一种基于正三角形运动路径的移动锚节点RSSI值定位方法与流程

本发明涉及一种无线通讯定位方法，尤其涉及一种rssi值定位方法。

背景技术：

随着微处理器技术、嵌入式技术、传感器技术和无线通信技术的快速发展，无线传感器网络在军事侦查、智能家居、生物医药、环境监测和物联网等诸多领域得到广泛应用。节点的位置信息是无线传感器网络有效部署和应用的前提和基础。实际使用中，受网络成本、能耗和节点体积等因素限制，无法为网络中每个节点安装gnss(globalnavigationsatellitesystem，全球导航卫星系统)设备。因此研究无线传感器网络的节点定位技术，使用具有定位功能的锚节点实现对网络位置未知节点的定位，对于促进无线传感器网络技术的进一步应用和进步具有重要意义。

节点定位算法可分为基于测距的定位算法和无需测距的定位算法。无需测距的节点定位算法通常只能将未知节点定位于某个区域的质心上，定位精度较低，实际应用范围较为有限。基于测距的定位算法是用一定的技术手段测量出未知节点到多个(三个以上)位置已知的锚节点距离，再使用三边测量或最大似然估计定位方法计算出未知节点位置，与无需测距的节点定位技术相比，这类方法能达到较高的定位精度。基于测距的节点技术一般分为：基于toa(timeofarrival，到达时间)、基于tdoa(timedifferenceofarrival，到达时间差)、基于aoa(angleofarrival，到达角度)、基于rssi(receivedsignalstrengthindication，接收信号强度指数)，其中基于toa、tdoa、aoa定位技术需加装额外的测量部件，定位成本相对较高，不适用于大规模的无线传感器网络；基于rssi的定位技术不需要附加额外的硬件，具有通信开销小、硬件成本低、实现简单、拓展性强等优点，得到了广泛应用，成为研究的重点和热点。

目前针对基于rssi值的锚节点定位算法研究的相关文献如下：

1.王振朝、张琦等人在其2014年发表的论文《基于rssi测距的改进加权质心定位算法》中采用了加权值对rssi测距值进行修正，有效提高了传统的加权质心算法的定位精度，算法的不足之处在于：(1)必须测量到三个以上锚节点才能实现对未知节点坐标的解算，实际使用时刻保持未知节点的通信范围内有三个及以上锚节点为小概率事件；(2)该算法的定位精度与锚节点的数量和分布密度成正比，对未知节点定位精度需求较高的网络，需要布放大量的静态锚节点，定位成本高昂。

2.韩光洁、张晨语等人在其2016年授权的国家发明专利“无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法”(授权公告号：cn1036077726b)提出了一种采用单个移动锚节点的无线传感器网络节点定位方法，极大减小了锚节点的使用数量，有效降低了定位成本，方法的不足之处在于：(1)采用基于rssi测距的三边定位方法实现监测区域内部的未知节点坐标解算,由于rssi值的测距并不准确，将会对未知节点的定位偏差带来较大影响；(2)采用圆形路径补偿算法实现监测区域边界节点的定位，已有研究结果表明，网络覆盖区域较大时，边界的圆形的轨迹半径也相当大，局部同一圆弧上相近的几个信标点也类似于共线,将对未知节点坐标的解算引入较大的误差。

3.徐娟、赵雅坤等人在其2018年申请的发明专利“一种基于移动锚节点rssi的传感器节点定位方法”(申请公布号：cn107770861a)提出了采用rssi强度值测量未知节点的定位方案，该方法依据rssi值的变化趋势确定未知节点在至少两个锚节点轨迹上的垂点坐标和对应轨迹的方程，利用几何关系实现未知节点坐标的求解，方法无需使用rssi值测距，有效避免了rssi测距误差对未知节点坐标的影响，但是算法没有考虑锚节点的gnss系统的定位误差对未知节点坐标的影响，当gnss系统定位误差较大时，直接采用其提供的定位数据参与节点将会使未知节点的坐标严重偏离理论值。

综上所述，基于rssi值的锚节点定位算法研究目前已经取得了较大的进展，但是仍然存在不足之处：

(1)现有的基于静态锚节点的rssi值测距定位算法中，需获得未知节点到其通信范围内三个以上锚节点的距离才能进行坐标解算，当未知节点通信范围内的锚节点数量较少时(小于3个)，将无法实现求解，算法的局限性明显；且未知节点的定位精度与锚节点的数量、分布密度成正比，对于定位精度要求较高的大规模无线传感器网络，将极大增加锚节点的布放使用成本。

