專利名稱：基于地形信息的無線傳感器網絡偽三維定位方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感器網絡(wireless sensor network, WSN)技術領域，具體涉及一種基于地形信息的無線傳感器網絡偽三維定位方法。
背景技術：
無線傳感器網絡是由部署在監測區域內的大量的廉價微型傳感器節點組成，傳感器節點通過自組織方式構成無線網絡，以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域中特定的信息，并將收集到的信息發送給觀測者。節點定位技術是無線傳感網絡的關鍵技術之一，節點定位問題即未知節點(未知位置信息的節點)根據少數錨節點(已知位置信息的節點，節點自身帶有如GPS定位裝置，造價比較昂貴)，按照某種定位機制確定自身的位置。 只有在節點正確定位之后，才能確定監測到的事件的具體位置，同時節點位置信息還可以提高路由效率，報告網絡覆蓋質量，實現網絡負載均衡，因此傳感器節點的正確定位是無線傳感器網絡大多數應用和研究的前提。迄今為止，學術界已提出多種多樣的定位算法，大部分都是基于地勢比較平緩的二維平面區域，如果監測區域地勢比較平緩或者范圍比較小，使用二維算法進行節點的定位并不會對效果產生太大影響。但是如果監測區域地勢變化比較大，無法把三維環境簡單等同于二維環境考慮時，就需要采用三維節點定位算法來進行節點定位。由于三維環境的復雜性，僅僅利用節點間的距離、角度、信號強度或拓撲關系很難實現節點位置的精確估計，如果預先知道網絡覆蓋區域的地形情況，那么就可以將一個復雜的三維空間內節點定位問題轉化成一個簡單的二維平面內節點定位問題，先利用節點間的拓撲關系計算出未知節點的x，y坐標，然后根據電子地圖獲得未知節點的高度值Z。隨著衛星勘測技術的發展， 電子地圖可以非常方便的獲得，這就為三維定位中引入電子地圖提供了可能。無線傳感器網絡進行節點定位最關鍵的問題就是未知節點如何以最小的代價獲得足夠多的錨節點信息。對于這一問題，一般有兩種解決途徑。首先，可以通過增加錨節點數量，密集的部署錨節點，但是錨節點密度的提高會使網絡的造價成倍提高。其次，在保持錨節點密度的前提下，通過節點之間的多跳通信獲得錨節點信息。這種方法又是以增加網絡的通信量為代價的，同時由于存在跳距誤差，會帶來較大的位置估計誤差。基于上述原因，有研究者提出利用一個或多個錨節點在網絡節點分布區域自由或按照規劃好的路徑移動，同時周期性廣播信標位置等信息。移動錨節點的引入提供了降低網絡錨節點密度、減小系統成本的方法，同時也帶來一個新的問題，即移動錨節點的路徑規劃問題，合理的路徑規劃可以有效的減小系統能量消耗，提高節點定位精度和網絡定位覆蓋率；同樣，不合理的路徑規劃不僅會給網絡造成大量的能量消耗，而且會使網絡定位覆蓋率降低，產生大量無法定位的節點。因此，在基于移動錨節點的定位算法中，路徑規劃是否合理將直接決定算法的性能。隨著移動錨節點在無線傳感器網絡定位中越來越多的應用，路徑規劃問題成為一些學者的研究重點，有研究學者考慮用空間填充線的概念規劃移動錨節點的路徑問題，比
