CN101109804A - 一种对无线传感器网络进行三维快速定位的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对无线传感器网络进行三维快速定位的系统和方法，该系统包括GPS定位装置、移动锚点和无线传感器节点；GPS定位装置用于接收GPS卫星的信息，得到移动锚点的位置坐标；移动锚点用于按预设置周期广播定位信息；并穿越指定区域，其在指定区域的移动轨迹为直线；无线传感器节点用于接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并存储其余任一定位信息中的位置坐标；并判断是否获得足够的用于计算其自身位置的位置坐标，计算得到其自身位置。从而无需获得节点之间额距离，采用分布式计算方法，实现了节点间的信息交换与协调；由节点自行计算得到传感器节点的位置。

Description

一种对无线传感器网络进行三维快速定位的系统和方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中自身定位技术领域，尤其涉及的是一种采用移动锚点方式，实现无线传感器网络的节点分布式、不基于测距的三维定位快速定位的系统和方法。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中需感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，主要是通过携带能量有限的电池供电。在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动非常重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测信息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义。因此，确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。

定位信息除用来报告事件发生的地点外，还具有下列用途：目标跟踪，实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹；协助路由，如直接利用节点位置信息进行数据传递的地理路由协议，避免信息在整个网络中的扩散，并可以实现定向的信息查询；进行网络管理，利用传感器节点传回的位置信息构建网络拓扑图，并实时统计网络覆盖情况，对节点密度低的区域及时采取必要的措施，等等。因此，在传感器网络中，传感器节点的精确定位对各种应用有着重要的作用。

通常一种优良的定位方案具有以下特征：(1)锚节点数目尽可能少，配置网络容易；(2)网络通信量最小化，节点所用功耗少；(3)计算方案简单，硬件成本低；(4)鲁棒性(robustness，即健壮性)强，适应各种地理环境；(5)定位精度高。

传统的无线传感器网络节点定位方法常常是一种利用固定锚节点的基于距离的定位方法。固定锚节点就是知道自身地理坐标位置的传感器节点，它们经常被事先安置在某个确定的位置，或者自身配置GPS接收装置通过飞机随意撒在目标区域。前者要求在某些场合并不能得到满足，比如条件恶劣的沙漠、地势险要的地区；后者虽然能够避免自然环境的限制，但是由于GPS接收装置价格昂贵、能耗高且不易回收，所以为少数节点配置这样的装置大大地增加了使用成本。

在基于测距的定位中，测量节点间的距离或方位时采用的方法有基于到达时间(TOA)，到达时间差(TDOA)，接收信号强度(RSSI)和到达角度(AOA)等。TOA、TDOA和AOA方法都需要在节点上安置额外的装置才能获得节点之间的距离或者方位。这种要求一方面增加了整个定位机制的费用，另外对节点硬件提出了比较高的要求。尽管RSSI技术不需要增加任何硬件设施，但是RSSI技术容易受到噪声和障碍物的干扰，用来测量节点之间的距离往往非常的不正确，从而导致定位精度的下降。

为了避免配置固定锚节点的不足，现有技术还引入了无锚点定位方案。但是，该方案由于需要在节点间频繁的进行信息交换与协调，大大地增加了系统通信开销。同时，由于在整个网络中没有绝对的参考点，当网络中临时的参考点移动或者失效时，整个网络就必须重新定位，增大了定位机制的额外开销。这种方案属于集中式方法。

具体地说，集中式方法是指把所需信息传送到某个中心节点，例如，一台服务器，并在那里进行节点定位计算的方式。该方法的特征在于从全网角度统筹规划，计算量和存储量几乎没有限制，则可以获得相对精确的位置估算。但是，该集中式方法的主要缺点是：与中心节点位置较近的节点会因为通信开销大，而过早地消耗完电能，导致整个网络与中心节点信息交流的中断，造成无法实时定位。

并且，传统的无线传感器网络节点定位都是基于平面，不能适用于任意地理环境，比如山丘。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对无线传感器网络进行三维快速定位的方法，采用分布式、不基于测距的方法，无需在传感器节点上使用GPS接收装置或者安置其它额外装置，就可以实现对无线传感器网络进行三维快速定位。

