基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，包括：步骤1，部署传感器节点，获取所有未知节点的位置坐标和到达角偏角值的初始估计，所有传感器节点开启定时器，传感器节点包括锚节点和未知节点；步骤2，所有传感器节点进行首次通信，获取所有锚节点的实际偏角值和实际坐标值，计算传感器节点与邻居节点间的归一化向量和偏角差值；步骤3，利用归一化向量和传感器节点间的偏角差值，运行迭代定位算法，直至到达定位器中设定的执行时间，迭代定位算法结束后向汇聚节点输出计算得到的偏角估计值和坐标估计值，完成定位。本发明的有益效果在于，定位算法的收敛快，迭代次数较小的情况下坐标估计误差就能达到接近零。
【专利说明】基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感器领域，尤其涉及一种基于对称到达角信息的分布式无线传 感器网络节点定位方法。
【背景技术】
[0002] 在大规模无线传感器网络应用中，位置信息在解析传感器数据，改善路由性能以 及目标跟踪等功能上起到关键作用。然而，受成本、功耗等问题的制约，网络中只有少数节 点能配置如GPS接收器等定位装置。因此，研究低成本、高效的传感器网络定位算法具有重 大的意义。
[0003] 现有的传感器网络定位算法大致可分为两类，分别是集中式定位算法和分布式定 位算法。集中式定位算法，一般要求特定节点能通过测量或网络通信获取整个网络的节点 信息，执行效率和运行成本较高。另一方面，使用分布式定位算法，节点只需与邻近节点进 行测量和通信，就能通过一定的计算方法得出自己坐标的估计值，并能保证较高的准确率。 因此，分布式定位算法能够大幅减少网络资源占用，充分使用本地计算资源，所以一直是无 线传感器网络自身定位领域中的研究热点。
[0004] 在现有的无线传感器网络分布式定位算法中，除去少数精度较低的、无需传感器 测量数据的定位算法，大部分都是使用测距信息进行定位。由于传感器成本较高等原因，相 对于测距定位，使用到达角测量数据的分布式定位算法非常稀少。然而，使用声学传感器测 量到达角等技术的出现，大幅降低了获取到达角信息的成本，并将有力地推动该类定位算 法的发展。因此，研究基于到达角信息的分布式定位算法，对填补无线传感器网络自定位领 域的空白和推动自定位技术发展具有重大意义。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的空缺，本发明目的在于提供一种基于对称到达角信息的分布式无 线传感器网络节点定位方法，能有效降低网络的通信量，优化计算资源的使用，而且收敛速 度较快，在无测量误差的前提下能实现指数收敛。
[0006] -种基于对称到达角信息的分布式无线传感器有线网络节点定位方法，包括如下 步骤：
[0007] 步骤1，部署传感器节点，获取每一未知节点位置坐标值的初始估计和到达角的偏 角值的初始估计，所有传感器节点开启定时器，传感器节点包括锚节点集合和未知节点集 合；
[0008] 步骤2,所有传感器节点进行首次通信，获取所有锚节点的实际偏角值和实际坐标 值，计算未知节点与邻居节点间连接边的归一化向量和节点间的偏角差值；
[0009] 步骤3,利用归一化向量和传感器节点间的偏角差值，各个未知节点运行迭代定位 算法，直至到达定时器中设定的执行时间，迭代定位算法结束后各个未知节点向汇聚节点 输出计算所得自身的偏角估计值和坐标估计值，完成定位。
[0010] 步骤1中，每个未知节点对自身的到达角测量传感器的偏角值和位置坐标值做初 始估计，其到达角测量传感器偏角估计值、位置坐标估计值都随机生成。
[0011] 步骤1中，测量到达角的测量传感器所采用的测量坐标系经过设置，使得测量坐 标系与全局坐标系间的未知偏角在0度至180度之间。
[0012] 通过将未知偏角设置在0度至180度，保证定位算法能实现指数收敛。
[0013] 步骤1中，锚节点数目大于或等于2,且每个锚节点至少跟另一个锚节点进行通信 以及进行到达角测量。
[0014] 在步骤2中，传感器节点间进行无线通信的半径与到达角测量传感器的测量半径 一致，传感器节点间的通信为双向通信，且传感器节点所形成的网络拓扑图具有刚性性质。
