一种基于测距的无线传感器网络节点定位方法

1.一种基于测距的无线传感器网络节点定位方法，包括至少三个位置已知的锚节点，位置未知的待测节点及后台定位中心，所述至少三个位置已知的锚节点中至少有一个锚节点作为网关锚节点通过网络与后台定位中心相连，其特征在于：所述无线传感器网络节点定位方法通过以下步骤实现：
步骤一：所述各个锚节点按固定功率周期性广播发送定位用信标信号；
步骤二：所述待测节点接收上述定位用信标信号，待所述待测节点获得一组完整的来自同一个锚节点的定位用信标信号后，将接收到的一组完整定位用信标信号的接收信号强度值发送给所述网关锚节点；
步骤三：所述网关锚节点将待测节点的接收信号强度值和所述锚节点的发送信号强度值发送给所述后台定位中心；
步骤四：所述后台定位中心根据发送信号强度值与接收信号强度值之间的差值计算出所述待测节点到所述锚节点之间的距离：
(1)、取距位置已知锚节点的距离为d0的参考节点，其中d0为已知常数，并测量出该参考节点的接收信号强度值，用锚节点的发射信号强度值减去该参考节点的接收信号强度值得到参考点的传输路径损耗，用L(d0)表示；
(2)、将所述锚节点的发送信号强度值减去所述待测节点的接收信号强度值，其信号强度差值用L(d)表示；
(3)、计算出所述待测节点到所述锚节点之间的距离，用d表示：
其中，a为常数，其取值范围为10±2，Xσ为标准偏差为σ的正态随机变量，b为常数，其取值范围为10±2，n为路径损耗指数；
步骤五：所述后台定位中心根据所述待测节点到各个锚节点之间的距离对所述测节点的位置坐标进行计算：所述待测节点的位置坐标通过Chan氏算法获得：用 表示测节点的位置坐标，用 表示网关锚节点的位置坐标，用 表示另外两个锚节点的位置坐标：
其中，d1表示待测节点到网关锚节点之间的距离，d2、d3表示待测节点到另外两个锚节点之间的距离。

一种基于测距的无线传感器网络节点定位方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于测距技术的无线传感器网络节点定位方法。\n背景技术\n[0002] 无线传感器网络可应用于布线和电源供给困难、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，特别是对于军事应用、目标追踪、环境检测、空间探索，无线传感器网络的优势越来越明显。\n[0003] 通过部署大量无线传感器至目标区域组成网络，每个无线传感器称为无线传感器网络的一个节点。对于大多数的无线传感器网络来说，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，实现对外部目标的定位和追踪。而节点位置信息的获得又可以使网络设计者优化无线传感器网络在其它方面的应用，比如对路由算法的优化、联合信号处理、通信开销的优化、基于位置的信息查询、网络覆盖率检查等。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现，如在室内由于受到建筑物的阻挡其定位性能并不理想，因此必须采用一定技术手段实现无线传感器网络中传感器节点的自身定位。在无线传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、节点规模大且随机分布、无线模块的通信距离有限，这对传感器节点的定位方法和定位技术提出了很高的要求。\n[0004] 现有技术中，一般利用无线传感器网络中少量已知位置的节点来获得其他未知位置节点的位置信息；上述已知位置的节点称为锚节点，未知位置的节点称为未知节点或待测节点。现有无线传感器网络节点自身定位方法主要有两种：即基于测距技术的定位方法和无需测距的定位方法。基于测距技术的定位方法通过测量节点间点到点的距离或角度信息计算出待测节点的位置，上述方法的精度较高，但对节点的硬件也提出了很高的要求，并且通常需要多次测量，循环求精，在获得相对精确的定位结果的同时会产生大量计算和通信开销，所以，这种方法虽然定位精度较高，但不适用于低功耗，低成本的应用领域。\n[0005] 无需测距的定位方法无需距离和角度信息，仅根据网络连通性和已知位置的锚节点等信息就能实现相对精确的定位功能，但是无需测距的定位方法的精度和收敛速度一定程度上依赖于网络平均每跳距离估计的精度，而且当传感器网络各向异性或拓扑结构比较复杂时算法的性能将明显变差。例如公开号为CN101004448(专利申请号：\nCN200710062844.9)的中国发明专利《无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法》就公开了这样一种无需测距的无线传感器节点定位方法方法，其包括：锚节点广播发送包含自身位置的信息；未知节点接收锚节点发送的信息；未知节点接收到两个以上锚节点的信息时，计算以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域；根据未知节点是否在接收到的任意三个锚节点组成的三角形内和所述的圆的相交区域对未知节点进行定位：\n判断未知节点是否在接收到的任意三个锚节点组成的三角形内，如果未知节点不在任意三个锚节点组成的三角形内，则以包含所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置；否则计算未知节点所在的任意三个锚节点组成的三角形的相交区域，以包含三角形的相交区域和所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置。上述定位方法关键是通过测量信号的衰减程度来估计目标节点和3个以上锚节点之间的距离，在锚节点坐标已知的条件下，以3个锚节点坐标为圆心，待测节点与锚节点的距离为半径画圆，则3个圆的交点即为待测节点的位置。这种定位方法可以应用在现有无线传感器网络节点平台上，但这种方法容易易受温度、湿度、障碍物、多径等环境因素的影响，定位精度不高。