[發(fā)明專利]帶有約束條件的UKF的WSN節(jié)點定位方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410370545.1
• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號: CN104363649B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 歐縣華;武憲青;何熊熊
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司33201
• 代理人: 王兵,黃美娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的節(jié)點自定位方法，具體是一種帶有約束條件的UKF的WSN節(jié)點定位方法。

背景技術(shù)

由于微機電系統(tǒng)技術(shù)、無線通信技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，促進了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的產(chǎn)生與高速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個新興的網(wǎng)絡(luò)，改變了人與自然界之間的交互方式，被稱為是IT領(lǐng)域的“第四次產(chǎn)業(yè)革命”。1999年，美國的《商業(yè)周刊》雜志將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最重要的21項技術(shù)之一。2003年，《技術(shù)評論》將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為改變世界的十大新興技術(shù)之首，同年《商業(yè)周刊》將其評為全球未來四大高科技產(chǎn)業(yè)之一。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具備的各種能力和優(yōu)勢，國內(nèi)外許多國家都投入了大量的人力、物力和財力支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用。近年來，我國在國家自然基金、863計劃、973計劃和國家科技重大專項等多個層面持續(xù)的投入，加速了我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用各方面的快速發(fā)展，研究從軍事領(lǐng)域向民用領(lǐng)域擴展，并逐步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國防軍事、感知醫(yī)療、交通運輸管理和空間探索等領(lǐng)域。

節(jié)點定位技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要關(guān)鍵技術(shù)之一，不僅可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的路由效率，還可以實現(xiàn)管理整個網(wǎng)絡(luò)。并且在許多應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位信息是進一步研究和應(yīng)用的前提與基礎(chǔ)，所以實現(xiàn)節(jié)點自定位具有重要現(xiàn)實意義。

節(jié)點定位算法常用的分類是：基于測距的定位算法和無需測距的定位算法。無需測距的定位算法僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通度來實現(xiàn)對未知節(jié)點的定位，主要方法有：質(zhì)心定位算法、DV-Hop定位算法、APIT定位算法、凸規(guī)劃定位算法和MDS-MAP定位算法等。基于測距的定位算法主要有測距、節(jié)點定位和坐標(biāo)修正三個階段組成。其中測距常用的技術(shù)有：RSSI、TOA、TDOA和AOA四種；節(jié)點定位的傳統(tǒng)方法有：三角測量法、三邊測量法、極大似然估計法和極小極大估計法。由于節(jié)點定位算法模型具有非線性性，往往采用非線性濾波技術(shù)對坐標(biāo)進行修正，常用的有擴展卡爾曼濾波(EKF)和粒子濾波。而對于EKF算法采用泰勒級數(shù)展開式中的低階次項近似代替非線性系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差，不僅降低了定位精度，而且還有可能導(dǎo)致濾波器發(fā)散。同時，EKF及其衍生的算法無可避免的都要計算雅可比矩陣，對于非線性系統(tǒng)來說往往計算復(fù)雜且困難。為了改善上述問題，Julier等人提出的一種基于無跡變換的UKF非線性濾波算法，該算法無需計算雅可比矩陣，且濾波估計具有更高的精度。雖然UKF濾波算法對EKF存在的一些問題有了很大的改善，但UKF也是以卡爾曼濾波為基礎(chǔ)的非線性濾波算法，仍存在著受模型誤差、噪聲和干擾等不確定因素的影響而造成算法的精度降低和收斂速度變慢等問。同時，UKF算法存在對初始值非常敏感的問題，初始值波動會嚴重影響到濾波算法的性能，甚至有可能導(dǎo)致濾波器發(fā)散。鑒于此原因，本發(fā)明針對基于UKF的定位算法的對初始值敏感的問題，提出了一種帶約束條件的節(jié)點定位算法。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明要解決RSSI受環(huán)境中各種干擾因素影響使其值失真大、造成測距階段和節(jié)點定位階段獲得的結(jié)果具有較大的誤差和波動性的缺點，在節(jié)點定位階段引入約束條件，提出一種定位精度高，收斂速度快，魯棒性強的節(jié)點定位方法。

本發(fā)明所述的帶約束條件的UKF的WSN節(jié)點定位方法，其工作步驟是：

步驟1.測距模型有理論模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛢煞N，本發(fā)明中的測距模型采用理論模型中的對數(shù)-常態(tài)分布模型，使用高斯濾波技術(shù)和曲線擬合技術(shù)對實驗環(huán)境中測試獲得的數(shù)據(jù)進行處理確定模型中的未知參數(shù)，建立RSSI與距離之間的關(guān)系。

步驟2.使用測距模型將RSSI轉(zhuǎn)換為距離值。參照附圖2所示，使用MLE法求得坐標(biāo)P_MLE，坐標(biāo)值為(x_MLE,y_MLE)；設(shè)未知節(jié)點相鄰兩時刻中前一時刻的坐標(biāo)為P₀，坐標(biāo)值為(x₀,y₀)；以R為半徑，P₀為圓心，作一約束圓；選取當(dāng)前時刻RSSI值中最大的兩個信標(biāo)節(jié)點設(shè)為A和B，其坐標(biāo)分別為(x₁,y₁)和(x₂,y₂)；作直線AP₀和BP₀，與約束圓的交點分別為M和N，則扇形MP₀N構(gòu)成一個坐標(biāo)約束區(qū)域，使用下面公式分別求出點M和N的坐標(biāo)值為(x_M,y_M)和(x_N,y_N)。