一种基于共面度的跳距修正的wsn三维空间目标定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机无线传感器网络领域，特别是一种基于共面度的跳距修正的 WSN三维空间目标定位方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN)是由大量具有采集、计算和无 线通信能力的传感器节点通过多跳、自组织方式构成的网络，布置在监测区域内，能够自主 采集和处理监测区域中的信息，并发送给观察者。位置信息在无线传感器网络的监测等应 用以及路由选择、可靠性与安全性保障中均具有重要的作用，没有位置信息的监测消息往 往毫无意义。因此定位技术已经成为无线传感器网络应用必不可少的支撑技术之一。目前， 国际上对WSN节点定位的研宄主要集中在二维平面，对基于WSN的三维空间定位问题的研 宄成果还比较少。而实际应用中传感器的部署往往可能在地下、高墙甚至空中等三维区域 中。由于三维空间的环境更加复杂，求精问题的计算复杂度大幅度增加，很难直接将二维定 位算法应用于三维空间。
[0003] 三维空间中的定位问题相比二维空间的定位有如下难点：（1)定位所需要的参考 点要有所增加。在二维空间中，定位一个未知节点至少需要三个参考节点。而在三维空间 中，至少需要四个参考节点才能确定未知节点的位置，这不仅要求增加参考节点的密度，而 且增加了算法复杂度。（2)若有地形障碍，对节点之间的传输信号存在影响。三维空间中地 形带来的非视距传输对信号的影响是不可忽视的，因此使用RSSI计算节点之间的距离会 存在一定的误差，从而对定位精度产生影响。
[0004] 随着WSN技术的发展，无线传感器网络的应用越来越广泛，且对定位的精度要求 也越来越高。目前，对无线传感器网络的二维定位技术的研宄已经趋于成熟，但是针对三维 定位技术的研宄工作还不多见，还没有成熟的标准。目前已有的三维定位技术，整体上还是 采用将二维平面定位算法推广到三维空间的方法，将二维平面的WSN定位算法直接推广到 三维空间存在的问题是没有考虑三维空间的复杂情况，会导致计算量大幅度增加，导致累 计误差等问题。
【发明内容】
[0005] 本发明所解决的技术问题在于提供一种基于共面度的跳距修正的WSN三维空间 目标定位方法。
[0006] 实现本发明的技术解决方案为：一种基于共面度的跳距修正的WSN三维空间目标 定位方法，具体包括以下步骤：
[0007] 步骤1，采用RSSI测距技术测量相邻节点之间的距离；
[0008] 步骤2,根据步骤2中最小跳数值和累计跳距，通过距离矢量交换协议接收和转发 信标节点信息，得到所有节点和信标节点的最小跳数值和累计距离；
[0009] 步骤3,计算修正参数，根据修正参数修正累计距离；
[0010] 步骤4,计算每个定位单元的共面度值，基于共面度值选择最佳定位单元；
[0011] 步骤5,根据选择的最佳定位单元采用四面测量法计算未知节点坐标；
[0012] 步骤6,采用拟牛顿法对未知节点坐标进行优化；
[0013] 步骤7,将成功定位的节点提升为信标节点参与第二轮定位。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明引入共面度的思想，消除了三 维定位中定位单元近似共面引起的定位误差，根据共面度阈值选择进行定位的定位单元， 提高了定位算法精度；2)对累计距离进行修正，降低了用跳段距离代替实际距离引起的误 差，从而提高了算法的定位精度；3)通过将已经成功定位的未知节点提升为信标节点参与 未知节点的定位，提高信标节点的比例，从而提高了定位算法的定位覆盖率；4)采用拟牛 顿法对定位结果进行优化，进一步提高了定位精度。
[0015] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0016] 图1为三维空间定位模型图。
[0017] 图2为一种基于共面度的跳距修正的WSN三维空间目标定位方法的流程图。
[0018] 图3为本发明仿真效果图。
[0019] 图4为本发明算法与其他算法的定位精度对比图。
[0020]图5为本发明算法与其他算法的定位覆盖率对比图。
【具体实施方式】
[0021] 本发明的一种基于共面度的跳距修正的WSN三维空间目标定位方法，包括以下步 骤：
[0022] 步骤1，采用RSSI测距技术测量相邻节点之间的距离，RSSI技术（Received SignalStrengthIndicator，RSSI)，根据接收节点接收到的信号强度，可估算出发射节点 到接收节点之间的距离。将信号强度转换为距离所用的公式为：
[0024] 式中，d为发射节点到接收节点之间的距离，n为无线信道衰减系数，一般取值为 2~4,Cltl是为已知距离，一般通过实验获得，PL(Clci)是接收节点在离发射节点距离为已知 距离Cltl时的接收信号强度，X。是均值为0,方差为〇 2的高斯随机噪声变量，PkssiS接收节 点接收到的RSSI值。