[0015] 各个节点通过双向通信向邻居节点发送自身的全局位置坐标值以及对邻居节点 的到达角，并从每个邻居节点获取该邻居节点的位置坐标值以及该邻居节点对当前节点的 到达角；无线通信的半径与到达角测量传感器的测量半径一致，使得节点能从邻居节点获 取数据包的同时测量邻居节点的到达角；网络拓扑图具有刚性性质，以保证算法的收敛性。
[0016] 步骤2的具体步骤如下：
[0017] 步骤2-1，所有传感器节点进行首次无线通信，获取各个传感器节点的邻居节点集 合，每一传感器节点在本地坐标系下测得邻居节点的到达角，锚节点额外获取自身在全局 坐标系下的位置坐标；
[0018] 步骤2-2,每个锚节点向各个邻居锚节点传输自身的全局位置坐标以及在本地坐 标系下该邻居锚节点的到达角，并通过无线通信获取各个邻居锚节点的全局位置坐标值以 及该邻居锚节点的本地坐标系下当前锚节点的到达角，从而计算出当前锚节点的到达角测 量传感器的偏角值，并将偏角值和全局坐标传输给所有邻居节点。
[0019] 步骤2-3,对于每一未知节点，向邻居节点发送自身所测得的邻居节点的到达角， 计算未知节点与邻居节点之间连接边的归一化向量和节点间的偏角差值。
[0020] 注意到锚节点的全局坐标可以通过GPS或人工测量获得，但由于设备的方向摆放 的随机性，其到达角测量传感器的本地坐标系和全局坐标系仍存在未知偏角。
[0021] 邻居锚节点表示邻居节点中同时为锚节点的传感器节点。在步骤2-1中，锚节点 通过自带的GPS装置或人工测量获取自身在全局坐标系下的位置坐标值。
[0022] 步骤2-2中，当前锚节点i通过使用邻居锚节点j的全局位置坐标值，计算其到达 角测量传感器的实际偏角值，计算公式如下：
[0023] Θ i = Z (Pj-Pi) - δ jj, i, j e A and j e N j
[0024] 其中，Pi为当前锚节点i的全局位置坐标值，为邻居锚节点j的全局位置坐标 值，S u为当前锚节点i测得的邻居锚节点j的到达角，A表示锚节点集合，队表示当前锚 节点i的邻居节点集合。
[0025] 其中任意传感器节点的本地坐标系是以当前传感器节点为原点建立的坐标系，全 局坐标系是则是在整个传感器网络中选取原点建立的坐标系，所有传感器节点共用该坐标 系。本发明中的全局位置坐标值即是指实际坐标值。
[0026] 步骤2-2中，当前锚节点i的到达角测量传感器的实际偏角值Θ i的计算公式如 下：
[0027]
【权利要求】
1. 一种基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，包 括如下步骤： 步骤1，部署传感器节点，获取每一未知节点位置坐标值的初始估计和到达角的偏角值 的初始估计，所有传感器节点开启定时器，传感器节点包括锚节点集合和未知节点集合； 步骤2,所有传感器节点进行首次通信，获取所有锚节点的实际偏角值和实际坐标值， 计算未知节点与邻居节点间连接边的归一化向量和偏角差值； 步骤3,利用归一化向量和传感器节点间的偏角差值，各个未知节点运行迭代定位算 法，直至到达定时器中设定的执行时间，迭代定位算法结束后各个未知节点向汇聚节点输 出计算所得自身的偏角估计值和坐标估计值，完成定位。
2. 如权利要求1所述基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，其 特征在于，步骤1中，测量到达角的测量传感器所采用的测量坐标系经过设置，使得测量坐 标系与全局坐标系间的未知偏角在0度至180度之间。
3. 如权利要求1所述基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，其 特征在于，步骤1中，锚节点数目大于或等于2,且每个锚节点至少跟另一个锚节点进行通 信以及进行到达角测量。
4. 如权利要求1所述基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，其 特征在于，在步骤2中，传感器节点间进行无线通信的半径与到达角测量传感器的测量半 径一致，传感器节点间的通信为双向通信，且传感器节点所形成的网络拓扑图具有刚性性 质。