本发明的技术方案如下：

一种对无线传感器网络进行三维快速定位的方法，其包括步骤：A1、在指定区域布置无线传感器节点；A2、各无线传感器节点启动接收装置；A3、移动锚点穿越所述指定区域，其在所述指定区域的移动轨迹为直线；并按预设置周期广播定位信息，其中包含当前的位置坐标；A4、无线传感器节点接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并存储其余任一定位信息中的位置坐标；A5、无线传感器节点判断是否获得足够的用于计算其自身位置的位置坐标，是则根据各位置坐标，计算其自身位置；否则返回步骤A3。

所述的方法，其中，步骤A4具体包括如下步骤，无线传感器节点接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并判断具有最大强度值的定位信息是否第一次接收的定位信息，是则存储最后一次接收的定位信息中的位置坐标，否则存储第一次接收的定位信息中的位置坐标。

所述的方法，其中，步骤A3之前还包括步骤B，各无线传感器节点分别创建定位信息状态表格，其中设置移动锚点的生存时间的最大值作为极值；

并且，步骤A3中，所述定位信息还包含移动锚点的ID和时间戳；

并且，步骤A4具体包括以下步骤：

C1、无线传感器节点判断生存时间是否达到所述极值，是则执行步骤C5，否则接收所述定位信息；

C2、无线传感器节点判断是否第一次收到所述定位信息，是则开始对所述生存时间进行计时；并创建移动锚点访问表格，增加当前移动锚点的定位信息的记录，所述记录包括移动锚点的ID、位置坐标和时间戳，执行步骤C4；否则执行步骤C3；

C3、在所述移动锚点访问表格中增加新记录，并判断当前接收信号强度值是否大于原记录的接收信号强度值，是则在所述移动锚点访问表格中标记具有最大强度值的新记录，执行步骤C4；否则执行步骤C4；

C4、根据所述时间戳，减小所述极值，返回步骤C1；

C5、无线传感器节点将所述移动锚点访问表格中具有最大强度值的定位信息的位置坐标，以及其余任一定位信息中的位置坐标，写入到所述定位信息状态表格。

所述的方法，其中，步骤B仅包括如下步骤，各无线传感器节点分别创建定位信息状态表格；并且，步骤A3中，所述定位信息还包含生存时间的所述最大值；步骤C1之前还包括如下步骤，各无线传感器节点的所述定位信息状态表格中，将所述最大值设为极值。

所述的方法，其中，步骤A5具体包括如下步骤，无线传感器节点根据所述定位信息状态表格，判断其中位置坐标是否足够计算其自身位置，否则复位所述生存时间，返回步骤A3；是则根据各位置坐标，计算其自身位置。

所述的方法，其中，步骤C3中，在所述移动锚点访问表格中仅保留第一次接收的定位信息或最后一次接收的定位信息的记录，以及最大强度值接收信号所对应的定位信息。

所述的方法，其中，步骤C5之后还包括如下步骤，无线传感器节点删除所述移动锚点访问表格。

所述的方法，其中，所述方法还包括步骤A6，无线传感器节点删除定位信息状态表格。

所述的方法，其中，步骤C5还包括如下步骤，按照所述定位信息状态表格存储位置坐标的次数，将所述定位信息状态表格的定位状态信息依次设置为初始定位位置信息、初次定位位置信息、再次定位位置信息和可计算位置信息；并且，步骤A5具体包括如下步骤，判断所述定位状态信息是否可计算位置信息，否则复位所述生存时间，返回步骤A3；是则根据各位置坐标，计算其自身位置。

一种对无线传感器网络进行三维快速定位的系统，其中，其包括GPS定位装置、移动锚点和无线传感器节点；

所述GPS定位装置设置在所述移动锚点上，用于接收GPS卫星的信息，得到所述移动锚点的当前的位置坐标；

所述移动锚点用于按预设置周期广播定位信息，其中包含当前的位置坐标；并穿越所述指定区域，其在所述指定区域的移动轨迹为直线；

所述无线传感器节点用于接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并存储其余任一定位信息中的位置坐标；并判断是否获得足够的用于计算其自身位置的位置坐标，计算得到其自身位置。

所述的系统，其中，所述无线传感器节点设置接收模块、存储模块、比较模块、判断模块和计算模块；其中，所述接收模块用于接收信号并将其中的定位信息存储到所述存储模块；所述比较模块用于比较接收信号的强度值，在所述存储模块中标记具有最大强度值的所述定位信息；所述判断模块用于判断所述存储模块中是否有足够的用于计算其自身位置的位置坐标，并由所述计算模块计算得到所述无线传感器节点的自身位置。

