一种基于DV-Hop的免测距高精度定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线传感器网络技术领域，特别设及一种基于DV-Hop的免测距高精度 定位方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，它由 大量的静止或移动的传感器W自组织和多跳的方式构成的无线网络，W协作地感知、采集、 处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把运些信息发送给网络的所有 者。
[0003] 传感器节点的位置信息在无线传感器网络的诸多应用领域中扮演着十分重要的 角色。根据定位算法是否需要通过物理测量来获得节点之间的距离（角度)信息，可W把定 位算法分为基于测距的定位算法和非基于测距的定位算法两类。前者利用测量得到的距离 或角度信息来进行位置计算，例如基于信号传输时间的方法(time of arrival，T0A)、基于 信号传输时间差的方法（time difference of arrival，TD0A)、基于信号角度的方法 (angle of arrival,AOA)和基于信号接收强度的方法（received signal strength indicator，RSSI)。而后者一般利用节点的连通性和多跳路由信息交换等方法来估计节点 之间的距离或角度，并完成位置估计。基于测距的定位算法在硬件成本和功耗上受到一些 限制，而非基于测距的定位算法是一种低成本、高效率的定位方法。非基于测距的定位机制 性能受环境因素影响小，虽然定位的误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器 网络应用要求，是目前大家普遍关注的定位机制。常见的非基于测距的定位算法主要有质 屯、算法（Cenhoid Algorithm)、DV-Hop(Distance Vector-Hop)算法、近似S角形内点测试 (Approximate化int-In-Triangulation Test ,APIT)算法等。在信标点稀疏的情况下，非 测距方案中的DV-Hop算法是一种较好的解决方案。
[0004] DV-Hop算法是一种基于距离矢量路由的非测距定位算法。该算法中，未知节点利 用距离矢量路由测得与信标点间的最小跳数，求得该信标点的平均每跳距离，未知节点通 过计算所得信标点的平均每跳距离和到达该信标点的最小跳数的乘积，利用=边测量法或 最小二乘法来计算未知节点的位置坐标。
[0005] DV-Hop算法的流程可W分为W下S个阶段：
[0006] 第一阶段:获取信标点的位置信息W及距离信标点的最小跳数
[0007] 每个信标点向全网发送包括位置信息和跳数信息的广播数据包，跳数字段的初始 值为0。在一个信标点的通信半径内，当节点接收到该信标点的广播数据包时，此节点将数 据包中的跳数加1，然后记录该数据包中的信息，将该数据包继续广播出去。如节点收到多 个来自同一信标点的信息，该节点只保留跳数最小的信息组，通过运种方法记录自己到每 个信标点的最小跳数W及信标点的位置信息。
[000引第二阶段:估算未知节点到信标点的距离
[0009]根据在两个信标点间的欧氏距离和最小跳数，计算信标点的平均每跳距离。每个 信标点将计算得到的平均每跳距离广播到全网。每个未知节点收到各信标点的平均每跳距 离后，通过平均每跳距离和第一阶段得到的到各信标点的最小跳数的乘积来计算与各信标 点的近似距离。
[0010] 第=阶段:未知节点计算位置坐标
[0011] 未知节点得到与=个W上不同信标点的距离后，通过最小二乘法来计算未知节点 的位置坐标。
[0012] DV-Hop算法的缺点是定位精度较低，因此，需要对其改进来解决未知节点定位问 题。
[0013]本文针对无线传感器网络DV-Hop定位算法中计算未知节点到信标节点平均跳距 离值的不足而影响定位精度的问题，提出了一种新的改进算法，提供一种高精度的定位方 法。
【发明内容】
[0014] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种基于DV-化P的免测 距高精度定位方法，改善因估算平均每跳距离而造成的误差，能显著提高网络中未知节点 的定位精度。
[0015] 本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0016] 本发明包括W下步骤：
[0017] S1、获取信标点的位置信息W及距离信标点的最小跳数；
[001引S2、估算信标点的平均每跳距离；
[0019] S3、求误差因子；
[0020] S4、修正平均每跳距离；
[0021] S5、用修正后的平均每跳距离值计算未知节点位置坐标。
[0022] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0023] 采用的一种基于DV-化P的免测距高精度的定位方法，采用由信标点的估算坐标与 其实际坐标的误差的平方根来改进平均每跳距离，改善因估算平均每跳距离而造成的误 差，能显著提高网络中未知节点的定位精度。
【附图说明】
[0024] 图1是根据本发明一个实施例的方法流程示意图
[0025] 图2是根据本发明一个实施例的节点分布示意图。
[0026] 图3是根据本发明一个实施例的实施结果节点分布示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各 种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0028] 如图1所示，对基于DV-Hop的免测距高精度的定位方法进行实施，具体流程如下：
[0029] (1)设置8个无线传感器节点使其分布在150m*150m的平面区域，通信半径R为50m， 如图2的节点分布示意图所示，其中红色星形点表示信标点，黑点表示未知节点。
[0030] (2)获取信标点的位置信息W及距离信标点的最小跳数
[0031] 每个信标点向全网发送包括位置信息和跳数信息的广播数据包，跳数字段的初始 值为0。在一个信标点的通信半径内，当节点接收到该信标点的广播数据包时，此节点将数 据包中的跳数加1，然后记录该数据包中的信息，将该数据包继续广播出去。如节点收到多 个来自同一信标点的信息，该节点只保留跳数最小的信息组，通过运种方法记录自己到每 个信标点的最小跳数W及信标点的位置信息。
[0032] (3)估算信标点的平均每跳距离
[0033] 根据信标点i到其它信标点之间的欧氏距离和最小跳数，信标点i计算它到各信标 点的每跳距离及信标点i的平均每跳距离，所述平均每跳距离化opi,J表示如下：
(!)