\n发明内容\n[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种定位精度高，不易受环境因素影响，且成本低的基于测距技术的无线传感器网络节点定位方法。\n[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该无线传感器网络节点定位方法，包括至少三个位置已知的锚节点，位置未知的待测节点及后台定位中心，所述至少三个位置已知的锚节点中至少有一个锚节点作为网关锚节点通过网络与后台定位中心相连，其特征在于：所述无线传感器网络节点定位方法通过以下步骤实现：\n[0008] 步骤一：各个位置已知的锚节点按固定功率周期性广播发送定位用信标信号；\n[0009] 步骤二：所述待测节点接收上述定位用信标信号，待所述待测节点获得一组完整的来自同一个锚节点的定位用信标信号后，将接收到的一组完整定位用信标信号的接收信号强度值发送给所述网关锚节点；\n[0010] 步骤三：所述网关锚节点将待测节点的接收信号强度值和所述锚节点的发送信号强度值发送给所述后台定位中心；\n[0011] 步骤四：所述后台定位中心根据发送信号强度值与接收信号强度值之间的差值计算出所述待测节点到所述锚节点之间的距离；\n[0012] 步骤五：所述后台定位中心根据所述待测节点到各个锚节点之间的距离对所述测节点的位置坐标进行计算。\n[0013] 上述步骤四中通过以下方法计算待测节点和锚节点之间的距离：\n[0014] (1)、取距位置已知锚节点的距离为d0的参考节点，其中d0为已知常数，并测量出该参考节点的接收信号强度值，用锚节点的发射信号强度值减去该参考节点的接收信号强度值得到参考点的传输路径损耗，用L(d0)表示；\n[0015] (2)、将所述锚节点的发送信号强度值减去所述待测节点的接收信号强度值，其信号强度差值用L(d)表示；\n[0016] (3)、计算出所述待测节点到所述锚节点之间的距离，用d表示：\n[0017] \n[0018] 其中，a为常数，其取值范围为10±2，xσ为标准偏差为σ的正态随机变量，b为常数，其取值范围为10±2，n为路径损耗指数。\n[0019] 上述步骤五中所述待测节点的位置坐标通过通过Chan氏算法获得：用 表示待测节点的位置坐标，用 表示网关锚节点的位置坐标，用 表示另外两个锚节点的位置坐标：\n[0020] \n[0021] 其中，d1表示待测节点到网关锚节点之间的距离，d2、d3表示待测节点到另外两个锚节点之间的距离。\n[0022] 与现有技术相比，本发明的优点在于：根据锚节点发送信号强度与待测节点接收信号强度的差值，计算待测节点到所述锚节点之间的距离，然后利用待测节点到各个锚节点之间的距离差值来对待测节点的位置坐标进行定位的实现方法，能有效减少定位误差，尤其是相关多径干扰引起的误差，提高定位精度。\n附图说明\n[0023] 图1为本发明实施例中无线传感器网络节点结构示意图；\n[0024] 图2为本发明实施例中无线传感器网络节点定位方法的流程图；\n具体实施方式\n[0025] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。\n[0026] 无线传感器网络由许多未知位置且随机分布的待测传感器节点SN和至少三个已知位置的锚节点AN组成，其中某个锚节点可以充当网关节点与后台定位中心通信。在本实施例中，有三个锚节点AN1、AN2、AN3，其位置坐标已知，锚节点AN1作为网关锚节点与后台定位中心通信，其坐标为 ，锚节点AN2的坐标为 ，锚节点AN3的坐标为 ，待测节点SNn的位置未知，详细见图1所示。\n[0027] 如图2，本发明提供无线传感器网络节点定位方法始于在待测区域布置位置已知的三个锚节点AN1、AN2、AN3，取锚节点AN1为网关锚节点，然后三个锚节点AN1、AN2、AN3按照固定功率周期性广播发送定位用信标信号，待测节点接收锚节点的定位用信标信号，当待测节点获得一组完整的来自同一个锚节点的定位用信标信号后，将接收到的一组完整定位用信标信号的接收信号强度值发送给网关锚节点AN1，网关锚节点AN1将待测节点的接收信号强度值和所述锚节点的发送信号强度值发送给所述后台定位中心，后台定位中心根据发送信号强度值与接收信号强度值之间的差值计算出待测节点分别到三个锚节点AN1、AN2、AN3之间的距离d1、d2、d3，然后后台定位中心根据待测节点到三个锚节点AN1、AN2、AN3之间的距离对测节点的位置坐标进行计算。\n[0028] 上述后台定位中心通过以下方式计算待测节点SNn和三个锚节点AN1、AN2、AN3之间的距离d1、d2、d3：\n[0029] (1)、取距三个锚节点AN1、AN2、AN3的距离均为d0的三个参考节点，其中d0为已知常数，并测量出这三个参考节点的接收信号强度值，用三个锚节点AN1、AN2、AN3的发射信号强度值分别减去上述三个参考节点的接收信号强度值得到三个参考点的传输路径损耗，分别用L(d0)1、L(d0)2、L(d0)3表示；\n[0030] (2)、将锚节点AN1的发送信号强度值减去待测节点分别接收锚节点AN1的定位用信标信号的接收信号强度值，其信号强度差值用L(d)1表示；将锚节点AN2的发送信号强度值减去待测节点分别接收锚节点AN2的定位用信标信号的接收信号强度值，其信号强度差值用L(d)2表示；将锚节点AN3的发送信号强度值减去待测节点分别接收锚节点AN3的定位用信标信号的接收信号强度值，其信号强度差值用L(d)3表示；\n[0031] (3)、计算出待测节点到三个锚节点AN1、AN2、AN3之间的距离：\n[0032] \n[0033] \n[0034] \n[0035] 其中，a为常数，其取值范围为10±2，xσ为标准偏差为σ的正态随机变量，b为常数，其取值范围为10±2，n为路径损耗指数。\n[0036] 上述后台定位中心根据通过通过Chan氏算法计算待测节点的位置坐标[0037]