所述的系统，其中，所述移动锚点设置在飞行器上。

采用上述方案，本发明通过把具有最大RSSI值的位置作为定位信息基准点，无需获得节点之间额距离；并采用分布式计算方法，由节点自行计算的定位方式，采用移动锚点的信息得到传感器节点的位置；克服了集中式方法中，与中心节点位置较近的节点由于通信开销大道至高功耗的缺陷，从而增加了整个网络的生存时间，非常适用于低成本的自组织传感器网络。并且本发明具有分布式计算特点以及非常高的精度，无需在节点硬件中加入测距模块，而且计算简单、耗能少，适用于各种三维地理环境，如丘陵地带。

附图说明

图1为本发明方法的定位示意图；

图2为本发明方法的定位计算条件示意图；

图3为本发明的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。

本发明解决的是不基于测距的分布式定位问题，该问题模型如下：飞机将传感器节点布放到指定的区域中，随机布放的传感器节点无法事先知道自身位置，通过模型飞机装载配备GPS装置的移动锚点完成节点自身的定位。

如图1所示，本发明提供了一种对无线传感器网络进行三维快速定位的系统，其包括GPS定位装置、移动锚点和无线传感器节点；其中，所述GPS定位装置设置在所述移动锚点上，用于接收GPS卫星的信息，得到所述移动锚点的当前的位置坐标；所述移动锚点可以有多个，用于按预设置周期广播定位信息，其中包含当前的位置坐标；并穿越所述指定区域，其在所述指定区域的移动轨迹为直线；至少需要穿越3次才能确保有足够的数据计算节点的位置；具体如图2所示。也就是说，移动锚点在单次生存时间内，即一次移动的时间内，必须按照直线移动，且必须穿过各个传感器的监控区域；即在所述指定区域的移动轨迹为直线。在整个定位过程中，移动锚点的穿越轨迹应该是由不同直线，至少三条不同直线，构成的折线。

广播周期是受硬件和通信环境限制的，和节点的发送速率和所发送的信息的长度有关。原则上是广播周期越小，发送速率越大，定位精度越大，则效果更好；一般的周期值都可以小到0.1s。例如，所发送的信息长度为1000bits，发送速率为20kb/s，如果忽略节点的处理时间，实际节点的处理时间也是很小的，则移动锚点的广播周期只要小于1÷20000×1000＝0.05s即可。

所述无线传感器节点用于接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并存储其余任一定位信息中的位置坐标；并判断是否获得足够的用于计算其自身位置的位置坐标，计算得到其自身位置。本发明的特点是通过装载GPS装置的移动锚点周期性地广播自身信息，传感器节点在收到移动锚点发出的信息之后，选出具有最大RSSI值的点作为定位基准点，然后分别通过这些点做垂直于飞机飞行轨迹的平面，通过三个垂直平面的交点确定节点的位置。这样，所获得无线传感器节点的自身位置信息包括节点的经度、纬度、和高度，从而完成了无线传感器网络各节点的三维快速定位。

具体实施中，本发明的系统中，所述无线传感器节点设置接收模块、存储模块、比较模块、判断模块和计算模块；其中，所述接收模块用于接收信号并将其中的定位信息存储到所述存储模块；所述比较模块用于比较接收信号的强度值，在所述存储模块中标记具有最大强度值的所述定位信息；所述判断模块用于判断所述存储模块中是否有足够的用于计算其自身位置的位置坐标，是，则由所述计算模块根据各位置坐标所述计算得到所述无线传感器节点的自身位置，从而完成了自组织传感器网络的组建。具体的计算方法在下面进行详细说明。

在具体实现中，移动锚点必须配置GPS装置且具备充足的能量，其可以设置在飞行器上，例如用模型飞机装载移动锚点，且飞机在穿越整个传感器监控区域的过程中按照直线轨迹飞行；飞行时间没有强制性的要求，只要保证在穿越传感器监控区域内按照直线飞行即可。在定位的过程中，传感器节点必须处在接收状态。

