[发明专利]一种水下无线传感器网络节点的三维定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术，尤其涉及一种水下无线传感器网络节点的定位方法。

背景技术

随着微机电技术、无线通信等技术的进步，低成本、低功耗、小尺寸、多功能、适于短距离通信的传感器节点得到了不断的发展。这些微小的传感器节点由感应、数据处理和通信等单元构成。由大量传感器节点协同合作构成的无线传感器网络在工农业控制、军事国防、生物医疗、环境监测、抢险救灾等诸多领域有着广泛的应用前景。

在传感器网络的诸多应用中，各节点感应数据、传回数据并在中心节点进行分析处理，成为各种应用的一种基本途径。另一方面，没有位置信息的测量数据意味着中心节点或中央处理器不知道测量数据发生的精确地点或大致范围，也就是说没有位置信息的测量数据是没有意义的。而且，各节点的位置信息有助于网络拓扑控制、路由、覆盖等算法的改善。所以，网络自定位能力是无线传感器网络非常渴望拥有的一项特性。

由于人们广泛的关注，定位算法这几年取得了较大的发展。基于距离的定位与非基于距离的定位技术，基于距离的单跳定位与多跳定位技术，陆地定位与水下定位技术，二维定位与三维定位技术等先后都涌现了不少的算法。各种算法的总体目标是在计算复杂度尽可能低、通信开销与能耗尽可能小的前提下，尽量准确地定位网络中尽可能多的传感器节点。毫无疑问，全球定位系统(GPS)是最有名的定位服务系统。但它有较高的基础结构及应用环境要求，对于低成本低功耗的传感器网络来说，它只能作为一种辅助工具。降维定位是业已提出的一种针对水下三维传感器网络、降低计算复杂度的有效算法。它的基本思想是将稀疏布局的三维传感器网络的节点映射到平面中。在满足一定合理的条件下，该映射是一一映射，从而将三维定位等效转换为二维定位。在二维定位中，已有比较成熟的算法提出，先结合少数信标结点的坐标利用基于非距离的定位技术估算普通节点的初始位置；然后各普通节点结合邻居节点(包含可能的信标节点和普通节点)的坐标利用基于距离的定位技术，反复迭代更新普通节点的位置，直到收敛于真实位置或比较接近的真实位置。该算法将各节点定位可信度数据融入到迭代更新过程中，采用到邻居节点的距离约束和到信标节点的距离约束来控制迭代过程。该算法在节点可信度数据的利用和距离约束方法方面存在一定的改善空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下无线传感器网络节点的三维定位方法，通过映射将三维定位等效转换为二维定位，采用改进的二维定位算法的迭代控制机制，在较好控制通信开销情况下，将水下三维传感器网络定位误差降到最低。

一种水下无线传感器网络节点的三维定位方法，节点分为信标节点和普通节点，首先获取各信标节点的坐标，再确定各普通节点的坐标，其特征在于，所述普通节点的坐标按照如下方法确定：

令普通节点D的坐标为(x_D，y_D，z_D)，利用水深与压强关系求取普通节点D的水深即得z_D，按照以下步骤确定其二维坐标(x_D，y_D)：

(1)通过信息广播方式，各节点获取各信标节点的二维坐标及其与本节点间的跳数；

(2)依据各信标节点的二维坐标及各信标节点间的跳数和，计算网络平均单跳距离；

(3)选择与普通节点D间跳数最小的三个或三个以上的信标节点作为参考节点，利用该参考节点的二维坐标及各自与普通节点D间的跳数距离，估算普通节点D的二维坐标(x_D，y_D)；普通节点D与信标节点间的跳数距离等于两者间的跳数与网络平均单跳距离的乘积；

(4)按照如下方法更新二维坐标(x_D，y_D)：

(4.1)普通节点D向邻居节点广播位置消息，位置消息包括普通节点的标识、二维坐标(x_D，y_D)和可信度；

(4.2)选择可信度最高的三个或三个以上的邻居节点作为参考节点，利用该参考节点的二维坐标及各自与普通节点D间的测量距离，更新普通节点D的二维坐标(x_D，y_D)；

(4.3)若普通节点D与各信标节点间的坐标估算距离均小于这两者间的跳数与普通节点D通信半径的乘积，且普通节点D与各邻居节点间的测量距离平均值与这两者间的坐标估算距离平均值的差值小于距离阈值，则提高可信度，否则，降低可信度；