[发明专利]一种基于质点弹簧模型的三维加权质心定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中节点定位技术领域，更具体地，涉及一种基于质点弹簧模型的三维加权质心定位方法。

背景技术

无线传感器网络中，节点定位是无线传感器网络应用于目标监控与跟踪等邻域的前提和基础。由于传感节点通常具有能源有限、通信易受环境影响等特点，在获得锚节点自身正确定位之后，如何快速、准确地定位目标节点的位置，高精度的定位方法显得十分重要。

依据对节点位置的估计机制，一般将定位方法分为基于测距的定位方法和非测距的定位方法。基于测距的定位方法常用的测量技术主要有RSSI、TDOA、TOA、AOA，节点获得距离或角度信息后，可以通过三边测量法或极大似然估计法进行定位。非测距的定位方法主要是通过节点间的连通信息估计节点位置，它的优点是硬件要求较低，但是定位精度有限。典型的非测距的定位方法有质心定位方法、DV-Hop、APIT和MDS-MAP方法等。

加权质心定位方法是一种基于测距的方法，虽然加权质心定位方法提供一种简单有效的定位方法，但是此方法的定位精度有待提高且不适用于定位由锚节点构成的多边形外围的节点。近年来，很多相关的文献针对二维的WCL方法进行了改进。然而，这些改进方法的定位精度主要依赖于权值的设置。在实际环境中，未知节点可能位于由锚节点构成的多边形外围，此时仅采用加权的方法未能达到很好的定位效果。

发明内容

本发明的目的在于克服已有定位方法的不足之处，提供一种基于质点弹簧模型的三维加权质心定位方法，有效地解决现有加权质心定位方法存在的问题，提高了定位精度，并增强了健壮性。

为了实现上述目的，本发明提出的方法具体步骤如下：

步骤1：未知节点根据RSSI信息计算未知节点到锚节点的测量距离；

步骤2：从所有测量距离中选择出最小测量距离，根据最小测量距离修正加权质心定位方法的权值；

步骤3：通过修正权值后的三维加权质心定位方法计算未知节点的初始位置；

步骤4：计算误差因子，根据误差因子修正未知节点与各个锚节点的测量距离；

步骤5：采用三维的质点弹簧优化(MSO)方法对未知节点位置进行迭代优化处理，当直到满足迭代终止条件时停止迭代，从而确定未知节点位置。

在上述定位方法中，所述步骤1中测量距离采用对数-常态分布模型计算。测量距离根据下式获取得到：

其中d为测量距离，PL(d₀)为信号传播距离d₀的路径损耗，η为信号传播路径衰落系数，X_σ为满足均值为0，方差为σ²的高斯随机变量，σ取4～10，P_send为发射功率；P_amplify为天线增益。

在上述定位方法中，所述步骤2中权值是根据如下公式计算：

其中d_i是未知节点p与锚节点B_i的测量距离，d_min是最小测量距离。

所述步骤3中按照下式计算未知节点的初始位置

其中m为锚节点数目，B_i(x_i,y_i,z_i)表示锚节点B_i的坐标。

在上述定位方法中，所述步骤4中所述步骤4中误差因子是指根据锚节点之间的计算距离和测量距离的差值而得出的修正系数的平均值；

当锚节点B_i与锚节点B_j能够相互通信，根据下式获取锚节点B_i与锚节点B_j之间的修正系数a_ij：

其中为锚节点B_i与锚节点B_j的测量距离，L_ij为锚节点B_i与锚节点B_j的计算距离，x_i、y_i、z_i分别是指锚节点B_i的坐标值，x_j、y_j、z_j分别是指锚节点B_j的坐标值，通过上式计算出所有的修正系数，将修正系数进行平均滤波处理，得到误差因子为：

其中g是修正系数a_ij的个数；