專利名稱：一種基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種無線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域，特別涉及ー種基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法。
背景技術(shù)：
無線自組織網(wǎng)絡(luò)是ー種多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)，具有分布式控制和無中心的體系結(jié)構(gòu)，能夠在部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效后維持剩余節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)和通信能力。這類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍廣泛且復(fù)雜，比如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一大應(yīng)用領(lǐng)域。除了無線網(wǎng)絡(luò)中需要討論的傳統(tǒng)問題，如信道接入與控制，多跳路由選擇與優(yōu)化、安全隱患等，無線自組織網(wǎng)絡(luò)還面臨著由其特性帶來的需要研究解決的課題，如何確定隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)自身位置就是其中的關(guān)鍵問題之一。位置信息是無線自組織網(wǎng)絡(luò)能夠提供有效服務(wù)的基本信息，如果感知或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不知道來源對象的位置，一般的這種數(shù)據(jù)毫無意義。此外，節(jié)點(diǎn)位置在不 少無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法設(shè)計(jì)中也是基本的支撐信息。對于體積小、功耗低、價(jià)格低的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不適宜采用GPS定位，而是結(jié)合應(yīng)用需求開發(fā)分布式節(jié)點(diǎn)定位方法。已知位置坐標(biāo)、能力較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，大部分定位方法都采用了一定比率的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)輔助定位，它們在定位中是重要的參考點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置的獲知往往通過人エ部署或者通過GPS實(shí)現(xiàn)，人工部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的方式不僅受工作環(huán)境的限制，還嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴(kuò)展性。因此，非常需要針對無線自組織網(wǎng)絡(luò)開發(fā)既不依賴信標(biāo)節(jié)點(diǎn)又能夠精確確定物理位置的節(jié)點(diǎn)自定位方法?，F(xiàn)有的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中，典型方法如發(fā)表于IEE Proceedings,論又名為 Design and Implementation of a Bluetooth Aa Hoc Network for IndoorPositioning (D0I10. 1049/ip-sen :20045027),該文獻(xiàn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境下基于藍(lán)牙傳感器的定位系統(tǒng)，通過ー個(gè)中心控制單元分析計(jì)算，能夠在按需服務(wù)請求時(shí)實(shí)現(xiàn)精確的定位。此系統(tǒng)依賴于節(jié)點(diǎn)具有藍(lán)牙模塊，通信距離有限。韓國專利申請KR20100042999,名稱為 A Reactive Local Positioning Systemfor Ad Hoc and Method Thereof,公開的該發(fā)明通過設(shè)定的中間節(jié)點(diǎn)，在收到位置請求報(bào)文后，計(jì)算本地坐標(biāo)系，并檢查目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否在一定的距離范圍內(nèi)，根據(jù)距離遠(yuǎn)近進(jìn)行相應(yīng)處理。該發(fā)明僅能計(jì)算相對的本地坐標(biāo)位置。美國專利申請US2004082341,名稱為 System and Method for DeterminingRelative Positioning in Ad-Hoc Networks,公開的該發(fā)明利用移動(dòng)接入點(diǎn)、無線路由器和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)等裝置，實(shí)現(xiàn)具有經(jīng)緯坐標(biāo)的絕對位置定位，或者僅有臨節(jié)點(diǎn)之間距離和角度信息的相對定位。加拿大專利申請CA 2762092,名稱為 Improved Detection and Location of Wireless Field Devices,公開的該發(fā)明通過ー個(gè)移動(dòng)維護(hù)工具來確定通信區(qū)域內(nèi)的無線節(jié)點(diǎn)位置。中國專利申請CN200780005683. 8，名稱為“在自組織網(wǎng)絡(luò)中基于距離的相對3D定位”，公開的該發(fā)明使用相鄰節(jié)點(diǎn)的距離值，建立相對坐標(biāo)系來計(jì)算某些節(jié)點(diǎn)的3D位置，該發(fā)明僅能估算相對位置。中國專利申請CN201110191816.3，名稱為“基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無錨點(diǎn)戰(zhàn)場傷員定位方法”，公開的該發(fā)明利用救護(hù)人員節(jié)點(diǎn)終端接收士兵節(jié)點(diǎn)RSSI數(shù)據(jù)，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的相對坐標(biāo)，根據(jù)其ID確定傷員的位置。該發(fā)明雖然不使用錨節(jié)點(diǎn)，但是實(shí)際上僅能確定節(jié)點(diǎn)(戰(zhàn)場傷員)的相對位置。中國專利申請CN201110179976. 6，名稱為“一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法”，公開的該發(fā)明根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)信息使用二分迭代法估算位置節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)獲得未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離后，通過解超定方程計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。在有些場景下，如戰(zhàn)場、災(zāi)難救援等，不適宜部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，但是需要確定被感知對象的物理位置，上述文獻(xiàn)和專利發(fā)明的定位方法就無法采用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，它采用無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)定位方法，解決了測距類方法普遍存在的反轉(zhuǎn)分歧問題，并且實(shí)現(xiàn)精確的物理定位。