[发明专利]一种基于非测距的无线传感网三维节点定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，具体涉及一种三维无线传感器网络的节点定位方法。

背景技术

无线传感器网络大量节点撒落在三维区域内，少量节点为配置有GPS定位模块，撒落后可通过GPS定位，这些已知位置的节点叫锚节点，其余的节点没有GPS定位模块，撒落后的位置未知，称为未知节点。无线传感器网络中各节点之间在一定距离内能互相通信。

在无线传感网组网过程中，网络节点多为随机部署，大多数节点位置都是未知的。然而，只有已知空间位置的感知数据才有意义。例如，进行海洋环境监测时，会在海平面下不同深度放置节点进行水温、盐度及生物活动探测，或者一个悬浮在空中的大气污染监测网络，这些节点获取的信息只有跟空间位置对应才能具有实用价值。并且已知节点位置信息能产生高效的路由协议。但是，受传感器节点硬件条件和各种因素的制约，无线传感网定位技术仍然是一个技术难点。目前，已经有多种多样的定位方法被提出来，例如：DV-hop算法、质心算法和APIT算法等等。但这些定位方法大多数都是针对二维平面应用而设计的，三维空间的网络节点定位方法为数不多。

部署在三维空间的无线传感网相比于二维空间中的无线传感网具有更丰富的位置信息，且网络规模和分布密度也都有所增加，更加符合实际节点分布的情况。若对三维空间的网络节点使用二维平面定位方法会导致很大的误差。而现有三维定位方法中，有的是由二维的定位方法在三维空间上的衍生得出的，也有的提出了新的定位方法，这些定位方法产生的误差较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是提供一种基于非测距的无线传感网三维节点定位方法，它能减小未知节点的定位误差，且通信开销增加较小。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括下列步骤：

步骤A，确定网络中所有节点到每个锚节点的跳数：每个锚节点向周围邻居节点广播初始值为1且带有该锚节点标识的信息，邻居节点依次对此信息值加1并向外扩散，直到每个节点都收到网络中所有锚节点广播的信息值，并只保存每个锚节点对应的最小值，这个数值就是网络中某个节点到每个锚节点的跳数；

步骤B，获得每一个未知节点到所有锚节点的距离：任意两锚节点之间的距离除以其对应的跳数获得该两锚节点间平均每一跳的距离，称为锚节点的平均跳距；根据锚节点的平均跳距得到未知节点的平均跳距，再由未知节点的平均跳距乘以该未知节点到所述锚节点的跳数得到该未知节点到这一锚节点的距离；

步骤C，得到每一个未知节点的位置坐标：构建四面体对未知节点进行位置坐标估算，利用锚节点的位置估算偏差值，采用加权质心算法进行修正，得到未知节点的较精确坐标。

所述步骤A中，网络中所有节点到每个锚节点的跳数是采用DV-hop 算法中获得距离矢量跳数的方法确定的。

所述步骤B中，锚节点的平均跳距是采用DV-hop 算法中获得平均跳距的方法确定的。

所述步骤B中，修正未知节点到锚节点距离的方式为：

式中，A为未知节点，C、D为两个锚节点，为C、D两锚节点之间的跳数，为未知节点A与锚节点D之间的跳数，为未知节点A与锚节点C之间的跳数，为未知节点A的平均跳距，是未知节点A针对锚节点C、D的跳距修正值，是锚节点C和锚节点D的距离，是未知节点A到锚节点D经修正后的距离，是未知节点A到锚节点C经修正后的距离。

所述步骤C中，所述构建四面体对未知节点进行位置坐标估算包括以下步骤：

步骤C1，从未知节点所能接收到的锚节点中任选四个锚节点；

步骤C2，判断所述四个锚节点中是否在一个平面，若在同一个平面则放弃此次的选择，返回步骤C1进行重新选择；若不在同一个平面则接着向下进行；

步骤C3，判断所述四个锚节点是否超出所设定的跳数阈值，若超出则返回步骤C1进行重新选择，否则接着向下进行；

步骤C4，判断未知节点是否在选定的四个锚节点组成的四面体内部，若不在则返回步骤C1进行锚节点的重新选择，若在则接着向下进行；

步骤C5，对未知节点的位置坐标进行估算。

所述步骤C中，所述锚节点的位置估算偏差值是通过使用未知节点的位置坐标估算值和其他另外三个锚节点，构建四面体对该锚节点进行位置坐标估算，得到锚节点的位置坐标估算值，再与锚节点的实际位置坐标之差获得的。

所述步骤C中，所述加权质心算法的算式为：