(2)现有的基于移动锚节点rssi值定位算法中，存在移动路径上信标点共线和监测区域边界点定位精度不高的问题。

(3)现有的基于移动锚节点的定位算法，没有考虑gnss系统定位误差的影响，当其误差较大时，直接将其提供定位数据参与未知节点坐标解算，将会引入极大的偏差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种基于单个移动锚节点的无线传感器节点定位方法。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于正三角形运动路径的移动锚节点rssi值定位方法，该方法包括以下步骤：

s1，根据无线自组网的监测区域的大小和定位时效性需求，确定合适的移动锚节点通信半径r，监测区域的层数n、层高h，每层分割成交替相连的正置和倒置的正三角形区域单元，如图1所示。

s2，具有gnss定位功能的移动锚节点逐层、层与层首尾相接不间断连续遍历所述监测区域的所有正三角形区域单元的边界，如图1所示，移动过程中周期性广播自身的位置信息，未知节点接收到移动锚节点广播的位置信息及在该位置处的rssi值。

s3，在任何一个正三角形区域单元中未知节点接收到三组成线性关系的位置数据值及在该位置处的rssi值，对该三组位置数据值进行最小二乘法处理，分别得到该正三角形区域单元三条边界的直线轨迹方程，将直线轨迹方程的交点,即正三角形区域单元的顶点作为参考节点，锚节点广播信息的位置点，即信标点与参考节点之间的相对距离d作为自变量，rssi值作为因变量，对rssi值和相对距离d进行曲线拟合，分别得到正三角形区域单元每条边界上的rssi值增大趋势段和rssi值减小趋势段的轨迹方程，对两个rssi值多项式方程求交点计算得到未知节点在所述正三角形区域单元三边边界上的rssi峰值点坐标。

s4，根据未知节点在正三角形区域单元三边上的rssi峰值点坐标，通过数学计算得到未知节点的坐标。

进一步地，为确保无线传感器网络的边界区域的未知节点能接收到足够的移动锚节点信息实现自身位置信息的解算，同时为保证每一层的未知节点均能有效接收到移动锚节点的广播的位置信息和rssi值，所述移动锚节点的运动区域覆盖并略大于监测区域，所述移动锚节点的通信半径r与正三角形区域单元的边长l的关系为：r≧l。

进一步地，所述步骤s3包括以下步骤及计算方法，

s31，根据最小二乘法分别得到该正三角形区域单元的三条边界的直线轨迹方程，具体计算方法为：

移动锚节点在正三角形区域单元的三条边界上运动时，未知节点分别获得移动锚节点在三条边界上广播的三组成线性关系的地理位置坐标集，在其中一条边界上接收到的位置数据集为(xi,yi)(i＝1,2,3,l,n)，设其线性轨迹方程为：

y＝k1x+b1(1)

依据最小二乘法准则，参数k1和b1的最优估计值可以由下式得出：

其中，

同理求解得到移动锚节点在另外两条边界上的线性轨迹方程：y＝k2x+b2(3)

y＝k3x+b3(4)

s32，对步骤s31得到的三个线性轨迹方程求交点，得正三角形区域单元三个顶点的坐标。

s33，移动锚节点运动过程中，未知节点接收到的锚节点的rssi值将呈现出逐渐增大在到达峰值点后又逐渐减小的变化趋势；由无线电信号衰减模型可知，距离未知节点最近的点，rssi值最大；以d为自变量，rssi值为因变量，计算移动锚节点在每条边界运动过程中，未知节点获得移动锚节点rssi峰值点的相对距离dm1,dm2和dm3；具体计算方法为：

分别对同一条边界上rssi值增大趋势段和rssi值减小趋势段的所有信标点的相对距离d和rssi值进行曲线拟合，如图3所示，得到rssi值增大趋势段和rssi值减小趋势段的多项式方程f(x)和p(x)；

f(x)＝c0+c1x+c2x²+···+cjx^j(5)

p(x)＝c′0+c′1x+c′2x²+···+c′jx^j(6)

f(x)和p(x)的交点即为未知节点获取到的rssi值的峰值点，也即移动锚节点在线性轨迹上距离未知节点最近的点；联立方程f(x)和p(x)求解得到交点，即可获得峰值点m1的相对距离值dm1；同理求得另外两条边界上rssi峰值点m2和m3的相对距离dm2和dm3。