[0035] 式中，di,j是信标点i和j的欧氏距离，hopi,j是信标点i和j之间的最小跳数。
[0036] (4)用平均每跳距离重新估算信标点的位置信息并求与实际位置的误差
[0037] a)设巧，夫?）是第i个信标点被当做未知节点时被重新估算的位置坐标，是 已知位置信息的第j个信标点的坐标，式;^是快J，,）与之间的距离，表示为：
[003引 主 Lj = hop.、卢舰Opj 《2)
[0039] b)用最小二乘法重新估算出信标点的位置信息巧J，,），并求误差化rori，表示为：
[0040] 左>尸巧=巧f"[(韦-户 + 巧一兴.)2 ] (3).
[0041 ] (5)修正平均每跳距离
[0042]用步骤(4)中得到的误差修正每个信标点的平均每跳距离值，得到修正后的平均 每跳距离(Mhopi，具体规则如下(设共a个信标点）：
(4) (5)
[0045] (6)计算未知节点位置坐标
[0046] 未知节点用修正后的平均每跳距离值得到与=个W上不同信标点的距离后，通过 最小二乘法来计算自己的位置坐标。最后结果如图3的分布所示，其中蓝色星形点表示估算 出的未知节点位置坐标。
[0047] 本发明从修正信标点的平均每跳距离值出发，采用由信标点的估算坐标与其实际 坐标的误差的平方根来改进平均每跳距离，改善因估算平均每跳距离而造成的误差，能显 著提高网络中未知节点的定位精度。
【主权项】
1. 一种基于DV-Hop的免测距高精度定位方法的室内定位方法，其特征在于包括： 51、 获取信标点的位置信息以及距离信标点的最小跳数； 52、 估算信标点的平均每跳距离； 53、 求误差因子； 54、 修正平均每跳距离； 55、 用修正后的平均每跳距离值计算未知节点位置坐标。2. 如权利要求1所述的基于DV-Hop的免测距高精度定位方法，其特征在于所述步骤S3 进一步包括:依次把每一个信标点当做未知节点，利用其它信标点信息，基于DV-Hop算法与 最小二乘法，求出信标点用平均每跳距离而估算出的位置，然后求出每个估算出的信标点 位置与其实际位置之间的误差。3. 如权利要求1所述的基于DV-Hop的免测距高精度定位方法，其特征在于所述步骤S4 进一步包括:对S3中求出的误差取平均值，得到一个误差因子;用S2中求出的平均每跳距离 加上误差因子的平方根，得到修正后的平均每跳距离值；4. 如权利要求1所述的基于DV-Hop的免测距高精度定位方法，其特征在于所述步骤S5 进一步包括:未知节点用修正后的平均每跳距离值得到与三个以上不同信标点的距离后， 通过最小二乘法来计算自己的位置坐标。
【专利摘要】针对无线传感器网络定位算法的精确度不足，本发明采用的一种基于改善平均每跳距离的改进算法。改进后的算法在原基础上引入由平均每跳距离估算出的信标点位置，用其与信标点实际位置求得的一个误差因子，来提高每跳距离的精度，以解决定位过程中造成的累积误差。仿真结果证明，改进后的算法显著的提高了未知节点的定位精度。
【IPC分类】H04W84/18, H04W4/04
【公开号】CN105554707
【申请号】CN201510498054
【发明人】舒畅, 邵琳惠, 戚燕雯, 桂林卿, 孟维新, 束锋
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年8月13日