并且，本发明还提供了一种对无线传感器网络进行三维快速定位的方法，其包括以下步骤，具体如图3所示。

A1、在指定区域布置无线传感器节点；本发明不具体限定无线传感器节点的布置方式，各无线传感器节点在指定区域内组成了无线传感器网络。

A2、各无线传感器节点启动接收装置；接收装置用于接收移动锚点的广播信息，例如下面涉及的定位信息等。各无线传感器可以采用普通电池或太阳能电池等等作为能源，并给接收装置提供相应的能源，本发明对此没有额外限制。

A3、移动锚点穿越所述指定区域，其在所述指定区域的移动轨迹为直线；并按预设置周期广播定位信息，其中包含当前的位置坐标；至少需要穿越3次才能确保有足够的数据计算节点的位置。

A4、无线传感器节点接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并存储其余任一定位信息中的位置坐标；这样两个位置坐标可以确定该直线，称为该直线的一组位置坐标。

一般来说，为增加该直线的精度，选取的两个位置坐标不宜过近，要保证所选择的点的位置不能靠近具有最大RSSI值的点，否则误差会增加。因此，一个较好的实施例是，步骤A4具体可以包括，无线传感器节点接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并选取一个距离最大RSSI值的点较远的位置坐标进行存储，用于计算该直线。

更好的是，步骤A4具体可以包括，无线传感器节点接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并判断具有最大强度值的定位信息是否第一次接收的定位信息，是则存储最后一次接收的定位信息中的位置坐标，否则存储第一次接收的定位信息中的位置坐标。

一个更好的实施例是，计算第一次接收的定位信息中的位置坐标、最后一次接收的定位信息中的位置坐标与接收信号强度值RSSI最大的位置坐标的距离，选取距离较大的位置坐标进行存储，用于计算该直线。

A5、无线传感器节点判断是否获得足够的用于计算其自身位置的位置坐标，否则返回步骤A3；是则根据各位置坐标，计算其自身位置；至此，完成了本发明方法。一般来说，至少需要三组位置坐标才能计算无线传感器节点的自身位置；例如，其中一组位置坐标所确定的直线L1和无线传感器节点O所组成的平面P1，另一组位置坐标所确定的直线L2和无线传感器节点O所组成的平面P2，如果P1与P2平行，则至少还需要第四组位置坐标才能计算无线传感器节点的自身位置。

并且，所述方法还可以包括步骤A6，无线传感器节点删除定位信息状态表格。

具体实施中，步骤A3之前还可以包括步骤B，各无线传感器节点分别创建定位信息状态表格，其中设置移动锚点的生存时间的最大值作为极值；也可以同时设置生存时间的初始值；每一无线传感器节点均建立所述定位信息状态表格，并且设有计时器，用于计算生存时间是否届满或期满，既达到了所述最大值；并且，初始值和最大值可以是在无线传感器出厂或者使用时进行预设值，同时，所述最大值是一个可以修改的值。

此时，步骤A3中，所述定位信息还包含有移动锚点的ID和时间戳。还可以根据需要包括移动锚点的其他信息，例如，还可以包括移动锚点的生存时间，这个生存时间可以是所述最大值，也可以是已经生存的时间值。

此时，步骤A4具体包括以下步骤：

C1、无线传感器节点判断生存时间是否达到所述极值，是则执行步骤C5，否则接收所述定位信息，执行步骤C2。

例如，所述生存时间达到所述极值，则无线传感器节点将所述移动锚点访问表格中的位置坐标，写入到所述定位信息状态表格；然后，删除所述移动锚点访问表格，并设置所述定位信息状态表格的定位状态信息；无线传感器判断所述定位状态信息是可计算位置信息，则根据所述定位信息状态表格中所记录的各位置坐标，计算其自身位置，至此完成全部过程。如果所述定位状态信息不是可计算位置信息，则复位所述生存时间，将其设为初始值，返回步骤A3，也可以直接执行步骤C1。

所述生存时间未达到所述极值，则接收所述定位信息，执行步骤C2。

C2、无线传感器节点判断是否第一次收到所述定位信息，是则开始对所述生存时间进行计时；并创建移动锚点访问表格，增加当前移动锚点的定位信息的记录，所述记录包括移动锚点的ID、位置坐标和时间戳，执行步骤C4；否则执行步骤C3。如果是采用一个移动锚点的话，定位信息中可以不包括锚点的ID。但是，本发明的算法并不拘泥于利用一个移动锚点，在多个锚点的情况下，定位算法也可以工作。因此，如果存在多个移动锚点，则所述记录需包括移动锚点的ID。

