专利名称：一种基于球壳交集的无线传感器网络三维定位方法
技术领域：
本发明提出一种基于球壳交集的无线传感器网络三维定位方法，涉及无线传感器网络应用技术领域。
背景技术：
无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，它通过传感器节点以无线通信的方式协作地感知、采集、处理监控区域中感知对象的信息，进而完成对目标区域的监控。在很多传感器网络中，节点数目成千上万，通常大量随机部署在监控区域内，例如在森林火灾预警、水下环境监测、沙漠平原监测等许多应用中，常常通过飞行器抛撒节点，节点的位置都是随机并且未知的，然而节点发回的如温度、 酸碱度、水位、压力、风速等物理信息数据必须和位置信息相捆绑才有意义；在军事战术通信网中，甚至有时需要传感器发回单纯的位置信息，作为战术指挥的关键依据。因此传感器网络节点的定位技术是进行其他相关应用的基础和前提，对各项监测活动有着极其重要的作用。目前对无线传感器网络定位技术的研究主要集中在二维平面空间，节点的定位坐标只有X轴和Y轴两个维度，而在实际应用中，常常需要测量节点的三维坐标，例如在森林山区等环境监测中，节点之间会有一定的高度差，此时如果仍采用二维定位算法，节点的位置信息会有较大的误差。尤其在进行水下监测时，更加需要测量节点的高度位置，因此针对三维空间的传感器网络定位算法的研究非常重要。GPS全球定位系统能够实现三维空间的定位，但是其能耗大、体积大、成本高，如果为无线传感器网络中的每个节点都配备GPS系统，则与传感器网络低能耗、低成本的要求相违背，因此在传感器网络中需要利用位置已知的锚节点，采用一定的定位机制来实现未知节点的定位。例如针对三维空间的定位问题，有文献提出利用装有GPS的固定锚节点发送不同强度的信号，未知节点据此估算自身可能所在的球壳的区域。这样由多个固定锚节点可以确定出一个球壳交集，该交集的中心即为未知节点所在位置。但是该方法需要在监测区域中放置较多的固定锚节点，成本较高，此外如果锚节点分布不均勻则会对未知节点位置的确定造成较大的影响。还有文献提出只利用一个可自由移动的锚节点即可对整个网络中的未知节点进行定位，前提是假设移动锚节点随时知道自己的坐标，能量没有限制，移动路线随机，所有节点的信息传输距离已知。其工作原理如下移动锚节点在移动过程中不停广播自身的位置信息，在穿过未知节点的球形通信区域后，未知节点记录下首次和末次侦听到的移动锚节点的位置信息并作为两个定位点，近似认为这两个定位点位于以未知节点为球心，信息传输距离为半径的球形通信边界上。当记录到四个定位点后，利用一定的几何方法计算出未知节点的位置坐标。但是由于移动锚节点是定时周期性广播位置消息的， 探测到的定位点不一定正好位于未知节点的球形通信边界上，因此会给最终位置的确定带来一定的误差。更重要的是在实际环境中，由于无线信号不规则衰减，节点的通信半径不定，此时若认为定位点仍位于未知节点理想的通信边界上会造成更大的误差。
由于现有技术存在上述缺陷，需要一种更有效的无线传感器网络三维定位机制来满足实际应用的需求，减少由于移动节点信息发送间隔和无线信号不规则衰减造成的误差，实现高精度、低干扰的定位技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用移动锚节点广播位置信息，通过定位点球壳交集区域计算未知节点位置的无线传感器网络三维定位方法，减小在三维空间中由于移动锚节点信息发送间隔和在实际环境中无线信号不规则衰减造成的定位误差。所述定位机制包括以下步骤步骤1 在监测区域内布置无线传感器节点，装配有GPS的移动锚节点在所述指定区域内按照预设的移动速度V随机直线移动，所有节点的通信距离为R。步骤2 在移动过程中，移动锚节点按照预设的周期T广播自身的实时位置信息， 未知节点处于接收信息的状态。步骤3 当移动锚节点穿过未知节点的球形通信区域后，未知节点记录下首次和末次侦听到的移动锚节点的位置信息，记作两个定位点。步骤4 当未知节点记录到4个定位点后，停止对移动锚节点的侦听，判断这4个定位点是否共面。如果这4个定位点共面，则执行步骤5 ；否则执行步骤6。步骤5 未知节点随机删除一个定位点，继续侦听移动锚节点的位置信息，记录下首次侦听到的位置信息，记作定位点。跳至步骤4。步骤6 分别以这4个不共面的定位点为球心，做半径为R和R-VT的两个球，共形成4个球壳。步骤7 求出这4个球壳的交集区域，计算该区域中心的位置坐标，把该坐标记作未知节点的位置。步骤8:当移动锚节点预设的定位时间结束后，移动锚节点停止广播位置信息，整个定位过程结束。上述步骤1中，所述移动锚节点的移动路径是首先移动锚节点在定位区域内随机选取一个点，然后直线移动过去。到达该点后再次在定位区域内随机选取一个点，直线移动过去，直到预定的定位时间结束。上述步骤3中，未知节点需要记录首次和末次侦听到的移动节点的位置信息，所述移动锚节点发送的位置信息包含一个时间戳。