专利名称：一种基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法
技术领域：
本发明涉及ー种无线网络和移动计算领域，特别涉及ー种基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法。
背景技术：
无线自组织网络是ー种多跳的临时性自治系统，具有分布式控制和无中心的体系结构，能够在部分网络节点失效后维持剩余节点的组网和通信能力。这类网络应用范围广泛且复杂，比如无线传感器网络是无线自组织网络技术的一大应用领域。除了无线网络中需要讨论的传统问题，如信道接入与控制，多跳路由选择与优化、安全隐患等，无线自组织网络还面临着由其特性带来的需要研究解决的课题，如何确定随机分布的节点自身位置就是其中的关键问题之一。位置信息是无线自组织网络能够提供有效服务的基本信息，如果感知或传输的数据不知道来源对象的位置，一般的这种数据毫无意义。此外，节点位置在不 少无线自组织网络协议和算法设计中也是基本的支撑信息。对于体积小、功耗低、价格低的无线传感器网络节点，不适宜采用GPS定位，而是结合应用需求开发分布式节点定位方法。已知位置坐标、能力较强的节点称为信标节点，大部分定位方法都采用了一定比率的信标节点辅助定位，它们在定位中是重要的參考点。信标节点位置的获知往往通过人エ部署或者通过GPS实现，人工部署信标节点的方式不仅受工作环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。因此，非常需要针对无线自组织网络开发既不依赖信标节点又能够精确确定物理位置的节点自定位方法。现有的无线自组织网络节点定位技术中，典型方法如发表于IEE Proceedings,论又名为 Design and Implementation of a Bluetooth Aa Hoc Network for IndoorPositioning (D0I10. 1049/ip-sen :20045027),该文献设计并实现了室内环境下基于蓝牙传感器的定位系统，通过ー个中心控制单元分析计算，能够在按需服务请求时实现精确的定位。此系统依赖于节点具有蓝牙模块，通信距离有限。韩国专利申请KR20100042999,名称为 A Reactive Local Positioning Systemfor Ad Hoc and Method Thereof,公开的该发明通过设定的中间节点，在收到位置请求报文后，计算本地坐标系，并检查目标节点是否在一定的距离范围内，根据距离远近进行相应处理。该发明仅能计算相对的本地坐标位置。美国专利申请US2004082341,名称为 System and Method for DeterminingRelative Positioning in Ad-Hoc Networks,公开的该发明利用移动接入点、无线路由器和移动节点等装置，实现具有经纬坐标的绝对位置定位，或者仅有临节点之间距离和角度信息的相对定位。加拿大专利申请CA 2762092,名称为 Improved Detection and Location of Wireless Field Devices,公开的该发明通过ー个移动维护工具来确定通信区域内的无线节点位置。中国专利申请CN200780005683. 8，名称为“在自组织网络中基于距离的相对3D定位”，公开的该发明使用相邻节点的距离值，建立相对坐标系来计算某些节点的3D位置，该发明仅能估算相对位置。中国专利申请CN201110191816.3，名称为“基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法”，公开的该发明利用救护人员节点终端接收士兵节点RSSI数据，计算各节点的相对坐标，根据其ID确定伤员的位置。该发明虽然不使用锚节点，但是实际上仅能确定节点(战场伤员)的相对位置。中国专利申请CN201110179976. 6，名称为“一种用于无线传感器网络的定位方法”，公开的该发明根据信标节点之间的跳数信息使用二分迭代法估算位置节点到信标节点的距离，当获得未知节点到三个以上信标节点的距离后，通过解超定方程计算出未知节点的位置。在有些场景下，如战场、灾难救援等，不适宜部署信标节点，但是需要确定被感知对象的物理位置，上述文献和专利发明的定位方法就无法采用。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法，它采用无信标节点时的无线自组织网络定位方法，解决了测距类方法普遍存在的反转分歧问题，并且实现精确的物理定位。