C3、在所述移动锚点访问表格中增加新记录，并判断当前接收信号强度值是否大于原记录的接收信号强度值，是则在所述移动锚点访问表格中标记具有最大强度值的新记录，执行步骤C4；否则执行步骤C4。

其中，可以在所述移动锚点访问表格中仅保留第一次接收的定位信息或最后一次接收的定位信息的记录，以及最大强度值接收信号所对应的定位信息。

C4、根据所述时间戳，减小所述极值，返回步骤C1；减小所述极值，即减少定时器的到期时间，用于描述移动锚点的生存时间在逐步减少。例如，生存时间的最大值为100s。首先在定位信息表格中设置该时间极值为100s，每当静止节点收到移动锚点发出的定位信息，静止节点就加长该生存时间，即利用原来的极值减去时间戳的值作为新的极值，直到移动锚点的生存时间到达新极值的时候，则说明移动锚点的生存时间届满。

C5、无线传感器节点将所述移动锚点访问表格中具有最大强度值的定位信息的位置坐标，以及其余任一定位信息中的位置坐标，写入到所述定位信息状态表格。所述定位信息状态表格可以存储多个位置坐标，直至可以计算无线传感器节点自身的位置信息为止。

步骤C5还可以包括步骤，按照所述定位信息状态表格存储位置坐标的次数，将所述定位信息状态表格的定位状态信息依次设置为初始定位位置信息、初次定位位置信息、再次定位位置信息和可计算位置信息，分别对应没有位置坐标、有一组位置坐标、有两组位置坐标和有至少3组位置坐标；此时，步骤A5具体包括，判断所述定位状态信息是否可计算位置信息，否则复位所述生存时间，返回步骤A3；是则根据各位置坐标，计算其自身位置。

在步骤C5之后还可以包括步骤，无线传感器节点删除所述移动锚点访问表格。具体可以包括，无线传感器节点删除所述移动锚点访问表格，并按照预定值设置其定位状态信息。其中，所述定位状态信息可以依次设置为初始定位位置信息、初次定位位置信息、再次定位位置信息和可计算位置信息。此时，步骤B中，还可以包括初始化所述无线传感器节点的所述定位状态信息。

其中，一种实施方式是，步骤B可以仅包括，各无线传感器节点分别创建定位信息状态表格，无须设置移动锚点的生存时间的最大值作为极值；此时，步骤A3中，所述定位信息还包含生存时间的所述最大值；步骤C1之前还包括步骤，各无线传感器节点的所述定位信息状态表格中，将所述最大值设为极值。

当存在所述定位信息状态表格时，步骤A5具体可以包括，无线传感器节点根据所述定位信息状态表格，判断其中位置坐标是否足够计算其自身位置，否则复位所述生存时间，返回步骤A3；是则根据各位置坐标，计算其自身位置。

需要说明的是，所述移动锚点在所述生存时间内，需要能够穿越所述指定区域；这样有助于全部无线传感器节点都能获得其广播的信息和保证传感器节点能够正确获得具有最大接收信号强度RSSI值点的位置坐标。即，生存时间的最大值必须保证移动锚点能够移动到传感器节点的监控区域以外的地方。

其中，时间戳在此是必须的，移动锚点可能在没有进入传感器节点的监控范围内，就已经开始广播的信息。由于在监控范围之外，传感器节点是收不到任何信息的。但是移动锚点的生存时间是从移动锚点开始广播消息时算起的，在传感器节点收到第一个信息之后，本发明通过利用时间戳推算出移动锚点已经飞行了多长时间，从而设定好计时器，开始计时，判断移动锚点还有多久届满。比如移动锚点的单次生存时间为100s，当传感器收到第一个信息，得到一个时间戳，即移动锚点发包的时间，比如10s，假设移动锚点从0s开始发包，这时传感器节点就知道移动锚点已经飞行了10s，则把所述极值从100s修改为90s，即将定时器设置为90s。当90s过后，表示移动锚点已经届满了，静止无线传感器节点则即开始进行相关的运算了。

