[发明专利]基于共面度的无线传感网络的三维定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感网络的定位方法。

背景技术

无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术是20世纪的半导体技术、无线通信技术以及微机电系统集成高速发展孕育成的一个新的信息获取和处理方式。WSN是一种由一系列传感器节点构成的网络，用于实时地监测、感知和采集节点部署区域内观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给监控者。

无线传感网络由大量随机部署的节点组成，因此网络中大部分节点的位置是未知的。然而对于大多数应用，不知道节点位置的感知数据是没有任何意义的。传感器节点必须知道自身位置才能说明“在什么位置或区域发生了什么特定的事情”。所以定位技术是无线传感网络的关键技术之一，在无线传感网络的各个领域起到支撑作用，是深入研究无线传感网络其他相关技术的基础。

定位技术的最早出现是在军事领域，全球定位系统(GlobalPositioning System，GPS)是由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制，于1993年全部建成的。其基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。GPS技术具有全天候、高精度和自动测量的特点，但是其缺点是不能用于有遮挡的室内环境，并且设备往往能耗高、体积大、成本高。

无线传感网络节点定位简单的说就是节点通过某种方法或者执行某种算法获得自己在网络中的位置。通常以坐标的形式表示，也可以用大概的位置(如房间号)等表示。由于GPS技术的成熟，获得节点的位置可以通过给节点安装GPS接收器直接获得，但是其受到价格、体积、功耗、信号屏蔽等很多因素的制约，所以通过GPS获得所有节点的位置存在一定的困难。目前大多数的定位技术都是利用网络中少量已知位置的节点通过定位算法获得其他未知节点的位置，已知位置的节点称为参考点，可以人为放置或者通过GPS获得。未知节点的位置可以是相对于参考点建立的坐标系，也可以是一个绝对位置(如参考点采用GPS定位)。并且根据定位算法的不同，定位结果可以是二维坐标，也可以是三维的。

到目前为止，很多学者已经提出了比较典型的面向二维平面的定位算法，然而很少有涉及如何解决三维空间的定位问题。但是实际环境中传感器节点是经常被部署在三维空间中的，比如多楼层的建筑物里，地面起伏不定的山坡上以及水下空间等等。在三维环境下的定位问题相比于二维平面显然会有一定区别，其主要难点如下：

(1).定位所需的参考点增加

在二维平面里，定位一个未知节点只需三个参考节点，而在三维空间里，最少需要四个参考节点才能定位一个未知节点。这带来的不仅是对参考点密度的要求，而且增加了算法复杂度。

(2).地形障碍对传输信号的影响

室外二维环境下，节点的传输信号一般不受地形或者障碍影响，但是三维空间里地形因素带来的非视距传输对信号的影响是不可忽视的，所以使用信号强度等计算节点之间距离的算法就会产生一定误差，使用非测距算法的同时也要考虑节点最小通信半径受影响带来的连通性问题。若不考虑这些因素肯定会对定位精度产生很大影响。

(3).目前大多数定位算法不直接适用

目前国内外提出的一些经典算法只适用于二维平面，而对三维空间的定位问题研究尚不成熟，某些定位算法必须通过改进才能适用到三维空间。所以，研究出能够在三维空间中精确定位并且算法复杂度低的定位算法是非常有意义的。

(4).难以满足特定应用场合的需求

对于一些特定应用场合的三维定位，如建筑物中，定位结果必须能够反映出节点所处的楼层。由于楼层之间的距离有限，无法达到厘米级精度的定位算法基本难以确定节点处于哪一楼层，这是室内三维定位目前急需解决的问题。

发明内容

为了克服已有无线传感网络的定位方法的无法适应三维定位、定位精度不高的不足，本发明提供一种能够适应三维定位、提高定位精度的基于共面度的无线传感网络的三维定位方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于共面度的无线传感网络的三维定位方法，包括以下步骤：

1)、参数配置：

跳数阈值thre_hop是指节点与其邻近节点相连通的最远跳数；共面度阈值thre_dcp为保证对最佳定位单元的选择参数；以及参考点坐标，参考节点的数量为不少于四个：

2)、定位过程，具体包括：