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)步驟S101，無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初始化，各節(jié)點(diǎn)查找相鄰節(jié)點(diǎn)并測量鄰節(jié)點(diǎn)的距離和角度信息；步驟S102，各節(jié)點(diǎn)構(gòu)建本地平面直角坐標(biāo)系，所有坐標(biāo)系從上方看時(shí)總是符合右手法則；步驟S103,計(jì)算鄰節(jié)點(diǎn)的本地坐標(biāo)；步驟S104，相鄰節(jié)點(diǎn)求解基于齊次坐標(biāo)的坐標(biāo)系變換矩陣，使得相對于一個(gè)本地坐標(biāo)系的節(jié)點(diǎn)通過變換矩陣的轉(zhuǎn)換可以計(jì)算出相對于另一個(gè)本地坐標(biāo)系的坐標(biāo)；步驟S105，選定全局坐標(biāo)系原點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過坐標(biāo)系變換矩陣的遞歸式傳遞，計(jì)算出全局物理坐標(biāo)。整個(gè)流程如圖I所示。上述的基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，各節(jié)點(diǎn)具有測量鄰節(jié)點(diǎn)距離和方向角的能力。上述的步驟SlOl中，無線自組織網(wǎng)絡(luò)中并不需要部署已知位置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，而全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以自主實(shí)現(xiàn)物理定位。上述的步驟S103中，未知鄰節(jié)點(diǎn)u只需要與除本地坐標(biāo)系原點(diǎn)i以外的I個(gè)已知鄰節(jié)點(diǎn)j相鄰，就可以通過鄰節(jié)點(diǎn)間距離和角度信息求解其本地坐標(biāo)艽。上述的步驟S104中，所述的相鄰節(jié)點(diǎn)求解基于齊次坐標(biāo)的二維坐標(biāo)系變換矩陣中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的齊次坐標(biāo)采用行向量表示時(shí)，任意節(jié)點(diǎn)j的本地坐標(biāo)系LCSj轉(zhuǎn)換到與相鄰節(jié)點(diǎn)i的本地坐標(biāo)系LCSi重合時(shí)的變換矩陣計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.ー種基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟S101，無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初始化，各節(jié)點(diǎn)查找相鄰節(jié)點(diǎn)并測量與相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離和相対的角度信息； 步驟S102，各節(jié)點(diǎn)構(gòu)建自己的本地平面直角坐標(biāo)系，所有坐標(biāo)系從上方向下看時(shí)總是符合右手法則； 步驟S103,計(jì)算各鄰節(jié)點(diǎn)的本地坐標(biāo)； 步驟S104，相鄰節(jié)點(diǎn)求解基于齊次坐標(biāo)的坐標(biāo)系變換矩陣，使得相對于ー個(gè)本地坐標(biāo)系的節(jié)點(diǎn)通過變換矩陣的轉(zhuǎn)換計(jì)算出相對于另一個(gè)本地坐標(biāo)系的坐標(biāo)； 步驟S105，選定全局坐標(biāo)系原點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過坐標(biāo)系變換矩陣的遞歸式傳遞，計(jì)算出全局物理坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述步驟SlOl中，無線自組織網(wǎng)絡(luò)中并不部署已知位置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自主進(jìn)行物理定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述步驟S103中，未知鄰節(jié)點(diǎn)u利用除本地坐標(biāo)系原點(diǎn)i以外的I個(gè)已知相鄰的鄰節(jié)點(diǎn)j，通過鄰節(jié)點(diǎn)間距離和角度信息求解其本地坐標(biāo)艽。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述步驟S104中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的齊次坐標(biāo)采用行向量表示時(shí)，任意節(jié)點(diǎn)j的本地坐標(biāo)系LCA轉(zhuǎn)換到與相鄰節(jié)點(diǎn)i的本地坐標(biāo)系LCSi重合時(shí)的變換矩陣計(jì)算公式為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述步驟S105中，所述的全局坐標(biāo)系GCS原點(diǎn)是靜止的。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述步驟S105中，任意節(jié)點(diǎn)u計(jì)算全局物理坐標(biāo)的公式為gcsPu = iPu .11% 其中resPu代表節(jié)點(diǎn)U在全局坐標(biāo)系中的位置， iPu代表節(jié)點(diǎn)u在本地坐標(biāo)系LCSi中的位置， 代表把節(jié)點(diǎn)i的本地坐標(biāo)系LCSi轉(zhuǎn)換到與全局坐標(biāo)系GCS重合時(shí)的變換矩陣，i與全局坐標(biāo)系原點(diǎn)未必相鄰。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的坐標(biāo)系變換矩陣計(jì)算公式，其特征在于，旋轉(zhuǎn)變換角Θ的計(jì)算公式為， Θ = Θji Θij+ π ,其中Θ Ji代表節(jié)點(diǎn)i相對于節(jié)點(diǎn)j的方向角，Θ ij代表節(jié)點(diǎn)j相對于節(jié)點(diǎn)i的方向角 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于齊次坐標(biāo)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，該方法包括如下步驟無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初始化，各節(jié)點(diǎn)查找相鄰節(jié)點(diǎn)并測量鄰節(jié)點(diǎn)的距離和角度信息；各節(jié)點(diǎn)構(gòu)建本地平面直角坐標(biāo)系，所有坐標(biāo)系從上方看時(shí)總是符合右手法則；計(jì)算鄰節(jié)點(diǎn)的本地坐標(biāo)；相鄰節(jié)點(diǎn)求解基于齊次坐標(biāo)的坐標(biāo)系變換矩陣，使得相對于一個(gè)本地坐標(biāo)系的節(jié)點(diǎn)通過變換矩陣的轉(zhuǎn)換可以計(jì)算出相對于另一個(gè)本地坐標(biāo)系的坐標(biāo)；選定全局坐標(biāo)系原點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過坐標(biāo)系變換矩陣的遞歸式傳遞，計(jì)算出全局物理坐標(biāo)。本發(fā)明充分利用了無線節(jié)點(diǎn)自身的測距、側(cè)角能力，在不適宜部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，可以確定各未知節(jié)點(diǎn)物理位置。
文檔編號(hào)H04W64/00GK102711241SQ20121017231
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者丁曉鳳, 周勁, 張遠(yuǎn), 賈忠田, 陳月輝, 韓春燕 申請人:濟(jì)南大學(xué)