以下参考附图，更详细地描述本发明的实施方法。本发明内容基于计算几何理论，提供了一种实用的分布式、不基于测距的定位方法，只需要传感器节点能够获得移动锚点发出的信息即可完成定位。图1所示为整个定位过程示意图。模型飞机按照一定的飞行轨迹在布满传感器节点的上空飞行，配备GPS装置的移动锚点装载在飞机上，通过卫星获得自己的当前位置并周期性地广播自己的信息，节点通过接收移动锚点发出的信息根据一定的定位算法分布式的计算出自己的估计位置。

图2所示为整个定位的说明图。模型飞机按照任意的直线在传感器接收范围内飞行，飞行轨迹只需要保证在穿越传感器监控区域的过程中保证是直线飞行即可。节点接收移动锚点发出的信息，当飞机飞出传感器监控范围之后，传感器节点根据最大RSSI值获得相应的定位基准点，即当飞机飞离传感器监控范围之后，节点进行判断，获得最大的RSSI值所对应的位置。通过三个这样的定位基准点做三个垂直于飞机轨迹的平面，三个平面的交点就是节点的估计位置。该方案克服了现有方案需要获得节点之间的距离信息才能定位的缺陷，同时弥补了安置固定锚点的不足，适应于各种不同的地理环境。整个定位计算过程是在各节点分布式实施，避免了集中式操作产生的大量通信开销。

图3所示为本发明方法的定位步骤和细节流程图。本发明提供的无线传感器网络定位方法的一个实施例，依次可以包括如下过程。

101：在指定区域布置传感器节点，最常用的方式就是通过飞机在指定的区域范围内随机安置传感器节点，且无需对这些节点实施人工定位或者采用其它措施获得真实的地理坐标。

102：在网络部署后，所有的节点打开自己的接收机装置。节点在整个定位过程中处于接收状态。

103：每个节点为自己创建一个定位信息状态表格。该表格包括移动锚点的单次生存时间，即所述极值。还可以将自身定位状态信息初始化状态为初始定位位置信息。

104：移动锚点周期性地广播自己的信息。该信息包括移动锚点的ID、当前位置坐标、时间戳和此次生存时间。

105：当传感器节点收到移动锚点发出的信息后，节点首先判断移动锚点的单次生存时间是否期满。

106：当移动锚点的生存时间没有期满时，节点再判断自己是否是第一次收到移动锚点的发送的信息。如果是，节点则创建移动锚点访问表格；如果不是，节点则用当前的RSSI值与先前值进行比较。

107：判断当前RSSI值是否大于先前值。如果是，则删除先前所记录的移动锚点的信息，记录当前锚点的信息(步骤109)；如果否，则丢弃当前移动锚点发出的信息(步骤108)。同时，须保留第一次接收的定位信息或最后一次接收的定位信息的记录。

110：当节点判断自己是第一次收到移动锚点发出的信息，节点立刻创建一个移动锚点访问表格，记录移动锚点的id号、坐标值、时间戳和RSSI值。同时在节点定位信息表格中存放当前移动锚点的位置信息。

113：当节点在收到移动锚点信息时，如果判断此次移动锚点的生存时间还没有期满时，无论节点是否是第一次收到移动锚点发出的信息，在处理该信息之后，都要加长移动锚点的生存时间，即减小所述极值，再跳转到步骤105重新进行判断。

114：当单次移动锚点的生存时间期满时，即到达所述极值，节点首先把移动访问表格中的移动锚点坐标保存在节点状态信息表格中。然后，节点删除移动锚点访问表格，同时更新节点自身定位状态信息。依次把自身的状态信息改换成初次定位位置信息、再次定位位置信息和可计算位置信息。

116：节点判断自身的状态是否为可计算位置信息。如果是，节点则利用定位信息状态表格中所记录的信息进行自身位置计算。

117：如果节点还没有达到可以进行定位的状态，则把定位信息状态表格中所记录的移动锚点生存时间复位，然后跳转到步骤105，重新进行判断。

118：当节点记录足够的移动锚点信息时，节点进行位置计算，计算细节如下：

假设节点定位状态信息表格记录的信息依次为(x₁₁，y₁₁，z₁₁)，(x₁₀，y₁₀，z₁₀)，(x₂₁，y₂₁，z₂₁)，  (x₂₀，y₂₀，z₂₀)，  (x₃₁，y₃₁，z₃₁)，  (x₃₀，y₃₀，z₃₀)。其中(x_i1，y_i1，z_i1)，(x_i0，y_i0，z_i0)，i＝1，2，3，分别表示节点先后记录的第一次收到移动锚点的位置信息和最大RSSI所对应的移动锚点的坐标位置。又已知飞机飞行的轨迹为直线，则直线i的方向向量为s_i＝(m_i，n_i，p_i)，过每条直线上一点(x_i0，y_i0，z_i0)，可以得到垂直于飞机飞行轨迹的垂直平面方程：

m_i(x-x_i0)+n_i(y-y_i0)+p_i(z-z_i0)＝0    (1)