当未知节点收到移动锚节点发送的位置信息后，比较距前一次收到的位置信息的时间间隔。如果是第一次收到移动锚节点发送的位置信息或者距前一次收到的位置信息的时间大于T，则把当前收到的位置信息记作首次侦听到的位置信息；否则不进行记录。如果未知节点收到的位置信息的时间距前一次收到的位置信息的时间为T，且在随后的时间T内没有收到移动锚节点发送的位置信息，则把当前收到的位置信息记作末次侦听到的位置信息；否则不进行记录。与现有技术相比，本发明的优点在于减少了在基于移动锚节点的三维空间定位中由于移动锚节点的信息发送间隔可能带来的误差，尤其减少了在实际应用中，由于无线信号不规则衰减可能导致的误差，提高了无线传感器网络在三维空间中的平均定位精度。
图1是本发明实施例中一种基于球壳交集的无线传感器网络三维定位方法的流程图；图2是本发明实施例中未知节点确定定位点后所做球壳的示意简图；
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。如图1，本发明提供的无线传感器网络三维定位方法始于在监测区域内布置无线传感器节点，所有节点的通信距离为R。然后装配有GPS的移动锚节点在指定监测区域内按照预设的移动速度V随机直线移动，在移动过程中移动锚节点按照预设的周期T广播自身的实时位置信息。移动锚节点穿过未知节点的球形通信区域后，未知节点记录下首次和末次侦听到的移动锚节点的位置信息，记作两个定位点。当未知节点记录到4个定位点后，停止对移动锚节点的侦听，判断这4个定位点是否共面，如果这4个定位点共面，则随机删除一个定位点，继续侦听移动锚节点广播的位置信息，直到记录到4个不共面的定位点为止。 然后分别以这4个不共面的定位点为球心，做半径为R和R-VT的球壳，未知节点求出这4 个球壳的交集区域，计算该区域中心的位置坐标，把该坐标记作该未知节点的位置坐标。图2是本发明的未知节点在确定定位点后所做球壳的示意简图。当移动锚节点穿过以未知节点N为球心，通信距离R为半径的球形通信区域后，未知节点记录下定位点A，以定位点A为球心，做半径为R和R-VT的两个球，则未知节点位于该球壳内。为了精确未知节点的位置，至少要获得4个不共面的定位点A、B、C、D，分别以这4个定位点为球心，做半径为R和R-VT的球壳，则未知节点位于这些球壳的交集区域。本发明通过计算未知节点可能所在球壳的交集，把交集区域中心的坐标作为未知节点的位置坐标，减小了在基于移动锚节点的无线传感器网络三维空间定位中由于移动锚节点的信息发送间隔和无线信号不规则衰减可能带来的误差，从而有效的提高了无线传感器网络三维空间定位在实际应用中的平均定位精度。以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式
，并不用以限制本发明，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种基于球壳交集的无线传感器网络三维定位方法，其特征是移动锚节点发送的信息中还包含当前的时间，如果未知节点收到的位置信息的时间距前一次收到的位置信息的时间为T，且在随后的时间T内没有收到移动锚节点发送的位置信息，则把当前收到的位置信息记作末次侦听到的位置信息。其中T表示移动锚节点广播信息的时间间隔。
2.一种基于球壳交集的无线传感器网络三维定位方法，其特征是当未知节点记录到四个定位点后，如果这四个定位点共面，则随机删除一个定位点，未知节点继续侦听移动锚节点的位置信息，只记录首次侦听到的位置信息并记作定位点。
3.一种基于球壳交集的无线传感器网络三维定位方法，其特征是当未知节点记录到四个不共面的定位点后，分别以这四个定位点为球心，做半径为R和R-VT的两个球。然后求出这四个球壳的交集区域，计算该区域中心的位置坐标，把该坐标记作未知节点的位置坐标。 其中R表示未知节点的通信距离，V表示移动锚节点的移动速度，T表示移动锚节点广播消息的时间间隔。
全文摘要
本发明公开了一种基于球壳交集的无线传感器网络三维定位方法，属于无线传感器网络应用技术领域。该方法利用一个装配有GPS的可以自由移动的锚节点在节点分布区域内移动，未知节点侦听到移动锚节点广播的定位点后，以定位点为球心做未知节点可能所在的球壳，通过计算这些球壳的交集区域，估算未知节点的位置，减小了在采用移动锚节点的无线传感器网络三维空间定位中由于移动锚节点的信息发送间隔可能带来的误差，同时可以改善实际应用中由于无线信号不规则衰减造成的误差，从而可有效提高在真实环境下无线传感器网络三维空间节点定位的平均精度。
文档编号H04W84/18GK102170695SQ20111005751
公开日2011年8月31日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者孙咏梅, 王照宇, 纪越峰 申请人:北京邮电大学