3較典型的利用空間填充線理論路徑規劃方案有SCAN、DOUBLE SCAN及HILBERT。SCAN是一種讓錨節點按照一個主方向移動的路徑規劃方法，如圖1所示，錨節點是按照X軸方向進行移動，其中X軸方向的長線段稱為主線段，兩條主線段之間的短線段稱為分辨率。為了保證錨節點可以遍歷所有的網絡區域，主線段的長度一般要大于或等于遍歷區域的長度，分辨率的大小決定錨節點來回移動的次數，即主線段的條數。SCAN路徑規劃的優點是在分辨率固定的情況下，錨節點遍歷的路徑最短，能耗最小，而且通過適當的選擇分辨率，能夠保證網絡中所有的未知節點都能收到錨節點信息。在二維節點定位算法中，利用共線的錨節點無法完成定位。如圖2所示，三個白點是錨節點，在錨節點坐標及未知節點到三個錨節點的距離C^dyd3已知的情況下，仍然不能判斷未知節點到底是在O1位置還是A位置。在SCAN路徑規劃中，由于錨節點是按照一個主方向移動，所以未知節點接收到的錨節點信息會存在共線的問題，特別是當分辨率大于通信半徑時，未知節點將只能收到一條主線段上的錨節點信息，影響定位算法的定位精度。DOUBLE SCAN是一種讓錨節點按照兩個方向遍歷網絡區域的路徑規劃方法，如圖3 所示。DOUBLE SCAN的優點是很好的解決了 SCAN中錨節點共線的問題，通過適當的選擇分辨率，不僅能夠保證網絡中所有未知節點都能收到足夠的錨節點信息，而且可以保證得到的錨節點不共線，這就為錨節點的選擇提供了足夠的空間，有利于提高算法的定位精度。缺點是在分辨率固定的情況下，錨節點遍歷的路徑幾乎是SCAN的兩倍，移動路徑的增加必然造成錨節點能耗的增加，對錨節點的能量有一定要求。HILBERT是一種比SCAN和DOUBLE SCAN都要復雜的路徑規劃方法，如圖4所示。 它雖然在沒有明顯增加錨節點的遍歷路徑的前提下，很好地解決了 SCAN中信標節點共線的問題，但是HILBERT的移動路徑比較復雜。
發明內容
為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種基于地形信息的無線傳感器網絡偽三維定位方法，有效地解決了偽三維環境下的未知節點定位問題，提高了定位精度和降低了錨節點的移動復雜度。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種基于地形信息的無線傳感器網絡偽三維定位方法，其特征在于包括如下步驟網絡初始化布局；路徑規劃；信息交換；錨點選擇；確定未知節點的橫坐標和縱坐標；確定未知節點的高度值；完成網絡節點定位；其中所述路徑規劃是指將錨節點搭載在飛行器上，在同一高度下按下述路徑移動從位于節點覆蓋區域右上角的起始位置開始，沿水平方向向左移動a長度，然后逆時針旋轉 120°后繼續移動；在移動過程中，如果遇到右邊界，則沿垂直方向向下移動2b長度，然后順時針旋轉150°后繼續移動；如果遇到上邊界，則沿水平方向向左移動a長度，然后逆時針旋轉120°后繼續移動；如果遇到下邊界，則沿水平方向向左移動a長度，然后順時針旋轉60°后繼續移動；如果遇到左邊界，則沿垂直方向向下移動2b長度，然后逆時針旋轉 30°后繼續移動；最后到達節點覆蓋區域左下角的結束位置停止；當錨節點在垂直方向移動2b長度時、或者在其他方向移動a長度時，均以固定的信號強度廣播自己的位置信息；其中 b =
2所述信息交換是指在錨節點在廣播位置信息時，未知節點進行監聽，記錄錨節點的位置信息，并利用接收信號強度指示技術估計未知節點到錨節點的距離，建立本地信息表；所述錨點選擇是指選擇距未知節點最近的三個錨點作為定位錨點；所述確定未知節點的橫坐標和縱坐標是指根據選出的三個定位錨點采用三邊測量法求出未知節點的橫坐標和縱坐標。與現有技術相比，本發明的積極效果是通過采用一種新的簡單路徑規劃算法，在沒有明顯增加錨節點遍歷路徑的前提下，不僅很好地解決了錨節點共線問題，又保證在未知節點定位時所選用的三個錨節點能構成等邊三角形，進一步提高了定位精度；同時，本發明通過引入電子地形信息，將一個復雜的三維空間內節點定位問題轉化為一個簡單的二維平面內的節點定位問題，降低了定位算法的計算復雜度。