5. 如权利要求1所述基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，其 特征在于，步骤2的具体步骤如下： 步骤2-1，所有传感器节点进行首次无线通信，获取各个传感器节点的邻居节点列表， 每一传感器节点在本地坐标系下测得邻居节点的到达角，锚节点额外获取自身在全局坐标 系下的全局位置坐标值； 步骤2-2,每个锚节点向各个邻居锚节点传输自身的全局位置坐标以及在本地坐标系 下该邻居锚节点的到达角，并通过无线通信获取各个邻居锚节点的全局位置坐标值以及该 邻居锚节点的本地坐标系下当前锚节点的到达角，从而计算出当前锚节点到达角测量传感 器的偏角值，并将偏角值和全局位置坐标值传输给所有邻居节点； 步骤2-3,对于每一未知节点，向邻居节点发送自身所测得的邻居节点的到达角，计算 未知节点与邻居节点之间连接边的归一化向量和节点间的偏角差值。
6. 如权利要求5所述基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，其 特征在于，步骤2-2中，当前锚节点i通过使用邻居锚节点j的全局位置坐标值，计算其到 达角测量传感器的实际偏角值，计算公式如下： Θ i = Z (Pj-Pi) - δ Jj, i, j e A and j e N j 其中，Pi为当前锚节点i的全局位置坐标值，Pj为邻居锚节点j的全局位置坐标值，S u 为当前锚节点i测得的邻居锚节点j的到达角，A表示锚节点集合，队表示当前锚节点i的 邻居节点集合。
7. 如权利要求5所述基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，其 特征在于，步骤2-2中，当前锚节点i的到达角测量传感器的实际偏角值Θ i的计算公式如 下：
其中，Pi为当前锚节点i的全局位置坐标值，Pj为邻居锚节点j的全局位置坐标值，s ij 为当前锚节点i测得的邻居锚节点j的到达角，A表示锚节点集合，队表示当前锚节点i的 邻居节点集合，|Ni n AI表示当前锚节点i的邻居锚节点的数量。
8. 如权利要求6或7所述基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方 法，其特征在于，步骤2-3中，当前锚节点i与邻居节点j之间连接边的归一化向量及偏 角差值θ u的计算公式如下： 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为未知节点集合，对于任意角Θ，PV( Θ )定义为PV( Θ ) = [ ( Θ + ji ) mod2 π ] - ji 0
9. 如权利要求8所述基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，其 特征在于，步骤3的具体步骤如下： 步骤3-1，每一未知节点i通过无线通信向所有邻居节点j e Ni传输自身的位置估计 值兵(X)和偏角估计值，并从任意邻居节点j e \都获取其位置估计值&(幻:和偏 角估计值&(々），并结合在步骤2中已收到的连接边的归一化向量eij以及偏角差值，通 过下式得到第k+Ι次迭代中自身的偏角估计值：
i&F 上式中，若邻居节点j e A，则其偏角估计值恒等于步骤2-2中计算所得的实际偏角值， 用公式表不为4 (々）Ξ $ ; 步骤3-2,对于未知节点i，通过所得的连接边归一化向量以及自身的偏角估计值，计 算如下矩阵：
其中，k表示第k次迭代，为在第k次迭代中当前未知节点i对自身的偏角估计 值，7?($.(々)）表示旋转矩阵，对于任意角Θ，定义为：R( Θ ) = [cos( Θ )-sin( Θ ) ;sin( Θ ) cos ( Θ)]; 进一步，得到第k+1次迭代中自身的坐标估计值：
上式中，若邻居节点j e A，则其坐标估计值恒等于步骤2-2中所获取的实际坐标值，用 公式表示为#/(幻三户|;其中(幻为当前未知节点i对自身的坐标估计值逆时针旋转 九十度，/〕/(々）为邻居节点j对自身的坐标估计值逆时针旋转九十度； 步骤3-3,对于未知节点i，如该未知节点i的定时器未到达，则重复步骤3-1至3-2,直 至定时器达到执行时间，并在结束定位算法时向汇聚节点输出当前的偏角估计值和 坐标估计值/〕,(々）,完成定位。
【文档编号】H04W64/00GK104066176SQ201410299500
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】林志赟, 钟钜斌, 颜钢锋 申请人:浙江大学