一種基于正交投影能夠檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的定位器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于正交投影能夠檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的定位器。利用正交投影方法，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中的翻轉(zhuǎn)模糊檢測等價(jià)為在二維空間中尋找一條直線的問題，要求該直線滿足任意兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的測距誤差圓在它上面的投影線段有重疊部分；將尋找這一直線的問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)角度計(jì)算問題，并利用坐標(biāo)變換的方式求解，簡化了計(jì)算過程。本發(fā)明采用多邊定位方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的定位，定位中加入計(jì)算復(fù)雜度較低的基于正交投影的節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊檢測措施，不僅具有較好的檢測效果，而且提高了節(jié)點(diǎn)定位精度。
【專利說明】一種基于正交投影能夠檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的 定位器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSN)節(jié)點(diǎn)定位是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之 一。WSN的節(jié)點(diǎn)定位方法通?？梢詣澐譃榛跍y距和基于非測距的兩種方法。其中基于測 距的方法，由于定位精度高在節(jié)點(diǎn)定位中被廣泛采用。不過該方法存在從已知的數(shù)據(jù)所估 計(jì)位置信息的非唯一性問題，也就是在定位中將出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)模糊問題。而且，基于測距 的定位方法在實(shí)際定位中，如果發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，就可能產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)定位的雪崩效應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位失效。因此，有必要采取一定的措施去檢測節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊是否會(huì)發(fā)生，從而 減小其對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)定位過程的影響。
[0003] 目前主要采用魯棒四邊形的方法來檢測節(jié)點(diǎn)定位的翻轉(zhuǎn)模糊問題。該類方法通過 判斷未知節(jié)點(diǎn)和三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)四邊形是否滿足一定的幾何條件，來確定未知節(jié) 點(diǎn)的定位不發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊的魯棒性。大多數(shù)魯棒四邊形方法只適用于采用三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的 三邊定位。相對(duì)于三邊定位方法，使用多于三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的多邊定位方法更能得到較小的 平均定位誤差，因此在基于測距的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位中，大多采用多邊定位方法。目 前針對(duì)多邊定位中節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊問題的研究還是非常少，雖然有些魯棒四邊形方法也能用 于多邊定位，但是其計(jì)算復(fù)雜度大，而且判斷效果較差。而將翻轉(zhuǎn)模糊問題等價(jià)為判斷是否 存在一條直線和若干圓（以參考節(jié)點(diǎn)為圓心，以參考節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的測距誤差絕對(duì)值的 最大值為半徑）都相交（Existence of Intersecting Line, EIL)問題，是目前判斷效果較 好的一種用于多邊定位中節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的檢測方法。不過，目前求解EIL問題采用的公切 線法，其計(jì)算復(fù)雜度太大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)當(dāng)前公切線法求解EIL問題計(jì)算復(fù)雜度較高的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于 正交投影能夠檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的定位器。此定位器中在定位過程中加入了 檢測節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的措施，并利用正交投影的方法，將EIL問題等價(jià)為在二維空間中尋找 一條滿足任意兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的測距誤差圓在它上面的投影線段有重疊部分的直線問題，能 夠降低檢測節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的計(jì)算復(fù)雜度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 將尋找滿足上述條件的直線問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)角度計(jì)算問題，并利用坐標(biāo)變換的方式求 解。將翻轉(zhuǎn)模糊檢測加入到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位過程中，最后用多邊定位方法對(duì)未知 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。