s34,根据dm1,dm2和dm3的值和正三角形区域单元三个顶点的坐标，通过线性代数和三角函数计算出峰值点m1,m2和m3的坐标。

进一步地，所述步骤s4包括以下具体步骤，

s41，通过线性代数计算得到以峰值点m1,m2和m3作垂点的垂线l1，l2和l3的直线方程；三条垂线理论上相交于一点，该点即为所待求解的未知节点，如图4所示，实际使用中，由于gnss定位系统存在偏差，且未知节点接收到的rssi值受环境因素干扰也存在一定误差，导致求解得到的三条垂线均在一定程度上偏离理论值，即三条垂线两两相交的交点并不重合，具体相交情况如图5所示。

s42，通过线性代数计算垂线l1，l2和l3的交点c1，c2和c3的坐标。

s43，对交点c1，c2和c3的坐标值求均值，将此均值作为未知节点的坐标。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明针对传统锚节点定位算法中存在的gnss定位偏差影响未知节点坐标解算问题，采用最小二乘法对具有线性关系的锚节点位置数据集进行处理，计算得出移动锚节点的最佳线性轨迹方程，由最佳线性轨迹方程和未知节点接收到的移动锚节点的rssi值变化趋势，求解得到参与未知节点坐标计算的锚节点的垂点坐标，与现有移动锚节点定位算法中直接采用gnss系统提供的位置坐标进行未知节点坐标解算相比，有效降低了gnss定位偏差对未知节点求解精度的影响。

(2)本发明巧妙的将锚节点最佳轨迹方程的交点作为参考节点，通过rssi值的多项式方程求解得到rssi峰值点坐标，根据rssi峰值点与未知节点的相对位置关系实现未知节点坐标解算，算法无需使用rssi值测距，有效避免了测rssi距误差对未知节点坐标解算精度的影响。(3)本发明中为确保无线传感器网络的边界区域的节点，能够获取的得到足够多的移动锚节点广播的信标节点信息，采用了移动锚节点的覆盖区域略大于无线传感器监测区域的轨迹运动策略，现有的移动锚节点定位算法通常对监测区域边界区域覆盖不够，导致边界节点定位精度不高，影响无线传感器网络的实际使用。

(4)本发明采用单个锚节点在监测区域中逐层做正三角形轨迹运动，通过正三角形区域三条边界上的rssi值峰值点实现区域内所有待测节点的定位，有效避免了传统移动锚节点算法中的信标点共线问题，且算法无需附加额外的硬件，定位成本低，简单易于实现。

本发明只需一个移动锚节点即可定位整个监测区域内的未知节点，硬件成本低，且定位精度高，适合于开阔的室外无线传感器网络监测环境。典型的应用场景如：(1)环境监测系统，采用无人机或者地面移动设备，即可对监测环境中的无线传感器节点进行定位，确保实时监控和采集监测区域中各位置点环境数据。(2)军事应用中，将微型移动机器人或军用飞行器作为移动锚节点，即可对相关区域内的己方传感节点定位，搜集指定地理位置点情报信息，监控追踪感兴趣的目标。该方法使用成本低、定位精度高、不易受rssi测距误差和gnss定位误差的影响、不存在信点共线且能有效定位边界点等优点。

附图说明

图1是正三角形运动路径示意图；

图2是相对距离示意图；

图3是rssi变化趋势图；

图4是rssi峰值点坐标求解模型图；

图5是未知节点坐标求解示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，一种基于正三角形运动路径的移动锚节点rssi值定位方法，该方法包括以下步骤：

s1，根据无线自组网的监测区域的大小和定位时效性需求，确定合适的移动锚节点通信半径r，监测区域的层数n、层高h，每层分割成交替相连的正置和倒置的正三角形区域单元，如图1所示。

