一种基于分布式选举的移动锚点定位方法与流程

本发明涉及无线定位领域，特别是一种基于分布式选举的移动锚点定位方法。

背景技术：

由于障碍物遮挡等原因，全球定位系统GPS表现出了很大缺陷，特别是在室内环境中，其对移动用户的定位率和定位精度已经远远不能满足人们的需求。近年来，无线定位技术在诸如移动电子商务、紧急救援、工业、军事、无线传感器等领域的应用越来越广泛。在这些领域中，对移动中的用户进行定位是一个重要的应用。例如，在自然灾害发生时，受灾人员位置信息的不确定性给救援工作带来了很大的不便。因此若能通过一定的定位技术快速地确定受灾人员的位置信息能在最大限度上保障人民的生命财产安全。这对传统的定位技术提出了更高的要求，一方面对于移动中的用户只能通过无线定位的方式，然而无线定位的信号不稳定、易受环境干扰等性质导致传统定位方法定位效果较差。另一方面，在室内等环境中，传统GPS信号不可到达，固定锚点的信号也易受障碍物遮挡，导致传统定位方法定位率大大降低。

无线定位主要分为基于测距和非基于测距两种方法。由于非基于测距方法的定位精度较低，不能满足需要，因此基于测距的定位方法成为人们研究的重点。传统的基于测距的定位方法的主要过程是通过测量信号从移动用户到位置已知的固定锚点的信号到达时间(TOA)、信号到达时间差(TDOA)、信号到达角度(AOA)以及信号强度指示(RSSI)等信息得到移动用户和锚点之间的距离或角度信息，再通过三边定位法、最小二乘法等定位算法得到移动用户的位置信息。但是这种方法存在一些问题，一是当环境中锚节点较少时很难实现对用户的定位，例如障碍物遮挡了锚点的信号，移动用户无法同时获取3个以上锚点的信号则无法用传统定位方法定位；二是在室内环境中存在诸如多径效应，无线信号干扰等的影响使得定位精度较低。针对传统对移动用户进行定位的方法存在的种种弊端，一些研究提出了协作式定位方案，利用已经定位的移动用户的位置信息来对其它移动用户进行定位，即将一定出的移动用户作为“移动锚点”来定位其它移动用户。这种方法在移动程度上提高了用户的定位率，但是用户之间的大量通信造成大量无线信号之间的相互干扰，带来较大的通信代价。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种低成本、高定位率的基于分布式选举的移动锚点定位方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于分布式选举的移动锚点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)移动用户判断其能接收到的固定锚点的锚点信息数量，若大于三个，则根据其到固定锚点的距离进行定位并成为候选锚点，若否，则进入步骤2)；

2)移动用户通过分布式选举选出的周围的候选锚点作为移动锚点，获取至少三个锚点信息，计算其到移动锚点和/或固定锚点的距离进行定位。

优选的，所述的分布式选举具体如下

2.1)将时间槽T平均划分成q个小时间槽，采用哈希函数为周围的每个候选锚点划分一个小时间槽以发送锚点信号；

2.2)在时间槽T中的候选锚点依次发送信号，后续的候选锚点依次判断其到当前发送信号的候选锚点距离，若小于预设的阈值，则该后续的候选锚点和对应的小时间槽从时间槽T中删除；

2.3)时间槽T内剩下的候选锚点即为被选举出来的移动锚点，该移动锚点在自己的小时间槽内广播锚点信号。

优选的，所述锚点信号包括自身位置信息和时间戳信息。

所述移动用户到固定锚点或移动锚点的距离，通过下式得到

d_ij＝10^{(rssi-A)/(10*γ)}，

其中：d_ij为移动用户i和固定锚点或移动锚点j之间的距离，rssi为移动用户接收到的锚点信号强度，A为距离固定锚点或移动锚点1米处的信号强度，γ为路径损耗指数。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.定位概率高：本发明利用选举出来的已定位用户作为移动锚点，增加其它移动用户的定位参考信息，大大提高其定位率。

2.通信量少：本申请将选举出的已定位用户作为移动锚点，避免了使用所有已定位用户作为移动锚点而引起的网络通信量较大的问题。

附图说明

图1为移动无线定位示意图；

图2为通过哈希函数为已定位用户分配时间槽示意图；

图3选举移动锚点示意图；

图4为定位率示意图；

图5为网络通信量对比图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种基于分布式选举的移动锚点定位方法，假设环境区域内有少量位置已知的固定锚节点、位置未知的移动用户、候选锚点，该后续锚点为已知未知的移动用户。该位置未知的移动用户可采用如下方法实现定位：

