CN101126805A - 基于球体的三维节点定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于球体的三维节点定位方法和系统，属于无线传感器网络应用技术领域。所述方法包括：锚节点在移动过程中周期性地广播信标消息；未知节点接收信标消息，并检查是否收到过锚节点发送的信标消息，如果是，则未知节点在信标消息链表中查找到与锚节点对应的信标消息项，并检查其是否过期，如果过期，则未知节点更新信标消息项中的位置信息，并设置信标点标识位为1；未知节点将信标点标识位为1的信标消息项作为信标点，并根据从所有信标点中选择出的任意四个有效信标点的位置信息计算出本节点的位置信息。所述系统包括：锚节点设备和未知节点设备。本发明有效地解决了无线传感器网络节点空间定位的问题。

Description

基于球体的三维节点定位方法和系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络应用技术领域，特别涉及一种基于球体的三维节点定位方法和系统。

背景技术

节点自身定位技术是无线传感器网络的一个重要研究课题。无线传感器网络的目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。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消息中包含的重要信息，因此，确定网络自身位置对传感器网络应用的有效性起着至关重要的作用。此外，节点自身定位技术还对网络管理、路由协议以及网络拓扑等方面起着辅助作用。

迄今为止，学术界已经提出了很多的节点定位系统和算法，但大部分的算法都是针对静态网络和平面应用而提出的，这些算法假设网络部署完成后网络节点都静止不动，这在一定程度上限制了一些移动场景以及空间场景的应用。针对节点的移动性，学术界也提出一些动态定位算法，但这些算法普遍存在计算量大、定位精度不高等缺点，而且这些算法大都是针对二维平面应用而设计的，针对WSN(Wireless Sensor Network-无线传感器网络)而设计的三维定位算法寥寥无几，且大多数定位算法也很难扩展到三维平面。目前仅存的三维定位算法有两种解决方案，一是依靠与锚节点进行信息交换的交互式定位机制，通过三角计算等方法来获取未知节点的位置，这种定位机制在很大程度上要依靠锚节点的密度；另一是通过基础设施在网内动态的广播消息以进行定位的被动式定位机制，这种定位机制主要依靠基础设施。对于交互式定位来说，由于空间障碍物或环境条件等干扰的存在，并不是所有未知节点都能够获得足够的邻近锚节点信息，即使获得足够的锚节点信息，如何有效地解决多解问题也是一个难点。对于被动式定位来说，定位成败完全取决于基础设施，一旦这些基础设施受到干扰或破坏，整个网络将处于瘫痪状态，对于军事应用来说，更存在着一些安全隐患。总之，目前还没有一种完整的适用于空间应用的移动定位方案。

发明内容

为了解决空间移动节点的定位问题，本发明例提供了一种基于球体的三维节点定位方法，所述方法包括：

锚节点在移动过程中周期性地广播信标消息；所述信标消息包括所述锚节点的编号、所述锚节点发送所述信标消息的时刻和所述锚节点在所述时刻的空间位置信息；

未知节点接收所述信标消息，并根据自身存储的信标消息链表检查是否收到过所述锚节点发送的信标消息，如果是，则所述未知节点在所述信标消息链表中查找到与所述锚节点对应的信标消息项，检查所述信标消息项是否过期，如果过期，则所述未知节点更新所述信标消息项中的位置信息，设置所述信标消息项中的信标点标识位为1；

所述未知节点将信标点标识位为1的信标消息项作为信标点，并从所有信标点中选择出任意四个有效信标点，根据四个有效信标点的位置信息计算出本节点的位置信息。

所述根据自身存储的信标消息链表检查是否收到过所述锚节点发送的信标消息的步骤具体为：所述未知节点从所述信标消息中提取出所述锚节点的编号，检查所述锚节点的编号是否存在于所述信标消息链表中。

所述检查所述信标消息项是否过期的步骤具体为：所述未知节点检查接收所述信标消息的时刻与所述锚节点发送所述信标消息的时刻的差值是否大于所述信标消息项预先设置的生存周期，如果是，则所述信标消息项过期。

所述未知节点更新所述信标消息项中的位置信息的步骤具体为：所述未知节点用所述信标消息中的位置信息替换所述信标消息项中当前的位置信息。

所述任意四个有效信标点具体为任意四个不共面，且其中任意三个不共线的信标点。

所述根据四个有效信标点的位置信息计算出本节点的位置信息的步骤是通过克莱姆法则或最小二乘法来实现的。

本发明还提供了一种基于球体的三维节点定位系统，所述系统包括锚节点设备和未知节点设备；所述锚节点设备包括发送模块；所述未知节点设备包括接收模块、存储模块、第一检查模块、查找模块、第二检查模块、更新设置模块、选择计算模块；