其中：m_i＝(x_i0-x_i1)，n_i＝(y_i0-y_i1)，p_i＝(z_i0-z_i1)，i＝1，2，3。

用矩阵形式表示以上的方程组：

AX＝C                      (2)

根据方程(2)，可以得到：X＝A^-1C。其中： $A=\left[\begin{array}{ccc}{m}_1& n_1& p_1\\ m_2& n_2& p_2\\ m_3& n_3& p_3\end{array}\right],$ $X=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],$ $C=\left[\begin{array}{c}{m}_1{x}_{10}+n_1{y}_{10}+p_1{z}_{10}\\ m_2{x}_{20}+n_2{y}_{20}+p_2{z}_{20}\\ m_3{x}_{30}+n_3{y}_{30}+p_3{z}_{30}\end{array}\right],$ (x，y，z)是节点的坐标位置。

本发明方法适合于节点布置在任何三维地理环境下。作为特例，当节点布放至二维平面上，比如平坦的地面或草原等等，此时，节点只需要记录两组移动锚点的二维位置信息，即可获得自身的位置(x，y)。

假设传感器节点所记录的锚点位置信息分别为(x₁₁，y₁₁)，(x₁₀，y₁₀)和(x₂₁，y₂₁)，(x₂₀，y₂₀)。两条垂直于飞机轨迹的直线L₁₀和L₂₀可以表示如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{L}_{10}:& y-y_{10}=k_1(x-x_{10})\\ L_{20}:& y-y_{20}=k_2(x-x_{20})\end{array}\right.---\left(3\right)$

通过上面这个方程组，可以得到节点的坐标：

$x=\frac{a-b}{k_2-k_1},$ $y=\frac{a*k_2-b*k_1}{k_2-k_1}.$

其中， $k_1=\frac{x_{10}-x_{11}}{y_{11}-y_{10}},$ $k_2=\frac{x_{20}-x_{21}}{y_{21}-y_{20}},$ α＝y₁₀-k₁*x₁₀，b＝y₂₀-k₂*x₂₀。

119：在获得节点的位置之后，节点删除初始化生成的定位信息状态表格。

120：节点完成定位过程。

采用上述系统和方法，本发明具有以下优点。

(1)利用配置GPS装置的移动锚点对整个网络节点进行定位。一个移动锚点可以充当多个虚拟固定锚点的角色，且在完成定位后可以回收GPS装置，在获得高精度定位结果的同时，大大地减少了整个定位的花费。

(2)采用模型飞机装载移动锚点，在保证了移动锚点能量充足的同时，避免了地面障碍物造成的非视距影响，大大提高了定位精度。

(3)采用RSSI判断机制，把具有最大RSSI值的位置作为定位信息基准点，无需获得节点之间的距离，在不增加额外硬件的同时避免了利用RSSI测距带来的误差。

(4)引进三维定位方式，定位方法鲁棒性强，适应各种地理环境。

(5)借助于几何知识：球中不同平面的三条弦的垂直平面的交点是球心。从而实现传感器节点定位。在整个定位过程中，节点之间无需进行通信，系统通信开销小。另外，定位方法简单，容易实现，节点所用功耗小，能够实现快速定位。

(6)与现有技术相比，采用本发明所述的方法，具有分布式计算特点以及非常高的精度，无需在节点硬件中加入测距模块；且计算简单、耗能少，适用于各种三维地理环境，如丘陵地带。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种对无线传感器网络进行三维快速定位的方法，其包括步骤：

A1、在指定区域布置无线传感器节点；

A2、各无线传感器节点启动接收装置；

A3、移动锚点穿越所述指定区域，其在所述指定区域的移动轨迹为直线，并按预设置周期广播定位信息，其中包含当前的位置坐标；

A4、无线传感器节点接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并存储其余任一定位信息中的位置坐标；

