[发明专利]一种无线传感器网络节点三维定位方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络节点定位技术领域，特别涉及一种水下无线传感器网络节点三维定位方法。

背景技术

在开展对沿海浅水域及河口的监测应用研究中，部署水下传感器网络目的是实时立体地采集相关水文参数及水环境数据，以提高监测质量。网络节点定位是开展应用的基础，然而由于水流所具有的特殊性使得定位具有难度，主要表现为：

(1)节点部署采用水底固定锚链和浮标(即节点按预设深度投放到水下)等方式，形成一个三维空间网络。然而节点的三维空间分布导致了锚节点(此处指可精确定位的节点)间空间位置关系的不确定，使得选取合适的锚节点参与定位存在困难。

(2)节点受水流影响，位置常常会在一定范围内移动，需要及时更新定位结果。这种周期性定位造成了较高的能耗，及节点间移动的不同步和不一致性，使得难以实现大范围内节点的统一定位修正。

在水下无线传感器网络节点定位技术领域，V.Chandrasekhar等人提出了一种水下无线传感器网络区域定位方法(ALS)，该方法针对大型水下无线传感器网络很难实现所有节点精确定位以及定位成本较高的问题，提出一种粗精度的集中式定位方法。各锚节点已知自身位置，并以不同的功率级别广播自身位置信息，未知节点保存接收到的锚节点信息以及对应的发送功率级别，并传送给汇聚节点，汇聚节点根据这些信息估计出未知节点所在位置区域，将该估计区域的几何中心作为未知节点的坐标。该方法无需任何测距信息和时钟同步，实施简单、具有较高的定位覆盖率且成本较低，但是定位精度不高，而且没有考虑实际应用中节点随水流移动的情况。

D.Mirza等人针对水下无线传感器网络水声信道延时长、节点受水流作用移动等问题提出了基于节点移动感知的定位方法。定位过程中距离估计信息由于水声信道延时长以及节点位置的移动而失效，该方法主要处理距离估计过时性问题。该方法需要在一个中心站处理所有位置信息。传感器节点采集自身和邻居节点间的距离信息，发送到一个中心站作为迭代运算的输入值。每次迭代运算中，将操作区域划分为更小的块，节点所在概率最大的位置用于下一次迭代。该方法的优点是减小了计算负担而且无需锚节点，它的缺点是与中心站距离较近的节点会因为通信开销过大而过早消耗完能量，致使网络中其它节点与中心站通信中断，从而无法完成定位。

王怿等人针对受水下环境制约只能将锚节点水面部署的情况提出了一种逐级循环求精的三维水下无线传感器网络定位方法，按照节点和锚节点距离远近从水面向下逐层进行分级迭代求精。该方法的主要思想分为两点：第一，通过从上到下逐级定位来解决锚节点水面分布的不均匀性。首先，距离水面分布的锚节点一跳通信范围的未知节点进行定位，然后这些获得位置的节点转变为新的锚节点，使得距离它们一跳范围内的节点也能定位，这样从上往下逐层定位，直到整个网络的节点都完成定位。第二，通过逐级加权迭代求精控制定位误差的累积。在上述定位过程中，每当新的锚节点用于下一级未知节点定位时，它们自身的定位误差会影响后面的定位，定位误差会逐渐累积。所以每层的定位过程中加入加权循环求精阶段，每一级未知节点接收同级邻居节点的位置信息，根据这些信息以及之前来自锚节点的信息执行级数加权的多边测量法，更新自身的定位，直到满足一定精度要求。该方法的优点是在各向同性和各向异性的网络中均能达到较好的定位结果，但是只能用于节点静止的网络，不能解决节点随水流移动情况下的定位问题。

Z.Zhou等人针对水下无线传感器网络规模大的问题提出一种分层定位方法，将Euclidean方法扩展到三维空间，结合递归定位法，即将先完成定位的且定位误差低于某个阀值的未知节点升级为锚节点，参与剩余未知节点的定位。该方法具有较高定位覆盖率和较低的通信能耗，适合大规模的网络定位。但是该方法的递归过程将使节点的定位误差累积，一定程度上影响定位精度，且假设在静态网络中进行仿真，对于节点随水流移动的网络来说，整个定位过程需要不断重复运行，极大地增加了整个网络的能量消耗，缩短了网络的生命周期。

刘文予等人设计的一种水下无线传感器网络节点三维定位方法，通过映射将三维定位转换为二维定位，各普通节点利用距离向量算法结合信标节点的二维坐标估计各自的初始二维坐标，然后利用邻居节点的二维坐标迭代更新自己的二维坐标直到其收敛于真实二维位置，再利用水深与压强关系求得普通节点的水深，最终获得节点的三维位置信息。但是该方法在计算普通节点二维坐标过程中，假设不存在多个节点的投影重合，适合于在均匀的水域范围内进行节点定位计算，而对河口、海岸等不规则水域内进行平面投影计算的难度较大；同时，对于水流造成的节点移动问题，如果频繁调用定位算法，则会造成整个网络较大的能量消耗。