[發明專利]基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網絡節點定位方法

有效

• 申請號: 201410299500.X
• 申請日: 2014-06-27
• 公開（公告）號: CN104066176B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 林志赟;鐘鉅斌;顏鋼鋒
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及無線傳感器領域，尤其涉及一種基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網絡節點定位方法。

背景技術

在大規模無線傳感器網絡應用中，位置信息在解析傳感器數據，改善路由性能以及目標跟蹤等功能上起到關鍵作用。然而，受成本、功耗等問題的制約，網絡中只有少數節點能配置如GPS接收器等定位裝置。因此，研究低成本、高效的傳感器網絡定位算法具有重大的意義。

現有的傳感器網絡定位算法大致可分為兩類，分別是集中式定位算法和分布式定位算法。集中式定位算法，一般要求特定節點能通過測量或網絡通信獲取整個網絡的節點信息，執行效率和運行成本較高。另一方面，使用分布式定位算法，節點只需與鄰近節點進行測量和通信，就能通過一定的計算方法得出自己坐標的估計值，并能保證較高的準確率。因此，分布式定位算法能夠大幅減少網絡資源占用，充分使用本地計算資源，所以一直是無線傳感器網絡自身定位領域中的研究熱點。

在現有的無線傳感器網絡分布式定位算法中，除去少數精度較低的、無需傳感器測量數據的定位算法，大部分都是使用測距信息進行定位。由于傳感器成本較高等原因，相對于測距定位，使用到達角測量數據的分布式定位算法非常稀少。然而，使用聲學傳感器測量到達角等技術的出現，大幅降低了獲取到達角信息的成本，并將有力地推動該類定位算法的發展。因此，研究基于到達角信息的分布式定位算法，對填補無線傳感器網絡自定位領域的空白和推動自定位技術發展具有重大意義。

發明內容

針對現有技術的空缺，本發明目的在于提供一種基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器網絡節點定位方法，能有效降低網絡的通信量，優化計算資源的使用，而且收斂速度較快，在無測量誤差的前提下能實現指數收斂。

一種基于對稱到達角信息的分布式無線傳感器有線網絡節點定位方法，包括如下步驟：

步驟1，部署傳感器節點，獲取每一未知節點位置坐標值的初始估計和到達角的偏角值的初始估計，所有傳感器節點開啟定時器，傳感器節點包括錨節點集合和未知節點集合；

步驟2，所有傳感器節點進行首次通信，獲取所有錨節點的實際偏角值和實際坐標值，計算未知節點與鄰居節點間連接邊的歸一化向量和節點間的偏角差值；

步驟3，利用歸一化向量和傳感器節點間的偏角差值，各個未知節點運行迭代定位算法，直至到達定時器中設定的執行時間，迭代定位算法結束后各個未知節點向匯聚節點輸出計算所得自身的偏角估計值和坐標估計值，完成定位。

步驟1中，每個未知節點對自身的到達角測量傳感器的偏角值和位置坐標值做初始估計，其到達角測量傳感器偏角估計值、位置坐標估計值都隨機生成。

步驟1中，測量到達角的測量傳感器所采用的測量坐標系經過設置，使得測量坐標系與全局坐標系間的未知偏角在0度至180度之間。

通過將未知偏角設置在0度至180度，保證定位算法能實現指數收斂。

步驟1中，錨節點數目大于或等于2，且每個錨節點至少跟另一個錨節點進行通信以及進行到達角測量。

在步驟2中，傳感器節點間進行無線通信的半徑與到達角測量傳感器的測量半徑一致，傳感器節點間的通信為雙向通信，且傳感器節點所形成的網絡拓撲圖具有剛性性質。

各個節點通過雙向通信向鄰居節點發送自身的全局位置坐標值以及對鄰居節點的到達角，并從每個鄰居節點獲取該鄰居節點的位置坐標值以及該鄰居節點對當前節點的到達角；無線通信的半徑與到達角測量傳感器的測量半徑一致，使得節點能從鄰居節點獲取數據包的同時測量鄰居節點的到達角；網絡拓撲圖具有剛性性質，以保證算法的收斂性。

步驟2的具體步驟如下：

步驟2-1，所有傳感器節點進行首次無線通信，獲取各個傳感器節點的鄰居節點集合，每一傳感器節點在本地坐標系下測得鄰居節點的到達角，錨節點額外獲取自身在全局坐標系下的位置坐標；

步驟2-2，每個錨節點向各個鄰居錨節點傳輸自身的全局位置坐標以及在本地坐標系下該鄰居錨節點的到達角，并通過無線通信獲取各個鄰居錨節點的全局位置坐標值以及該鄰居錨節點的本地坐標系下當前錨節點的到達角，從而計算出當前錨節點的到達角測量傳感器的偏角值，并將偏角值和全局坐標傳輸給所有鄰居節點。

步驟2-3，對于每一未知節點，向鄰居節點發送自身所測得的鄰居節點的到達角，計算未知節點與鄰居節點之間連接邊的歸一化向量和節點間的偏角差值。

注意到錨節點的全局坐標可以通過GPS或人工測量獲得，但由于設備的方向擺放的隨機性，其到達角測量傳感器的本地坐標系和全局坐標系仍存在未知偏角。