[发明专利]基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器领域，尤其涉及一种基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法。

背景技术

在大规模无线传感器网络应用中，位置信息在解析传感器数据，改善路由性能以及目标跟踪等功能上起到关键作用。然而，受成本、功耗等问题的制约，网络中只有少数节点能配置如GPS接收器等定位装置。因此，研究低成本、高效的传感器网络定位算法具有重大的意义。

现有的传感器网络定位算法大致可分为两类，分别是集中式定位算法和分布式定位算法。集中式定位算法，一般要求特定节点能通过测量或网络通信获取整个网络的节点信息，执行效率和运行成本较高。另一方面，使用分布式定位算法，节点只需与邻近节点进行测量和通信，就能通过一定的计算方法得出自己坐标的估计值，并能保证较高的准确率。因此，分布式定位算法能够大幅减少网络资源占用，充分使用本地计算资源，所以一直是无线传感器网络自身定位领域中的研究热点。

在现有的无线传感器网络分布式定位算法中，除去少数精度较低的、无需传感器测量数据的定位算法，大部分都是使用测距信息进行定位。由于传感器成本较高等原因，相对于测距定位，使用到达角测量数据的分布式定位算法非常稀少。然而，使用声学传感器测量到达角等技术的出现，大幅降低了获取到达角信息的成本，并将有力地推动该类定位算法的发展。因此，研究基于到达角信息的分布式定位算法，对填补无线传感器网络自定位领域的空白和推动自定位技术发展具有重大意义。

发明内容

针对现有技术的空缺，本发明目的在于提供一种基于对称到达角信息的分布式无线传感器网络节点定位方法，能有效降低网络的通信量，优化计算资源的使用，而且收敛速度较快，在无测量误差的前提下能实现指数收敛。

一种基于对称到达角信息的分布式无线传感器有线网络节点定位方法，包括如下步骤：

步骤1，部署传感器节点，获取每一未知节点位置坐标值的初始估计和到达角的偏角值的初始估计，所有传感器节点开启定时器，传感器节点包括锚节点集合和未知节点集合；

步骤2，所有传感器节点进行首次通信，获取所有锚节点的实际偏角值和实际坐标值，计算未知节点与邻居节点间连接边的归一化向量和节点间的偏角差值；

步骤3，利用归一化向量和传感器节点间的偏角差值，各个未知节点运行迭代定位算法，直至到达定时器中设定的执行时间，迭代定位算法结束后各个未知节点向汇聚节点输出计算所得自身的偏角估计值和坐标估计值，完成定位。

步骤1中，每个未知节点对自身的到达角测量传感器的偏角值和位置坐标值做初始估计，其到达角测量传感器偏角估计值、位置坐标估计值都随机生成。

步骤1中，测量到达角的测量传感器所采用的测量坐标系经过设置，使得测量坐标系与全局坐标系间的未知偏角在0度至180度之间。

通过将未知偏角设置在0度至180度，保证定位算法能实现指数收敛。

步骤1中，锚节点数目大于或等于2，且每个锚节点至少跟另一个锚节点进行通信以及进行到达角测量。

在步骤2中，传感器节点间进行无线通信的半径与到达角测量传感器的测量半径一致，传感器节点间的通信为双向通信，且传感器节点所形成的网络拓扑图具有刚性性质。

各个节点通过双向通信向邻居节点发送自身的全局位置坐标值以及对邻居节点的到达角，并从每个邻居节点获取该邻居节点的位置坐标值以及该邻居节点对当前节点的到达角；无线通信的半径与到达角测量传感器的测量半径一致，使得节点能从邻居节点获取数据包的同时测量邻居节点的到达角；网络拓扑图具有刚性性质，以保证算法的收敛性。

步骤2的具体步骤如下：

步骤2-1，所有传感器节点进行首次无线通信，获取各个传感器节点的邻居节点集合，每一传感器节点在本地坐标系下测得邻居节点的到达角，锚节点额外获取自身在全局坐标系下的位置坐标；

步骤2-2，每个锚节点向各个邻居锚节点传输自身的全局位置坐标以及在本地坐标系下该邻居锚节点的到达角，并通过无线通信获取各个邻居锚节点的全局位置坐标值以及该邻居锚节点的本地坐标系下当前锚节点的到达角，从而计算出当前锚节点的到达角测量传感器的偏角值，并将偏角值和全局坐标传输给所有邻居节点。

步骤2-3，对于每一未知节点，向邻居节点发送自身所测得的邻居节点的到达角，计算未知节点与邻居节点之间连接边的归一化向量和节点间的偏角差值。

注意到锚节点的全局坐标可以通过GPS或人工测量获得，但由于设备的方向摆放的随机性，其到达角测量传感器的本地坐标系和全局坐标系仍存在未知偏角。