所述发送模块用于向所述接收模块周期性地发送信标消息；所述信标消息包括所述锚节点设备的编号、发送所述信标消息的时刻和所述锚节点设备在所述时刻的空间位置信息；

所述接收模块用于接收所述发送模块发送的信标消息，并将所述信标消息发送给所述第一检查模块；

所述存储模块用于存储信标消息链表；

所述第一检查模块用于根据所述存储模块存储的信标消息链表，检查是否收到过所述发送模块发送的信标消息，并将检查结果发送给所述查找模块；

所述查找模块用于接收到所述第一检查模块收到过所述发送模块发送的信标消息的检查结果后，在所述存储模块存储的信标消息链表中查找到与所述信标消息对应的信标消息项，并将所述信标消息项发送给所述第二检查模块；

所述第二检查模块用于根据预先设置的信标消息项生存周期检查接收到的信标消息项是否过期，并将检查结果发送给所述更新设置模块；

所述更新设置模块用于接收所述第二检查模块发送的信标消息项过期的检查结果后，更新所述存储模块存储的信标消息链表中信标消息项的位置信息，并设置所述信标消息项中的信标点标识位为1；

所述选择计算模块用于从所述存储模块存储的信标消息链表中选择出任意四个信标点标识位为1的信标消息项作为有效信标点，并根据四个有效信标点的位置信息计算出所述未知节点设备的位置信息。

有益效果：本发明通过对网络节点空间性和移动性的分析，将网络空间节点的定位问题抽象为空间球体求解问题，从而有效地解决了无线传感器网络节点空间定位的问题；另外，本发明提供的方法不需要测距等辅助设施及硬件支持，降低了网络成本，而且未知节点间不需要进行网络通信，减小了通信开销。

附图说明

图1是本发明提供的基于球体的三维节点定位方法的流程图；

图2是本发明未知节点存储的信标消息链表的结构示意图；

图3-图6是本发明提供的生存周期Lifetime与相对定位误差localization error的关系示意图；

图7-图12是本发明提供的通信半径R与相对定位误差localization error的关系示意图；

图13是本发明提供的信标消息广播周期与相对定位误差localization error的关系示意图；

图14是本发明提供的在锚节点密度一定的情况下，通信半径R与相对定位误差localization error的关系示意图；

图15是本发明提供的未知节点平均定位时间与锚节点密度的的关系示意图；

图16是本发明提供的未知节点平均通信量与锚节点密度的的关系示意图；

图17是本发明提供的改进后算法的定位时间消耗比较示意图；

图18是本发明提供的基于球体的三维节点定位系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供了一种针对动态传感器网络的三维定位机制SBLS(Sphere-Based LocalizationScheme)。本发明的原理是：根据空间节点信号传输模型的特性，将空间未知节点的定位问题抽象为立体几何中通过球面多点获取球心坐标的问题，即已知球面不共面的四点能够唯一确定球心。根据问题的抽象，将网络中未知节点的空间信号传输模型看作是一个理想的球体，网络中的锚节点周期性地发送信标消息，信标消息的传播轨迹与球体表面的交点记为信标点，每个未知节点可获取一个信标点集合；利用空间向量理论以及克莱姆法则对信标点集合进行过滤，获取不共面的四点进行对球心坐标的求解，球心坐标即为某一时候该未知节点的坐标，也即该未知节点在网络中的位置。

参见图1，本发明提供的基于球体的三维节点定位方法具体包括以下步骤：

步骤101：锚节点node_i在移动过程中周期性地广播信标消息；

在传感器网络中，位置已知的传感器节点被称作锚节点，位置待确定的传感器节点被称作未知节点；网络配置完成后，锚节点node_i在移动过程中，周期性地广播信标消息，信标消息包括锚节点id(锚节点的编号)、锚节点发送信标消息的时刻t_i以及在t_i时刻锚节点的空间位置信息；

步骤102：未知节点在t_j时刻接收该锚节点node_i发送的信标消息，从信标消息中提取出该锚节点id，并检查该锚节点id是否存在自身存储的信标消息链表中，如果是，则执行步骤104，否则执行步骤103；

每个未知节点都存储一个信标消息链表，用来存储接收到的来自锚节点的信标消息，信标消息链表格式如图2所示，其中id域用来标识信标消息来自哪个锚节点，即锚节点id，time域为该锚节点发送此信标消息的时刻，position域为在time时刻该锚节点的位置信息，lifetime域为信标消息项在此链表中的生存周期，flag标志位用来标识信标消息项对应的信标消息是否为信标点；

如果信标消息链表中不含有该锚节点id，说明未知节点先前没有收到过该锚节点node_i发送的信标消息，执行步骤103，否则说明未知节点先前收到过该锚节点node_i发送的信标消息，执行步骤104；

