估算平均每跳距離，另外，校正值的傳播往往采用洪泛法，會造成較大的通信負(fù)載和能量消耗。APIT算法是一種距離無關(guān)、區(qū)域相關(guān)的定位算法，主要算法思想是由未知節(jié)點(diǎn)周遭的任意3個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成三角形，若未知節(jié)點(diǎn)位于三角形內(nèi)，則標(biāo)記該三角形，未知節(jié)點(diǎn)視為被標(biāo)記三角形的交集區(qū)域質(zhì)心。APIT執(zhí)行簡單，不存在較高的額外通信負(fù)載，但由于它未考慮信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間距離，因此無法識別所選信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位價值，所以其定位精度還有很大的改進(jìn)空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，包括如下步驟步驟I，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率發(fā)送信標(biāo)報文；步驟2，測量所有具有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離，具體包括如下步驟步驟2-1，未知節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽并接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)報文，獲取信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報文時鐘；步驟2-2，根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)接收的報文時鐘和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報文時鐘的時間差，采用如下公式計算信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離，未知節(jié)點(diǎn)存儲信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間距離的計算結(jié)果d(i, j) = [1449. 2+4. 623t-0. 0546t2+l. 391(σ-35)] · (Tr-Ts)其中，d(i，j)表示未知節(jié)點(diǎn)i和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)j的距離，t表示當(dāng)前水溫，σ表示水的鹽度，Tr表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報文時鐘，Ts表示未知節(jié)點(diǎn)接收的報文時鐘；步驟3，未知節(jié)點(diǎn)利用如下公式對所有具備通信功能的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行第一次加權(quán)質(zhì)心計算
r dn—2 dn_x dn
權(quán)利要求
1.一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，其特征在于包括如下步驟 步驟I，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率發(fā)送信標(biāo)報文； 步驟2，測量所有具有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離，具體包括如下步驟 步驟2-1，未知節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽并接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)報文，獲取信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報文時鐘； 步驟2-2，根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)接收的報文時鐘和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報文時鐘的時間差，采用如下公式計算信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離，未知節(jié)點(diǎn)存儲信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間距離的計算結(jié)果d(i, j) = [1449. 2+4. 623t-0. 0546t2+l. 391(σ-35)] · (Tr-Ts) 其中，d(i，j)表示未知節(jié)點(diǎn)i和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)j的距離，t表示當(dāng)前水溫，σ表示水的鹽度，Tr表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報文時鐘，Ts表示未知節(jié)點(diǎn)接收的報文時鐘； 步驟3，未知節(jié)點(diǎn)利用如下公式對所有具備通信功能的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行第一次加權(quán)質(zhì)心計算其中，Xpyi為進(jìn)行第一次加權(quán)質(zhì)心計算估測的未知節(jié)點(diǎn)i的橫縱坐標(biāo)，xn、yn為第η個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，dn為第η個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離，η為大于等于I的自然數(shù)；步驟4，未知節(jié)點(diǎn)記錄第一次估測的橫縱坐標(biāo)，并將第一次估測的橫縱坐標(biāo)廣播至所有具備通信功能的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)； 步驟5，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)具備通信能力的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與自身的距離選擇m個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，m為正整數(shù)； 步驟6，利用如下公式對未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)做第二次加權(quán)質(zhì)心計算 其中，x’ i、y’ i為進(jìn)行第二次加權(quán)質(zhì)心計算估測未知節(jié)點(diǎn)i的橫縱坐標(biāo)，d’ 1;...，d’m為m個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的距離； 步驟7,記錄步驟6得到的未知節(jié)點(diǎn)i的橫縱坐標(biāo),實現(xiàn)該未知節(jié)點(diǎn)的定位； 步驟8，若無線傳感網(wǎng)絡(luò)中還有未知節(jié)點(diǎn)未定位，返回步驟2 ;否則，結(jié)束無線網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)的定位方法流程。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，其特征在于所述步驟5的具體實施如下 步驟5-1 :未知節(jié)點(diǎn)讀取信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的距離信息，以未知節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)建立橫縱坐標(biāo)軸，將所建橫縱坐標(biāo)軸平均分成若干個以未知節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)的扇形區(qū)域； 步驟5-2，未知節(jié)點(diǎn)在步驟5-1中所分的扇形區(qū)域中識別各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，將所識別的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的距離按照從小到大的數(shù)序排列，利用如下公式計算未知節(jié)點(diǎn)i的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)j的權(quán)重值 Wj'=Xl-d(iJ) 其中λ表示常參數(shù)，λ e (O，I]，I表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)j在所屬扇形區(qū)域內(nèi)的距離排序； 步驟5-3 :將權(quán)重值按照從小到大的順序排列，選取前m個權(quán)重值所對應(yīng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，其特征在于所述扇形區(qū)域的覆蓋角度為π/12至π/6。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)領(lǐng)域。本方法根據(jù)測量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)間距離第一次加權(quán)質(zhì)心計算得到未知節(jié)點(diǎn)的第一次估測坐標(biāo)；再根據(jù)距離值設(shè)置權(quán)重選擇合適的若干個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第二次加權(quán)質(zhì)心計算得到未知節(jié)點(diǎn)的第二次估測坐標(biāo)，最終確定未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。本方法的計算復(fù)雜度較低，提高了定位準(zhǔn)確度，降低了估測誤差，適用于水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位。
文檔編號G01S5/00GK102621522SQ20111044766
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者劉林峰, 吳家皋 申請人:南京郵電大學(xué)