[0005] 具體實(shí)現(xiàn)過程如下： 1.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位中的翻轉(zhuǎn)模糊問題描述 節(jié)點(diǎn)定位的翻轉(zhuǎn)模糊問題的發(fā)生指的是當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)間的位置幾乎共線時(shí)，由于 測距誤差的存在，導(dǎo)致未知節(jié)點(diǎn)的定位存在兩個(gè)關(guān)于某一條直線成鏡像關(guān)系的估計(jì) 位置。圖2是節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)模糊示意圖，圖中節(jié)點(diǎn)A、B和C是位置已知的參考節(jié)點(diǎn)， 心、心和分別是他們到未知節(jié)點(diǎn)的測量距離。以B、C兩點(diǎn)為圓心，分別以和心為 半徑畫兩個(gè)圓。未知節(jié)點(diǎn)的位置必然在兩圓的交點(diǎn)D或D'上，且關(guān)于直線BC對(duì)稱。假設(shè) 待定位的未知節(jié)點(diǎn)位置為D，A到D和D'兩點(diǎn)的距離分別為式,和，3,。測量距離^^用 來選擇未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，其選擇的標(biāo)準(zhǔn)是I更接近式，（選擇D)還是更接近，3，(選 擇D')。當(dāng)A、B、C三點(diǎn)幾乎共線時(shí)，式，和?/ζ 3，相差不大。由于測距誤差的存在，就有可 能錯(cuò)誤地選擇IV作為未知節(jié)點(diǎn)D的估計(jì)位置。如果讓這種錯(cuò)誤定位的未知節(jié)點(diǎn)參與其它 未知節(jié)點(diǎn)的定位，可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位失效。
[0006] 2. EIL 問題 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)多邊定位方法需用a α > 3)個(gè)參考節(jié)點(diǎn)來定位一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)。 已知數(shù)據(jù)可以用一個(gè)集合μ={<α.，名、^^。，…，左表示:其中:朽表示第/個(gè)參考節(jié) 點(diǎn)的位置，4表示第』·個(gè)參考節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的測量距離。4 =式.+ ~，其中4和q分別 表示第i個(gè)參考節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的真實(shí)距離和測距誤差。將每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)沿著各自的測距 方向平移G至一個(gè)新的位置爲(wèi)，可以得到另一個(gè)集合M' ={<爲(wèi)，4>}。與集合Μ不 同，集合Μ'沒有測距誤差。因此，在集合Μ'中，如果平移后的々個(gè)節(jié)點(diǎn)位置爲(wèi)不共線，那 么，在未知節(jié)點(diǎn)的定位過程中肯定不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊。
[0007] 在實(shí)際情況下，測距誤差f 是未知的，所以無法求出參考節(jié)點(diǎn)平移后的位置爲(wèi)。 不過G的取值是有界限的，故可以求出爲(wèi)所處的區(qū)域范圍。若L表示未知節(jié)點(diǎn)到第i個(gè) 參考節(jié)點(diǎn)測距誤差絕對(duì)值的最大值，即，4 = maxki|,i=l，2,…，左。那么，爲(wèi)必然在以為 圓心，L為半徑的圓內(nèi)?？梢杂眉蟂={ <A.，L > }，i=l，2，···，々表示這左個(gè)圓。對(duì) 于集合S，若存在一條直線和々個(gè)圓都相交，那么平移后的位置爲(wèi)有可能共線，則會(huì)發(fā)生 節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)模糊；否則，爲(wèi)肯定不會(huì)共線，也不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊。所以，翻轉(zhuǎn)模糊問題可以 等價(jià)為判斷是否存在一條直線和若干圓都相交（EIL)問題。
[0008] 3.基于正交投影的節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法 基于正交投影的節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法的理論基礎(chǔ)來自于如下我們提出的定理。
[0009] 定理：EIL問題的充分必要條件是空間中存在一條直線，任意兩個(gè)圓在該直線上 的正交投影線段有重疊部分。
[0010] 根據(jù)此條定理，EIL問題可以轉(zhuǎn)換為尋找滿足上述條件直線的問題。由于空間中 的每一條直線的方向可以用該直線與橫坐標(biāo)軸的夾角〃來表示，因此EIL問題可等價(jià)為能 否找到滿足條件的直線夾角〃值的問題。角度計(jì)算問題可以采用坐標(biāo)變換的方法來求解， 以簡化計(jì)算過程。
[0011] 若二維空間中有一條直線7與Z軸相交于坐標(biāo)為（a，0)的點(diǎn)P，直線/與Z軸的 夾角為〃（〇 <〃< V)。經(jīng)過兩步坐標(biāo)變換：第1步將原始坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)0 平移至P點(diǎn)，得到坐標(biāo)系。第2步將坐標(biāo)系繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋 轉(zhuǎn)一個(gè)角度〃，得到坐標(biāo)系χΖ Z V z Z。這樣坐標(biāo)系χΖ Z V z Z的橫坐 標(biāo)軸與直線7重合。假設(shè)各圓的圓心在原坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(Α，Λ.)，半徑為r,.，i=l，2,… ，左。由坐標(biāo)變換的公式，可以得出各圓的圓心在坐標(biāo)系z(mì) z Z上的坐標(biāo)為 ￠(? - a)cos5>+? sm ￡!, -(? -?φιη^ + Μ cos_ , i=l，2,…，々。而各圓心在直線 / 上的正交 投影點(diǎn)在坐標(biāo)系'的坐標(biāo)為((巧-￡*)〇<^5 + _^3111漢0)，/=1，2，"％左。因此 若任意兩個(gè)圓在直線7上的正交投影線段有重疊部分，則必須滿足： |(χ? - ) ?05& + (^ "Λ )sm ^ +'rK Qn=l,2,-,k\ /7=1,2,-,k\ m^n) 上式表示的是包含(A-l)/2個(gè)不等式的不等式組。對(duì)該不等式組求解，若其有解， 則空間中存在直線和這A個(gè)圓都相交，節(jié)點(diǎn)定位有可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊。否則，空間中不存在 和這A個(gè)圓都相交的直線，節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊。
[0012] 4.基于正交投影能夠檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的定位器實(shí)現(xiàn)步驟 (1)尋找可定位的未知節(jié)點(diǎn)。
[0013] (2)通過無線信道模型估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離。
[0014] (3)設(shè)定各參考節(jié)點(diǎn)的測距誤差圓的半徑。
[0015] (4)用基于正交投影的方法檢測未知節(jié)點(diǎn)的定位是否會(huì)發(fā)翻轉(zhuǎn)模糊。若節(jié)點(diǎn)定位 可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，進(jìn)入步驟（5);否則，進(jìn)入步驟（6)。