[0025] 步骤2,通过距离矢量交换协议接收和转发信标节点信息，得到所有节点和信标节 点的最小跳数值和累计距离，通过距离矢量交换协议，跳数和累计距离初始化为0,各节点 比较接收到的同一信标节点的跳数值，保留其中跳数最小的信息，然后累加来自各信标节 点的跳段距离并将跳数加1，最后转发给其他邻居节点。
[0026] 步骤3,根据步骤2中最小跳数值和累计跳距，计算修正参数，根据修正参数修正 累计距离，计算修正参数采用如下公式：
[0028] 式中，K为未知节点，i和j为信标节点i= 1，. . .n，j= 1，. . .，n且i乒j，i和 j均为正整数，Lij为信标节点i到信标节点j之间的真实距离，Du信标节点i到信标节点j之间的累计距离。
[0029] 修正累计距离采用如下公式：
[0030] Lh=入K*DKi
[0031] 式中，人K为未知节点K的修正参数，DKi为未知节点K到信标节点i的累计距离， LKi为未知节点K到信标节点i的修正后的累计距离。
[0032] 步骤4,计算每个定位单元的共面度值，基于共面度值选择最佳定位单元，一个定 位单元包含4个信标节点，其共面度值的计算方法采用如下的计算公式：
[0034] 式中，V为四个节点组成的四面体的体积，a，b，c分别为四面体三组对棱长度的乘 积，Si分别为是四面体四个面的面积。
[0035] 步骤5,根据选择的最佳定位单元采用四面测量法计算未知节点坐标，计算未知节 点坐标采用如下公式：
[0037] 式中，（x，y，z)为未知节点K的坐标，（X1,y:，Z1) (x2,y2,z2) (x3,y3,z3) (x4,y4,Z4) 为定位单元中四个信标节点的坐标，dKA，dKB，dK。，dKD分别为未知节点K与信标节点之间的修 正累计距离。
[0038] 步骤6,采用拟牛顿法对未知节点坐标进行优化，采用拟牛顿法对定位结果进行优 化，将定位优化问题转化为无约束最优化问题，确定目标函数为：
[0040] 式中，（x，y，z)为未知节点K的坐标，（Xi,y。Zi)为信标节点i的坐标，i= 1， 2, ...，n，i为正整数，Cli为信标节点i到未知节点K的累计距离。
[0041] 步骤7,将成功定位的节点提升为信标节点参与第二轮定位。
[0042] 下面结合附图对本发明进行更详细的描述：
[0043] 结合附图2,本发明的一种基于共面度的跳距修正的WSN三维空间目标定位方法 分为四个阶段：第一阶段，采用RSSI测量相邻节点之间的距离，采用DV-DiStance算法得到 未知节点与每个信标节点之间的距离；第二阶段，基于共面度的原则选择最佳定位单元，采 用四边测量法估算出节点的初步位置；第三阶段，采用拟牛顿法对定位结果进行优化；第 四阶段，将已经成功定位的未知节点提升为信标节点，再对未成功定位的未知节点进行第 二轮定位，以提高定位的覆盖率。
[0044] (1)第一阶段
[0045] 在无线传感器网络中，无线传播信号选择常态对数模型，如式（1)所示：
[0047] 式中，设PL(d)表示两个无线传感器节点相距为d时的信号强度，PL(Cltl)是接收节 点在离发射节点距离为已知距离Cltl时的接收信号强度，PL(Clci) -般通过实验经验或者硬件 规范定义得到；n为无线信道衰减系数，一般取值为2~4 ;X。是均值为0,方差为〇2的高 斯随机噪声变量。
[0048] 由于式（l)dQ中为已知量，因此PL(dQ)是已知的；进一步，IOnlgdQ也是已知的。 可以认为X。是定值，因此可以通过式（2)得到接收节点的RSSI值PKSSI。
[0049] Prssi=PL(d)=-IOnlgd+[IOnlgd0+PL(d0)-X0 ] (2)
[0050] 由于后面括号中的项为定值，因此式（2)可以写成式（3)的形式如下。
[0051] RSSI=PL(d) = -10nlgd+a(3)
[0052] 式（3)中，a=IOnlgdQ+PL(dQ)-X。，a为常数。因此根据式（3)可以得到发射节 点和接收节点之间距离的计算方法如式（4)所示。
[0054] 在传统的DV-Distance算法中，由于未知节点到任意信标节点之间的累计距离都 要大于他们之间的实际距离，因此当跳数越多时，用这种跳段距离代替实际距离的误差可 能越大，因此需要对此误差进行修正。
[0055] 修正参数AK的计算公式如式（5):
[0057] 式中，K为未知节点，i和j为信标节点i= 1，. . .n，j= 1，. . .，n且i乒j，i和 j均为正整数，Lij为信标节点i到信标节点j之间的真实距离，Du信标节点i到信标节点j之间的累计距离。
[0058] 当信标节点i到未知节点k的累计跳距为DJt，信标节点i到未知节点k的修正 累积距离可用式（6)表示。
[0059] Lh=入K*DKi (6)
[0060] 式中，Xk为未知节点K的修正参数，DKi为未知节点K到信标节点i的累计距离， LKi为未知节点K到信标节点i的修正后的累计距离。
[0061] 将此修正累计跳段距离作为计算的有效距离，再进行未知节点定位，以减少误差。
[0062] (2)第二阶段
[0063] 采用多边定位法时至少能确定一个未知节点位置的参考点组合称为一个定位单 元在二维平面中进行目标定位时