本发明的目的通过以下技术方案实现步骤S101，无线自组织网络系统初始化，各节点查找相邻节点并测量邻节点的距离和角度信息；步骤S102，各节点构建本地平面直角坐标系，所有坐标系从上方看时总是符合右手法则；步骤S103,计算邻节点的本地坐标；步骤S104，相邻节点求解基于齐次坐标的坐标系变换矩阵，使得相对于一个本地坐标系的节点通过变换矩阵的转换可以计算出相对于另一个本地坐标系的坐标；步骤S105，选定全局坐标系原点，各节点通过坐标系变换矩阵的递归式传递，计算出全局物理坐标。整个流程如图I所示。上述的基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法，各节点具有测量邻节点距离和方向角的能力。上述的步骤SlOl中，无线自组织网络中并不需要部署已知位置的信标节点，而全网节点可以自主实现物理定位。上述的步骤S103中，未知邻节点u只需要与除本地坐标系原点i以外的I个已知邻节点j相邻，就可以通过邻节点间距离和角度信息求解其本地坐标艽。上述的步骤S104中，所述的相邻节点求解基于齐次坐标的二维坐标系变换矩阵中，当节点的齐次坐标采用行向量表示时，任意节点j的本地坐标系LCSj转换到与相邻节点i的本地坐标系LCSi重合时的变换矩阵计算公式为
权利要求
1.ー种基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤S101，无线自组织网络系统初始化，各节点查找相邻节点并測量与相邻节点间的距离和相対的角度信息； 步骤S102，各节点构建自己的本地平面直角坐标系，所有坐标系从上方向下看时总是符合右手法则； 步骤S103,计算各邻节点的本地坐标； 步骤S104，相邻节点求解基于齐次坐标的坐标系变换矩阵，使得相对于ー个本地坐标系的节点通过变换矩阵的转换计算出相对于另一个本地坐标系的坐标； 步骤S105，选定全局坐标系原点，各节点通过坐标系变换矩阵的递归式传递，计算出全局物理坐标。
2.根据权利要求I所述的基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法，其特征在于，所述步骤SlOl中，无线自组织网络中并不部署已知位置的信标节点，全网节点自主进行物理定位。
3.根据权利要求I所述的基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法，其特征在于，所述步骤S103中，未知邻节点u利用除本地坐标系原点i以外的I个已知相邻的邻节点j，通过邻节点间距离和角度信息求解其本地坐标艽。
4.根据权利要求I所述的基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法，其特征在于，所述步骤S104中，当节点的齐次坐标采用行向量表示时，任意节点j的本地坐标系LCA转换到与相邻节点i的本地坐标系LCSi重合时的变换矩阵计算公式为
5.根据权利要求I所述的基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法，其特征在于，所述步骤S105中，所述的全局坐标系GCS原点是静止的。
6.根据权利要求I所述的基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法，其特征在于，所述步骤S105中，任意节点u计算全局物理坐标的公式为gcsPu = iPu .11% 其中resPu代表节点U在全局坐标系中的位置， iPu代表节点u在本地坐标系LCSi中的位置， 代表把节点i的本地坐标系LCSi转换到与全局坐标系GCS重合时的变换矩阵，i与全局坐标系原点未必相邻。
7.根据权利要求4所述的坐标系变换矩阵计算公式，其特征在于，旋转变换角Θ的计算公式为， Θ = Θji Θij+ π ,其中Θ Ji代表节点i相对于节点j的方向角，Θ ij代表节点j相对于节点i的方向角 。
全文摘要
本发明公开了一种基于齐次坐标的无线自组织网络节点定位方法，该方法包括如下步骤无线自组织网络系统初始化，各节点查找相邻节点并测量邻节点的距离和角度信息；各节点构建本地平面直角坐标系，所有坐标系从上方看时总是符合右手法则；计算邻节点的本地坐标；相邻节点求解基于齐次坐标的坐标系变换矩阵，使得相对于一个本地坐标系的节点通过变换矩阵的转换可以计算出相对于另一个本地坐标系的坐标；选定全局坐标系原点，各节点通过坐标系变换矩阵的递归式传递，计算出全局物理坐标。本发明充分利用了无线节点自身的测距、侧角能力，在不适宜部署信标节点的无线自组织网络应用中，可以确定各未知节点物理位置。
文档编号H04W64/00GK102711241SQ20121017231
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者丁晓凤, 周劲, 张远, 贾忠田, 陈月辉, 韩春燕 申请人:济南大学