1)移动用户判断其能接收到的固定锚点的锚点信息数量，若大于三个，则通过接收到的锚点的信号强度(RSSI)，结合公式1：d_ij＝10^{(rssi-A)/(10*γ)}，d_ij为移动用户i和固定锚点或移动锚点j之间的距离，rssi为移动用户接收到的锚点信号强度，A为距离固定锚点或移动锚点1米处的信号强度，γ为路径损耗指数，计算其到固定锚点的距离进行定位，并成为候选锚点，若否，则进入步骤2)；

2)移动用户通过分布式选举选出的周围的候选锚点作为移动锚点，获取至少三个锚点信息(包括来自固定锚点和移动锚点的锚点信息，或全部来自于移动锚点的锚点信息)，根据公式1：d_ij＝10^{(rssi-A)/(10*γ)}，计算其到移动锚点和固定锚点的距离进行定位。该分布式选举具体操作如下：

2.1)将时间槽T平均划分成q个小时间槽，采用哈希函数为周围的每个候选锚点划分一个小时间槽以发送锚点信号，即先对已定位的移动用户进行标号，然后通过一个哈希函数将这些标号对应的移动用户随机映射到各个小时间槽中。该锚点信号包括自身位置信息和时间戳信息。

2.2)在时间槽T中的候选锚点依次发送信号，后续的候选锚点依次判断其到当前发送信号的候选锚点距离，若小于预设的阈值，则该后续的候选锚点对应的小时间槽从时间槽T中删除。

2.3)时间槽T内剩下的候选锚点即为被选举出来的移动锚点，该移动锚点在自己的小时间槽内广播锚点信号。

如图1所示，U₁到U₃为移动用户，A₁，A₂，A₃和A₄为固定锚点。且对于U₂，其可以与锚点A₁，A₂，A₃和A₄通信，进而根据公式1求得其与这些锚点之间的距离，进一步求得U₂的位置。而对于U₁和U₃，其分别只能与锚点A₁，A₂和A₃，A₄直接通信。采用本发明的方法，通过利用已经定位出的U₂充当U₁和U₃的移动锚点，这样就能大大增加它们的可参考锚点数量，提高其定位率。图2是为每个已定位的移动用户通过哈希函数分配一个小时间槽的示意图。现有的移动用户的微处理器的信号处理速度大约为10MHZ以上，即每秒钟能进行10⁷次运算。无线收发芯片的工作频率保持在1GHZ以上，信号传播速度为3*10⁸m/s，则信号传播100m的时间为0.3*10^-6s。选取0.1s作为时间槽T，移动用户的移动速度选取1.5m/s，则其在这段时间内移动的距离为0.15m，其在误差的允许范围之内。移动用户在每一个小时间槽内要完成发射信号，信号传播，其它用户接收信号和进行判断处理四个操作，假设每个过程要进行10000次运算，一个用户所需要的小时间槽的时间小于：10⁴*10^-9(发射信号时间)+0.3*10^-6(信号传播时间)+10⁴*10^-9(接收信号时间)+10⁴*10^-7(判断处理时间)≈10^-3s，则一共可以划分100个时间槽。

图3是选举移动锚点的示意图，假设已定位的移动用户在T中的顺序为：U₂，U₄，U₅，U₉，U₁，U₆，U₃，U₇，和U₈。首先U₂先广播一个信号，在T中的后续用户根据接收信号强度判断他们之间的距离，且和U₂的距离小于阈值d的用户U₅，U₁和U₃所对应的小时间槽从T中移除，同时U₅，U₁和U₃不再是候选锚点。然后，U₄广播信号，U₇对应的小时间槽从T中移除且U₇不再是候选锚点。U₉广播信号，移除U₈对应的小时间槽。则最终被选为移动锚点的已定位用户有：U₂，U₄，U₉和U₆。通过这个过程我们可以看出被选举为移动锚点的已定位用户减少，其在一定程度上能够降低用户之间的通信量，减少无线信号之间的干扰。

本发明利用选举出来的已定位用户作为移动锚点，增加其它用户的定位参考信息，大大提高其定位率。通过对其进行仿真得出的定位率结果如图4所示，其中LEMA(Localization based on Elected Mobile Anchors)为本发明提出的方法，LFA(Localization based on Fixed Anchors)为传统的基于固定锚点的方法，R为通信半径。通过结果可以看出，本发明方法定位率提高了30％～50％。避免了使用所有已定位用户作为移动锚点而引起的网络通信量较大的问题。如图5所示是网络通信量结果图，其中LLMA(Localization based on Localized Mobile Anchors)是将所有已定位用户作为移动锚点的方法。通过结果可以看出本发明方法的通信量相对于传统基于固定锚点的方法只有少量的增加，而相对于LLMA通信量减少了40％～65％。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。