一種基于正交投影檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊的三維定位器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計了一種基于正交投影檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊的三維定位器。利用正交投影方法，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)三維節(jié)點定位的翻轉(zhuǎn)模糊檢測等價為在三維空間中尋找一條直線的問題，要求該直線滿足任意兩個參考節(jié)點的測距誤差球在它上面的正交投影線段有重疊部分；將尋找這一直線的問題轉(zhuǎn)化為一個角度計算問題，并利用坐標(biāo)變換的方式求解，簡化了計算過程。本發(fā)明采用多邊定位方法進(jìn)行三維節(jié)點的定位，定位中加入計算復(fù)雜度較低的基于正交投影的節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊檢測措施，不僅具有較好的檢測效果和較低的計算復(fù)雜度，而且提高了節(jié)點定位精度。
【專利說明】一種基于正交投影檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊的三維 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)點定位領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks,WSN)節(jié)點定位是當(dāng)前的研究熱點之 一。WSN的節(jié)點定位方法通?？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)點的翻轉(zhuǎn)模糊問題。而且，基于測距 的定位方法在實際定位中，如果發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，就可能產(chǎn)生節(jié)點定位的雪崩效應(yīng)，導(dǎo)致整個 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位失效。因此，有必要采取一定的措施去檢測節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊是否會發(fā)生，從而 減小其對整個網(wǎng)絡(luò)定位過程的影響。
[0003] 目前，針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位中翻轉(zhuǎn)模糊檢測的研究都是集中在二維空間。 在二維空間中主要采用魯棒四邊形的方法來檢測節(jié)點定位的翻轉(zhuǎn)模糊問題。該類方法通過 判斷未知節(jié)點和三個參考節(jié)點組成的一個四邊形是否滿足一定的幾何條件，來確定未知節(jié) 點的定位不發(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參考節(jié)點的 三邊定位。相對于三邊定位方法，在二維空間中，使用多于三個參考節(jié)點的多邊定位方法更 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)點定位中，大多采用多 邊定位方法。目前針對二維空間多邊定位中節(jié)點翻轉(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) 模糊問題等價為判斷是否存在一條直線和若干圓（以參考節(jié)點為圓心，以參考節(jié)點到未 知節(jié)點的測距誤差絕對值的最大值為半徑）都相交（ExistenceofIntersectingLine, EIL)問題，是目前在二維空間中判斷效果較好的一種用于多邊定位中節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊的檢測 方法。
[0004] 在我們之前，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三維定位的翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法的研究還屬空 白。我們首次提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三維定位的翻轉(zhuǎn)模糊檢測問題可以等價為判斷在三 維空間中是否存在一個平面和若干球（以參考節(jié)點為球心，以參考節(jié)點到未知節(jié)點的測距 誤差絕對值的最大值為半徑）都相交（ExistenceofIntersectingPlane，EIP)問題。為 了求解EIP問題，我們曾經(jīng)提出了一種基于公切面的翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法，但是該方法的計 算復(fù)雜度太高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對當(dāng)前基于公切面的方法求解EIP問題計算復(fù)雜度太高的缺陷，本發(fā)明提供了 一種基于正交投影檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊的三維定位器。此定位器中在三維定位 過程中加入了檢測節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊的措施，并利用正交投影的方法，將EIP問題等價為在三 維空間中尋找一條直線，使其滿足任意兩個參考節(jié)點的測距誤差球在它上面的投影線段有 重疊。該方法能夠降低檢測節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊的計算復(fù)雜度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn) 的：
[0006] 將尋找滿足上述條件的直線問題轉(zhuǎn)化為一個角度計算問題，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)點三維定位過程中，最后用多邊定位方 法對未知節(jié)點進(jìn)行三維定位。
[0007] 具體實現(xiàn)過程如下：
[0008] 1.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點三維定位中的翻轉(zhuǎn)模糊問題描述
[0009] 節(jié)點三維定位的翻轉(zhuǎn)模糊問題的發(fā)生指的是當(dāng)參考節(jié)點間的位置幾乎共面時，由 于測距誤差的存在，導(dǎo)致未知節(jié)點的定位存在兩個關(guān)于某一個平面成鏡像關(guān)系的估計位 置。圖2是節(jié)點三維定位的翻轉(zhuǎn)模糊示意圖，圖中節(jié)點A、B、C和D是四個位置已知的參考

【權(quán)利要求】
1. 一種基于正交投影的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點翻轉(zhuǎn)模糊的三維定位器，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)點三維定位翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法，該方法將節(jié)點三維 定位中的翻轉(zhuǎn)模糊檢測等價為在三維空間中尋找一條直線問題，要求該直線滿足任意兩個 參考節(jié)點的測距誤差球在它上面的投影線段有重疊； 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位器，其特征在于：將節(jié)點三維定位翻 轉(zhuǎn)模糊檢測中尋找滿足條件的直線問題等價為尋找直線的方向向量問題，并將其轉(zhuǎn)化為一 個角度計算問題，然后利用坐標(biāo)變換的方式簡化了求解過程； 根據(jù)權(quán)利要求1及2所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位器，其特征在于：具體步驟如下： 步驟1 :在三維空間中尋找可定位的未知節(jié)點； 步驟2 :通過無線信道模型估計未知節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離； 步驟3 :設(shè)定各參考節(jié)點的測距誤差球的半徑； 步驟4 :用基于正交投影方法檢測未知節(jié)點的三維定位是否會發(fā)翻轉(zhuǎn)模糊； 假設(shè)需要尋找的直線經(jīng)過坐標(biāo)原點，該直線在坐標(biāo)平面^F和上的正交投影線Λ 和；與4由正方向的夾角分別為和A (〇彡〇，見）。
2. 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，并計算出各 參考節(jié)點在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，得到如下的一個不等式組：
上式中，（I，JV 4)和（4, Λ，4)分別是第仿個和第個參考節(jié)點在原始坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)，rjP ^分別表示第?t和第個球的半徑，々為參考節(jié)點的個數(shù)； 對該不等式組用粒子群方法求解，若其有解，則說明有滿足條件的〃和，值，節(jié)點的 三維定位可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，進(jìn)入步驟5;否則，節(jié)點的三維定位不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，進(jìn)入 步驟6 ; 步驟5 :未知節(jié)點的三維定位可能會發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊,不對其定位； 步驟6 :用多邊定位方法對未知節(jié)點進(jìn)行三維定位，求出其估計位置。
【文檔編號】H04W64/00GK104519572SQ201410850627
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】董恩清, 劉偉, 宋洋 申請人:威海藍(lán)海通信技術(shù)有限公司