步骤103：未知节点将该信标消息插入到自身存储的信标消息链表中，执行步骤107；

未知节点将信标消息链表中的id域设置为该锚节点id，time域设置为该锚节点发送信标消息的时刻t_i，position域设置为t_i时刻该锚节点node_i的三维空间坐标，lifetime域为一个预设值(此值与网络的规模及锚节点的移动速率有关)，如2秒，其最佳数值可以在实际过程中获得，flag初始值为0；

步骤104：未知节点根据该锚节点id在自身存储的信标消息链表中查找到对应的信标消息项，并查看该信标消息项的生存周期lifetime是否过期，如果是，则执行步骤105，否则执行步骤106；

查看该信标消息项的生存周期lifetime是否过期具体可以通过比较未知节点接收到该信标消息的时刻t_i与锚节点node_i发送该信标消息的时刻t_i的差值是否大于生存周期lifetime的预设值来进行判定，例如生存周期lifetime为2秒，如果t_j与t_i的差值大于2秒，则说明该信标消息项过期，执行步骤105，如果t_j与t_i的差值小于或等于2秒，则说明该信标消息项没有过期，执行步骤106；

步骤105：未知节点用接收到的信标消息中的锚节点node_i位置信息替换信标消息链表中当前与该锚节点id对应的信标消息项中的position域，并将flag标志位设置为1，执行步骤107；

步骤106：未知节点丢弃接收到的信标消息，执行步骤107；

步骤107：未知节点从自身存储的信标消息链表中选择出flag值为1的信标消息项，并将这些信标消息项对应的信标消息作为信标点；

步骤108：根据空间向量理论，从信标点中选择出任意四个不共面且其中任意三个不共线的信标点，并将这四个信标点作为计算未知节点位置信息的有效信标点；

根据空间向量的理论可知，如果两个向量的笛卡尔乘积为0，则这两个空间向量在同一条直线上；对于空间三点A，B，C，如果有 $\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{AC}}=0,$ 那么这三点共线；在传感器网络中，由于锚节点随机地运动，三点重合的几率几乎为0，因此 $\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{AC}}\≠0,$ 这样所有信标点中的任意三个信标点都不共线；对于空间四点A(x₁，y₁，z₁)，B(x₂，y₂，z₂)，C(x₃，y₃，z₃)和D(x₄，y₄，z₄)来说，如果四点不共面，则向量

和的混合积不为0，即 $(\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\×\·\stackrel{\→}{\mathrm{AC}})\·\stackrel{\→}{\mathrm{AD}}\≠0,$ 反之亦然；对于任意四个信标点，如果向量混合积结果不为0，则这四个信标点就可以作为计算未知节点位置信息的有效信标点；

$(\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\×\·\stackrel{\→}{\mathrm{AC}})\·\stackrel{\→}{\mathrm{AD}}=\left|\begin{array}{ccc}(x_4-x_1)& (y_4-y_1)& (z_4-z_1)\\ (x_3-x_1)& (y_3-y_1)& (z_3-z_1)\\ (x_2-x_1)& (y_2-y_1)& (z_2-z_1)\end{array}\right|\≠0$

步骤109：利用克莱姆法则和选择出的四个有效信标点计算出未知节点的位置坐标。通过四个有效信标点的坐标，利用克莱姆法则计算公式，可以得到未知节点的位置坐标；

例如：四个有效信标点的坐标分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，(x₃，y₃，z₃)和(x₄，y₄，z₄)，利用克莱姆法则计算公式，可以获得未知节点的位置坐标(x，y，z)，计算公式如下：

$D=\left|\begin{array}{ccc}(x_4-x_1)& (y_4-y_1)& (z_4-z_1)\\ (x_3-x_1)& (y_3-y_1)& (z_3-z_1)\\ (x_2-x_1)& (y_2-y_1)& (z_2-z_1)\end{array}\right|$ $D_1=\left|\begin{array}{ccc}\frac{({x_4}^2-{x_1}^2)+({y_4}^2-{y_1}^2)+({z_4}^2-{z_1}^2)}{2}& (y_4-y_1)& (z_4-z_1)\\ \frac{({x_3}^2-{x_1}^2)+({y_3}^2-{y_1}^2)+({z_3}^2-{z_1}^2)}{2}& (y_3-y_1)& (z_3-z_1)\\ \frac{({x_2}^2-{x_1}^2)+({y_2}^2-{y_1}^2)+({z_2}^2-{z_1}^2)}{2}& (y_2-y_1)& (z_2-z_1)\end{array}\right|$