A5、无线传感器节点判断是否获得足够的用于计算其自身位置的位置坐标，是则根据各位置坐标，计算其自身位置；否则返回步骤A3。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A4具体包括如下步骤，无线传感器节点接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并判断具有最大强度值的定位信息是否第一次接收的定位信息，是则存储最后一次接收的定位信息中的位置坐标，否则存储第一次接收的定位信息中的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A3之前还包括步骤B，各无线传感器节点分别创建定位信息状态表格，其中设置移动锚点的生存时间的最大值作为极值；

并且，步骤A3中，所述定位信息还包含移动锚点的ID和时间戳；

并且，步骤A4具体包括以下步骤：

C1、无线传感器节点判断生存时间是否达到所述极值，是则执行步骤C5，否则接收所述定位信息；

C2、无线传感器节点判断是否第一次收到所述定位信息，是则开始对所述生存时间进行计时；并创建移动锚点访问表格，增加当前移动锚点的定位信息的记录，所述记录包括移动锚点的ID、位置坐标和时间戳，执行步骤C4；否则执行步骤C3；

C3、在所述移动锚点访问表格中增加新记录，并判断当前接收信号强度值是否大于原记录的接收信号强度值，是则在所述移动锚点访问表格中标记具有最大强度值的新记录，执行步骤C4；否则执行步骤C4；

C4、根据所述时间戳，减小所述极值，返回步骤C1；

C5、无线传感器节点将所述移动锚点访问表格中具有最大强度值的定位信息的位置坐标，以及其余任一定位信息中的位置坐标，写入到所述定位信息状态表格。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤B仅包括如下步骤，各无线传感器节点分别创建定位信息状态表格；并且，步骤A3中，所述定位信息还包含生存时间的所述最大值；步骤C1之前还包括如下步骤，各无线传感器节点的所述定位信息状态表格中，将所述最大值设为极值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤A5具体包括如下步骤，无线传感器节点根据所述定位信息状态表格，判断其中位置坐标是否足够计算其自身位置，否则复位所述生存时间，返回步骤A3；是则根据各位置坐标，计算其自身位置。

6.根据权利要求3至5任一所述的方法，其特征在于，步骤C3中，在所述移动锚点访问表格中仅保留第一次接收的定位信息或最后一次接收的定位信息的记录，以及最大强度值接收信号所对应的定位信息。

7.根据权利要求3至5任一所述的方法，其特征在于，步骤C5之后还包括如下步骤，无线传感器节点删除所述移动锚点访问表格。

8.根据权利要求3至5任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤A6，无线传感器节点删除定位信息状态表格。

9.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤C5还包括如下步骤，按照所述定位信息状态表格存储位置坐标的次数，将所述定位信息状态表格的定位状态信息依次设置为初始定位位置信息、初次定位位置信息、再次定位位置信息和可计算位置信息；并且，步骤A5具体包括如下步骤，判断所述定位状态信息是否可计算位置信息，否则复位所述生存时间，返回步骤A3；是则根据各位置坐标，计算其自身位置。

10.一种对无线传感器网络进行三维快速定位的系统，其特征在于，其包括GPS定位装置、移动锚点和无线传感器节点；

所述GPS定位装置设置在所述移动锚点上，用于接收GPS卫星的信息，得到所述移动锚点的当前的位置坐标；

所述移动锚点用于按预设置周期广播定位信息，其中包含当前的位置坐标；并穿越所述指定区域，其在所述指定区域的移动轨迹为直线；

所述无线传感器节点用于接收定位信息，比较各定位信息的接收信号强度值，选择具有最大强度值的定位信息，存储其中的位置坐标；并存储其余任一定位信息中的位置坐标；并判断是否获得足够的用于计算其自身位置的位置坐标，计算得到其自身位置。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述无线传感器节点设置接收模块、存储模块、比较模块、判断模块和计算模块；其中，

所述接收模块用于接收信号并将其中的定位信息存储到所述存储模块；

所述比较模块用于比较接收信号的强度值，在所述存储模块中标记具有最大强度值的所述定位信息；

所述判断模块用于判断所述存储模块中是否有足够的用于计算其自身位置的位置坐标，并由所述计算模块计算得到所述无线传感器节点的自身位置。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述移动锚点设置在飞行器上。

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