本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中圖1是SCAN路徑規劃圖；圖2是三個錨節點共線圖；圖3是DOUBLE SCAN路徑規劃圖；圖4是HILBERT路徑規劃圖；圖5是本發明方法的實現流程圖；圖6是三邊測量法示意圖；圖7是三個錨節點構成等邊三角形的示意圖；圖8是錨節點的移動路徑示意圖；圖9是未知節點映射到高度平面的示意圖。
具體實施例方式現有無線傳感器三維定位算法研究一般認為傳感器節點隨機分布在給定三維空間區域內，而在很多實際應用中如山地、丘陵等，傳感器節點往往分布在一個曲面上，跟隨機三維空間分布相對比，我們稱分布在空間內的曲面上的分布方式為偽三維分布。—種基于地形信息的無線傳感器網絡偽三維定位方法，如圖5所示，包括如下步驟網絡初始化布局，路徑規劃，信息交換，錨點選擇，確定未知節點的橫坐標和縱坐標，確定未知節點的高度值，完成網絡節點定位。其中(1)路徑規劃下面先詳細介紹本發明將用到的三邊測量法的定位原理根據三邊測量法，要實現二維平面內的節點定位，至少需要三個錨節點。如圖6所示，圖中白點表示錨節點，它們的位置已知，坐標分別為(xi，yi)、(x2，y2)和(x3，y3)，圖中的黑點表示未知節點，其位置(x，y)待求，(^、屯和d3分別表示未知節點到三個錨節點的測量距離，由點到點的距離公式得
權利要求
1.一種基于地形信息的無線傳感器網絡偽三維定位方法，其特征在于包括如下步驟網絡初始化布局；路徑規劃；信息交換；錨點選擇；確定未知節點的橫坐標和縱坐標； 確定未知節點的高度值；完成網絡節點定位；其中所述路徑規劃是指將錨節點搭載在飛行器上，在同一高度下按下述路徑移動從位于節點覆蓋區域右上角的起始位置開始，沿水平方向向左移動a長度，然后逆時針旋轉120° 后繼續移動；在移動過程中，如果遇到右邊界，則沿垂直方向向下移動2b長度，然后順時針旋轉150°后繼續移動；如果遇到上邊界，則沿水平方向向左移動a長度，然后逆時針旋轉120°后繼續移動；如果遇到下邊界，則沿水平方向向左移動a長度，然后順時針旋轉 60°后繼續移動；如果遇到左邊界，則沿垂直方向向下移動2b長度，然后逆時針旋轉30° 后繼續移動；最后到達節點覆蓋區域左下角的結束位置停止；當錨節點在垂直方向移動2b 長度時、或者在其他方向移動a長度時，均以固定的信號強度廣播自己的位置信息；其中 所述信息交換是指在錨節點在廣播位置信息時，未知節點進行監聽，記錄錨節點的位置信息，并利用接收信號強度指示技術估計未知節點到錨節點的距離，建立本地信息表； 所述錨點選擇是指選擇距未知節點最近的三個錨點作為定位錨點； 所述確定未知節點的橫坐標和縱坐標是指根據選出的三個定位錨點采用三邊測量法求出未知節點的橫坐標和縱坐標。
2.根據權利要求1所述的基于地形信息的無線傳感器網絡偽三維定位方法，其特征在于所述確定未知節點的高度值是指通過電子地形信息求出未知節點的高度值。
全文摘要
本發明公開了一種基于地形信息的無線傳感器網絡偽三維定位方法，通過采用一種新的簡單路徑規劃算法，在沒有明顯增加錨節點遍歷路徑的前提下，不僅很好地解決了錨節點共線問題，又保證在未知節點定位時所選用的三個錨節點能構成等邊三角形，進一步提高了定位精度；同時，本發明通過引入電子地形信息，將一個復雜的三維空間內節點定位問題轉化為一個簡單的二維平面內的節點定位問題，降低了定位算法的計算復雜度。
文檔編號H04W64/00GK102291818SQ201110215389
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者于富財, 胡光岷, 阮志鋒 申請人:電子科技大學