一种基于正交投影检测无线传感网络节点翻转模糊的三维定位器的制造方法
【专利摘要】本发明设计了一种基于正交投影检测无线传感网络节点翻转模糊的三维定位器。利用正交投影方法，将无线传感网络三维节点定位的翻转模糊检测等价为在三维空间中寻找一条直线的问题，要求该直线满足任意两个参考节点的测距误差球在它上面的正交投影线段有重叠部分；将寻找这一直线的问题转化为一个角度计算问题，并利用坐标变换的方式求解，简化了计算过程。本发明采用多边定位方法进行三维节点的定位，定位中加入计算复杂度较低的基于正交投影的节点翻转模糊检测措施，不仅具有较好的检测效果和较低的计算复杂度，而且提高了节点定位精度。
【专利说明】一种基于正交投影检测无线传感网络节点翻转模糊的三维 定位器
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线传感器网络的节点定位领域。
【背景技术】
[0002] 无线传感网络（WirelessSensorNetworks,WSN)节点定位是当前的研究热点之 一。WSN的节点定位方法通常可以划分为基于测距和基于非测距的两种方法。其中基于测 距的方法，由于定位精度高在节点定位中被广泛采用。不过该方法存在从已知的数据所估 计位置信息的非唯一性问题，也就是在定位中将出现节点的翻转模糊问题。而且，基于测距 的定位方法在实际定位中，如果发生翻转模糊，就可能产生节点定位的雪崩效应，导致整个 网络节点的定位失效。因此，有必要采取一定的措施去检测节点翻转模糊是否会发生，从而 减小其对整个网络定位过程的影响。
[0003] 目前，针对无线传感网络节点定位中翻转模糊检测的研究都是集中在二维空间。 在二维空间中主要采用鲁棒四边形的方法来检测节点定位的翻转模糊问题。该类方法通过 判断未知节点和三个参考节点组成的一个四边形是否满足一定的几何条件，来确定未知节 点的定位不发生翻转模糊的鲁棒性。大多数鲁棒四边形方法只适用于采用三个参考节点的 三边定位。相对于三边定位方法，在二维空间中，使用多于三个参考节点的多边定位方法更 能得到较小的平均定位误差，因此在基于测距的无线传感网络的节点定位中，大多采用多 边定位方法。目前针对二维空间多边定位中节点翻转模糊问题的研究还是非常少，虽然有 些鲁棒四边形方法也能用于多边定位，但是其计算复杂度大，而且判断效果较差。而将翻转 模糊问题等价为判断是否存在一条直线和若干圆（以参考节点为圆心，以参考节点到未 知节点的测距误差绝对值的最大值为半径）都相交（ExistenceofIntersectingLine, EIL)问题，是目前在二维空间中判断效果较好的一种用于多边定位中节点翻转模糊的检测 方法。
[0004] 在我们之前，对无线传感网络节点三维定位的翻转模糊检测方法的研究还属空 白。我们首次提出了无线传感网络节点三维定位的翻转模糊检测问题可以等价为判断在三 维空间中是否存在一个平面和若干球（以参考节点为球心，以参考节点到未知节点的测距 误差绝对值的最大值为半径）都相交（ExistenceofIntersectingPlane，EIP)问题。为 了求解EIP问题，我们曾经提出了一种基于公切面的翻转模糊检测方法，但是该方法的计 算复杂度太高。
【发明内容】
[0005] 针对当前基于公切面的方法求解EIP问题计算复杂度太高的缺陷，本发明提供了 一种基于正交投影检测无线传感网络节点翻转模糊的三维定位器。此定位器中在三维定位 过程中加入了检测节点翻转模糊的措施，并利用正交投影的方法，将EIP问题等价为在三 维空间中寻找一条直线，使其满足任意两个参考节点的测距误差球在它上面的投影线段有 重叠。该方法能够降低检测节点翻转模糊的计算复杂度。本发明是通过以下技术方案实现 的：
[0006] 将寻找满足上述条件的直线问题转化为一个角度计算问题，并利用坐标变换的方 式求解。将翻转模糊检测加入到无线传感网络的节点三维定位过程中，最后用多边定位方 法对未知节点进行三维定位。
[0007] 具体实现过程如下：
[0008] 1.无线传感网络的节点三维定位中的翻转模糊问题描述
[0009] 节点三维定位的翻转模糊问题的发生指的是当参考节点间的位置几乎共面时，由 于测距误差的存在，导致未知节点的定位存在两个关于某一个平面成镜像关系的估计位 置。图2是节点三维定位的翻转模糊示意图，图中节点A、B、C和D是四个位置已知的参考
【权利要求】
1. 一种基于正交投影的无线传感网络节点翻转模糊的三维定位器，其特征在于：提出 了一种基于正交投影的无线传感网络节点三维定位翻转模糊检测方法，该方法将节点三维 定位中的翻转模糊检测等价为在三维空间中寻找一条直线问题，要求该直线满足任意两个 参考节点的测距误差球在它上面的投影线段有重叠； 根据权利要求1所述的无线传感网络的节点定位器，其特征在于：将节点三维定位翻 转模糊检测中寻找满足条件的直线问题等价为寻找直线的方向向量问题，并将其转化为一 个角度计算问题，然后利用坐标变换的方式简化了求解过程； 根据权利要求1及2所述无线传感网络的节点定位器，其特征在于：具体步骤如下： 步骤1 :在三维空间中寻找可定位的未知节点； 步骤2 :通过无线信道模型估计未知节点与参考节点之间的距离； 步骤3 :设定各参考节点的测距误差球的半径； 步骤4 :用基于正交投影方法检测未知节点的三维定位是否会发翻转模糊； 假设需要寻找的直线经过坐标原点，该直线在坐标平面^F和上的正交投影线Λ 和；与4由正方向的夹角分别为和A (〇彡〇，见）。
2. 首先用坐标变换的方法，使新坐标系的横坐标轴与所寻找的直线重合，并计算出各 参考节点在新坐标系中的坐标值，得到如下的一个不等式组：
上式中，（I，JV 4)和（4, Λ，4)分别是第仿个和第个参考节点在原始坐标系中的 坐标，rjP ^分别表示第?t和第个球的半径，々为参考节点的个数； 对该不等式组用粒子群方法求解，若其有解，则说明有满足条件的〃和，值，节点的 三维定位可能发生翻转模糊，进入步骤5;否则，节点的三维定位不会发生翻转模糊，进入 步骤6 ; 步骤5 :未知节点的三维定位可能会发生翻转模糊,不对其定位； 步骤6 :用多边定位方法对未知节点进行三维定位，求出其估计位置。
【文档编号】H04W64/00GK104519572SQ201410850627
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】董恩清, 刘伟, 宋洋 申请人:威海蓝海通信技术有限公司