基于质心迭代估计的节点定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了基于质心迭代估计的节点定位方法，属于无线传感网络的技术领 域。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是物联网的基本组成部分，其利用多个传感器节点通过自组织的 方式构成无线网络，是物联网用来感知、识别以及处理网络覆盖区域中被监测对象的信息 生产和采集系统。随着传感器技术、嵌入式计算技术、计算机网络技术和无线通信技术等的 不断发展，无线传感器网络技术也逐渐走向成熟，并在军事侦察、环境监测、目标跟踪、医疗 护理等诸多领域的应用不断普及。
[0003] 无线传感器网络节点定位是指未知节点基于网络中位置已知的邻近信标节点，通 过有限的通信对于自身在系统中位置的估计。传感器节点自身的准确定位是实现对所监测 对象进行定位、跟踪等应用的前提，是无线传感器网络研究的基础性问题和热点问题之一。 现有的无线传感器网络节点定位方法基本可以分为两类：基于测距的定位方法和基于非测 距的定位方法。基于测距的定位方法通过未知节点与邻近信标节点间的通信具体计算两者 之间距离或者方位，并基于此实现节点自身定位。该类方法对于未知节点与邻近信标节点 间的距离或者角度进行精确的计算，往往具有较高的定位精度，但定位过程中对于节点能 量消耗较大，对网络的硬件设备要求较高，大大增加了网络的计算量和通信开销。基于非测 距的定位方法并不具体计算未知节点与邻近信标节点间的距离或者方位，而是利用网络连 通性、节点间跳数等信息实现节点自身定位。该类方法相比较于基于测距的定位方法，其定 位精度相对较低，但是由于不需要精确计算未知节点与邻近信标节点间的距离或者角度， 因而可以显著降低定位过程中对于节点能量的消耗，降低对网络的硬件设备要求，减少网 络的计算量和通信开销，在实际应用中受到越来越多的关注。
[0004] 质心定位方法、近似三角形内点测试（Approximate point-in-triangulation test，简称APIT)定位方法和凸规划定位方法均是利用网络邻近节点间的连通性将未 知节点位置先确定在某一个区域内，然后将该区域的质心作为该节点的估测坐标。质 心定位方法如文献〈GPS-less Low Cost Outdoor Localization for Very Small Devices>(Ninipama Bulusu, John Heidemann, Deborah Farm, 2000)中公开的技术。APIT 方法如文南犬〈An Improved APIT Node Self-localization Algorithm in WSN> (Yong Zhou,Xin Ao, Shixiong Xia, 2008. 2)、〈A Localization Algorithm for WSN Based on Characteristics of Power Attenuation)(Feng Yu, Qin Wang, Xiaotong Zhang, Chong Li,2008.3)、〈Improvement on APIT Localization Algrithms for Wireless Sensor Networks〉(Jizeng Wang, Hongxu Jin, 2009)中公开的技术。凸规划定位方法如文献 〈Convex Position Estimation in Wireless Sensor Networks)(Lance Doherty, Laurent EL Ghaoui，Kristofer S. J.Pister，2001)。其中，质心定位方法实现最简单，定位精度也相 对最低。APIT方法和凸规划定位方法则是基于质心定位方法的定位原理，采用不同方法缩 小未知节点的所处区域，以此提高定位精度。可见，未知节点的所处区域越小，定位精度也 就越尚。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了基于质心迭代估 计的节点定位方法，通过未知节点与初始连通节点所围区域的位置关系确定迭代终止条件 并经多次迭代定位无线传感器网络节点，解决了基于非测距定位方法定位精度较低的技术 问题。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 基于质心迭代估计的节点定位方法，包括如下步骤：
[0008]A、获取与未知节点连通的信标节点的坐标以及信标节点与未知节点之间的 RSSI；
[0009]B、由未知节点与任意三信标节点围成的三角形的位置关系确定迭代终止条件；
[0010] C、计算与未知节点连通的各信标节点所围区域的当前质心坐标以及未知节点与 当前质心之间的RSSI;
[0011] D、在满足迭代终止条件时以当前质心坐标为定位结果，在不满足迭代终止条件时 以当前质心替代与未知节点之间RSSI最弱的信标节点并返回步骤C开始下一次迭代。
[0012] 进一步的，所述基于质心迭代估计的节点定位方法的步骤B中确定迭代终止条件 的方法为：遍历任意三信标节点围成的三角形，当未知节点在某一三角形内部时记录该三 角形端点的坐标并由表达式<6.确定迭代终止条件；当未知节点在所有三角形外部时 由表达式确定迭代终止条件，其中，分别为未知节点与第η次、第n-1 次迭代质心的距离，ε 当未知节点位于初始信标节点所围成区域内部时设定的距离阈 值，ε2为当未知节点位于初始信标节点所围成区域外部时设定的距离阈值。
[0013] 进一步的，所述基于质心迭代估计的节点定位方法，由RSSI与距离存在的-- 映射关系优化迭代终止条件：当未知节点在某一三角形内部时记录该三角形端点的坐 标并由表达式：A确定迭代终止条件，当未知节点在所有三角形外部时由表达式： 4 确定迭代终止条件，其中，％、分别为未知节点接收第η次、第n-1次迭 代质心的RSSI，ε/为当未知节点位于初始信标节点所围成区域内部时设定的能量阈值，ε2'为当未知节点位于初始信标节点所围成区域外部时设定的能量阈值。
[0014] 再进一步的，所述基于质心迭代估计的节点定位方法步骤C中未知节点与当前质 心之间的RSSI由表达式
1计算，其中，l|.为未知节点与 当前质心之间的RSSI，Pk为未知节点与当前第k连通信标节点之间的RSSI，N为连通信标 节点数目，Μ为常参数，最佳范围为3. 24~4. 5,牝为连通信标节点Si与连通信标节点S。 间的距离，A= -101og1(]Praf，Praf为与未知节点距离lm处的信号强度。
[0015]更进一步的，所述基于质心迭代估计的节点定位方法的步骤D中在不满足迭代终 止条件时以当前质心替代与未知节点之间RSSI最弱的信标节点的方法为：
[0016] D1、选取当前与未知节点之间RSSI最弱的信标节点，
[0017] D2、在与未知节点之间RSSI最弱的信标节点是记录了端点坐标的三角形任一端 点时，利用APIT方法判定未知节点和当前迭代质心与三角形另外两端点组成的新三角形 之间的位置关系，在未知节点位于新三角形外部时去除当前与未知节点之间RSSI最弱的 信标节点并返回步骤D1，在未知节点位于任一新三角形内部时转入步骤D3，
[0018] 在与未知节点之间RSSI最弱的信标节点不是记录了端点坐标的三角形任一端点 时转入步骤D3 ;
[0019] D3、用当前迭代质心替代与未知节点之间RSSI最弱的信标节点。
[0020] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0021] (1)由未知节点与连通节点组成的三角形区域的位置关系设定迭代终止条件，在 迭代终止条件的约束下寻找可被质心替代的与未知节点之间RSSI最弱信标节点，从而缩 小未知节点的所处区域，采用多次迭代提高节点定位精度；
[0022] (