[0016] (5)未知節(jié)點(diǎn)的定位可能會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，不對(duì)其定位。
[0017] (6)用多邊定位方法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，求出其估計(jì)位置。
[0018] 本發(fā)明的有益效果在于： 1.節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊檢測效果 本定位器采用的基于正交投影翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法與目前一般采用的公切線翻轉(zhuǎn)模糊 檢測方法的檢測結(jié)果是相同的。圖3是節(jié)點(diǎn)分別為均勻分布和隨機(jī)分布時(shí)，采用基于正交 投影方法和公切線方法檢測節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的檢測結(jié)果對(duì)比圖。從圖3中可以看出，在不同 節(jié)點(diǎn)分布時(shí)，這兩種方法的檢測結(jié)果是完全相同的。
[0019] 2.節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊檢測的計(jì)算復(fù)雜度 基于正交投影的方法檢測節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)模糊，對(duì)每一對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的測距誤差圓都要列出 一個(gè)不等式，然后對(duì)其求解，因此，本定位器采用的基于正交投影的檢測方法的計(jì)算復(fù)雜度 為0(0。而公切線檢測方法首先要計(jì)算每對(duì)圓的公切線，然后再判斷公切線與其余圓是 否相交，因此公切線檢測方法的計(jì)算復(fù)雜度為〇仏 3)，計(jì)算復(fù)雜度較高。表1和表2分別是 節(jié)點(diǎn)為均勻分布和隨機(jī)分布時(shí)，采用基于正交投影檢測方法和公切線檢測方法檢測一次所 需的平均時(shí)間對(duì)比。在表中，和#分別表示節(jié)點(diǎn)的通信半徑和參考節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)，7^和 7_分別表示公切線翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法和基于正交投影翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法判斷一次所需的 平均時(shí)間，，表示兩者的比值，即，=7^ / 從表中可以看出，對(duì)于兩種節(jié)點(diǎn)分布，基 于正交投影檢測方法檢測一次所需的平均時(shí)間要小于公切線檢測方法，而且隨著參考節(jié)點(diǎn) 數(shù)量的增加，兩者所需時(shí)間的比值越來越大，因此，當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，基于正交投影 檢測方法明顯地更適用。這就說明了與公切線檢測方法相比，本定位器采用的基于正交投 影檢測節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的方法大大降低了計(jì)算復(fù)雜度。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于正交投影能夠檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的定位器，其特征在于：提 出了一種基于正交投影的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法，該方法將節(jié)點(diǎn)定位中 的翻轉(zhuǎn)模糊檢測等價(jià)為在二維空間中尋找一條直線問題，要求該直線滿足任意兩個(gè)參考節(jié) 點(diǎn)的測距誤差圓在它上面的投影線段有重疊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位器，其特征在于：將節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊 檢測中尋找滿足條件的直線問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)角度計(jì)算問題，并用坐標(biāo)變換的方式簡化求解 過程。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1及2所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位器，其特征在于：具體步驟如下： 步驟1 :尋找可定位的未知節(jié)點(diǎn)； 步驟2 :通過無線信道模型估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離； 步驟3 :設(shè)定各參考節(jié)點(diǎn)的測距誤差圓的半徑； 步驟4 :用基于正交投影的方法檢測未知節(jié)點(diǎn)的定位是否會(huì)發(fā)翻轉(zhuǎn)模糊； 假設(shè)需要尋找的直線與原坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸的夾角為〃，首先用坐標(biāo)變換的方法，使 新坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸與所尋找的直線重合，并計(jì)算出各參考節(jié)點(diǎn)在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值， 得到如下的一個(gè)不等式組：
其中，（&，7^)和是分別是第》個(gè)和第/?個(gè)參考節(jié)點(diǎn)在原始坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，rw 和&分別表示第《個(gè)和第/7個(gè)圓的半徑，A為參考節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，對(duì)該不等式組求解，若其有 解，則說明有滿足條件的〃值，節(jié)點(diǎn)定位時(shí)可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，進(jìn)入步驟5;否則，節(jié)點(diǎn)定位 時(shí)不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，進(jìn)入步驟6 ; 步驟5 :未知節(jié)點(diǎn)的定位可能會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，不對(duì)其定位； 步驟6 :用多邊定位方法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，求出其估計(jì)位置。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK104101860SQ201310597657
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】董恩清, 劉偉, 張德敬, 宋洋, 高翔, 孫祺, 崔文韜, 張軍蕊 申請(qǐng)人:山東大學(xué)（威海）