s2，具有gnss定位功能的移动锚节点逐层、层与层首尾相接不间断连续遍历所述监测区域的所有正三角形区域单元的边界，移动过程中周期性广播自身的位置信息，未知节点接收到移动锚节点广播的位置信息及在该位置处的rssi值；如图1所示，粗虚线为无线传感器网络的监测区域，移动锚节点按图示箭头所指方向从a点开始沿与水平线成120角向b点运动，到达b点后，再沿水平线由b点向c点运动，运动至c点后，按图示箭头，沿与水平线成-60度角，由c点向a点运动，到达a点后，按箭头所示，沿水平线方向，由a点向d点运动，如此循环，锚节点自左向右运动至e点，完成监测区域的第一层遍历。锚节点运动至e点后，按图示方向沿与水平线成60角，自e点向f点运动，达到f点后，按图示箭头方向，沿与水平线成180度角，自f点向g点运动，到g点后，沿与水平线成-60度角向e点运动至e点，到达e点后按图示方向，沿与水平线成180度角，运动至h点，如此循环，直至完成第二层遍历。移动锚节点按上述行走路线，直至完成整个监测区域的遍历覆盖。为确保无线传感器网络的边界区域的未知节点能接收到足够的移动锚节点信息实现自身位置信息的解算，同时为保证每一层的未知节点均能有效接收到移动锚节点的广播的位置信息和rssi值，所述移动锚节点的运动区域覆盖并略大于监测区域，所述移动锚节点的通信半径r与正三角形区域单元的边长l的关系为：r≧l。

s3，在任何一个正三角形区域单元中未知节点接收到三组成线性关系的位置数据值及在该位置处的rssi值，对该三组位置数据值进行最小二乘法处理，分别得到该正三角形区域单元三条边界的直线轨迹方程，将直线轨迹方程的交点,即正三角形区域单元的顶点作为参考节点，锚节点广播信息的位置点，即信标点与参考节点之间的相对距离d作为自变量，rssi值作为因变量，对rssi值和相对距离d进行曲线拟合，分别得到正三角形区域单元每条边界上的rssi值增大趋势段和rssi值减小趋势段的轨迹方程，对两个rssi值多项式方程求交点计算得到未知节点在所述正三角形区域单元三边边界上的rssi峰值点坐标；

s31，如图2所示，点w为正三角形区域单元ehg中的待定位节点，锚节点在正三角边界eh、hg和ge上运动时，未知节点分别获得锚节点在三条边界上广播的三组成线性关系的地理位置坐标集；根据最小二乘法分别得到该正三角形区域单元的三条边界的直线轨迹方程，具体计算方法为：移动锚节点在正三角形区域单元的三条边界上运动时，未知节点分别获得移动锚节点在三条边界上广播的三组成线性关系的地理位置坐标集，假设在边界hg上接收到的位置数据集为(xi,yi)(i＝1,2,3,l,n)，设hg线性轨迹方程为：

y＝k1x+b1(1)

依据最小二乘法准则，参数k1和b1的最优估计值可以由下式得出：

其中，

同理求解得到移动锚节点在边界ge、eh上的线性轨迹方程：y＝k2x+b2(3)

y＝k3x+b3(4)

s32，对步骤s31得到的三个线性轨迹方程求交点，得正三角形区域单元三个顶点e,h和g的坐标；

s33，如图2所示，移动锚节点自h点向g点运动过程中，未知节点接收到的移动锚节点的rssi值将呈现出逐渐增大在到达峰值点后又逐渐减小的变化趋势，如图3所示；由无线电信号衰减模型可知，距离未知节点最近的点，rssi值最大；以顶点h作为原点，以d为自变量，rssi值为因变量，计算移动锚节点运动过程中，未知节点获得移动锚节点rssi峰值点的相对距离dm1，具体计算方法为：

对此边界上rssi值增大趋势段和rssi值减小趋势段的所有信标点的相对距离d和rssi值进行曲线拟合，得到rssi值增大趋势段和rssi值减小趋势段的多项式方程f(x)和p(x)；

f(x)＝c0+c1x+c2x²+···+cjx^j(5)

p(x)＝c′0+c′1x+c′2x²+···+c′jx^j(6)

f(x)和p(x)的交点即为未知节点获取到的rssi值的峰值点，也即移动锚节点在线性轨迹上距离未知节点最近的点；联立方程f(x)和p(x)求解得到交点,即可获得峰值点m1的相对距离值dm1；同理求得另外两条边界ge和eh上rssi峰值点m2和m3的相对距离dm2和dm3。

s34,根据dm1,dm2和dm3的值和正三角形区域单元三个顶点e、h和g的坐标，通过线性代数和三角函数计算出峰值点m1,m2和m3的坐标。

s4，根据未知节点在正三角形区域单元三边上的rssi峰值点坐标，通过数学计算得到未知节点w的坐标。本步骤s4包括以下具体步骤，s41，通过线性代数计算得到以峰值点m1,m2和m3作垂点的垂线l1，l2和l3的直线方程；s42，通过线性代数计算垂线l1，l2和l3的交点c1，c2和c3的坐标；s43，对交点c1，c2和c3的坐标值求均值，将此均值作为未知节点w的坐标。

以上内容仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。