$D_2=\left|\begin{array}{ccc}(x_4-x_1)& \frac{({x_4}^2-{x_1}^2)+({y_4}^2-{y_1}^2)+({z_4}^2-{z_1}^2)}{2}& (z_4-z_1)\\ (x_3-x_1)& \frac{({x_3}^2-{x_1}^2)+({y_3}^2-{y_1}^2)+({z_3}^2-{z_1}^2)}{2}& (z_3-z_1)\\ (x_2-x_1)& \frac{({x_2}^2-{x_1}^2)+({y_2}^2-{y_1}^2)+({z_2}^2-{z_1}^2)}{2}& (z_2-z_1)\end{array}\right|$

$D_3=\left|\begin{array}{ccc}(x_4-x_1)& (y_4-y_1)& \frac{({x_4}^2-{x_1}^2)+({y_4}^2-{y_1}^2)+({z_4}^2-{z_1}^2)}{2}\\ (x_3-x_1)& (y_3-y_1)& \frac{({x_3}^2-{x_1}^2)+({y_3}^2-{y_1}^2)+({z_3}^2-{z_1}^2)}{2}\\ (x_2-x_1)& (y_2-y_1)& \frac{({x_2}^2-{x_1}^2)+({y_2}^2-{y_1}^2)+({z_2}^2-{z_1}^2)}{2}\end{array}\right|$

x＝D₁/D，y＝D₂/D，z＝D₃/D

为了验证本发明所提供的定位方法的性能，通过采用NS-2仿真平台进行了一系列的试验。在试验过程中，所有网络节点都随机地布设在100×100×100m³的区域内，锚节点采用随机运动模型，即每个锚节点以一个随机运动速率向一个随机分配的目的地移动，当到达目的地后，又重新向另一个随机分配的目的地运动，直至试验结束。锚节点的最大移动速率为5m/s。仿真MAC协议采用802.11，路由协议为改进的MFlood，信号传播模型采用FreeSpace。NS-2版本为ns-allinone-2.29.3。实验的其他参数如表1所示。

表1

参数名称	参数值	说明
			Interval(second)	0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0	锚节点广播信标消息的周期
Lifetime(interval)	1x，2x，3x，4x，5x，6x，7x，8x，9x，10x	信标消息项的生存周期
			Anchor(％)	5，10，15，20，25	锚节点密度
R(meter)	10，20，30，40	传感器节点的通信半径

在实验过程中，通过改变以上参数的取值来获取实验数据，进而对本发明所提供的定位方法进行评价分析。

目前，针对定位算法的性能评价有多种方式，本发明采用以下几个最基本的指标对SBLS定位方法进行评价：

1)相对定位误差localization error：假设未知节点i的估算坐标与真实坐标在三维空间中的距离误差为d_i，则N个未知节点的平均距离误差与通信半径R的比值记为相对定位误差：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{d}=\frac{1}{\mathrm{NR}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i$

2)平均定位时间：网络中所有节点执行定位过程所消耗的时间总和与网络中节点总数的比值。将某一节点node_i执行定位算法所消耗的时间记为t_i，则平均定位时间可表示为：

$\stackrel{\‾}{t}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i$

3)平均通信量：网络中平均每个节点用于定位所发送的消息包数目：

$\stackrel{\‾}{p}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i$

实验结果

对于实验结果，主要关注各个参数对相对定位误差、平均定位时间以及平均通信量的影响程度以及何时取得最优值。下面将从四个方面对实验结果进行阐述。

a)Interval对localization error的影响

在预设的场景中，随机部署100个传感器节点，其中20个锚节点周期性地广播信标消息。每次试验信标消息的广播周期Interval一定，取值范围为[0.2秒，2.0秒]，信标消息项的生存周期lifetime设为Interval的C倍(C为常整数)，C取值范围为[1，10]。在不同的通信半径R下，相对定位误差localization error随Lifetime变化的曲线如图3-图12所示。对于图3-图6中的曲线而言，当通信半径R，锚节点密度Anchor以及广播周期Interval一定时，虽然有小的波动，但相对定位误差localization error随着Lifetime值的增大而缓慢减小。

当Interval的值大于1秒时，通信半径R＝10米的曲线波动较大，而且与其它三条曲线走势严重偏离，这主要是在实验过程中，锚节点的随机运动模型速率分配不均，在较小的通信半径情况下，速率与时间的乘积接近了通信半径，进而使得信标点获取不准确，导致定位误差曲线不规则，如图7-图12所示。

从图3-图12中的曲线可以看出，当Lifetime取8倍的Interval时，定位误差可取较小值，为了验证这点，取Interval值一定，Lifetime分别取1到10倍的Interval，试验表明C取8时所得到的相对定位误差均较小。同时还得到了另一个结论，即Interval＝1.8秒时取得最小值，如图13所示，当锚节点密度为5％，Interval＝1.8秒，Lifetime＝8*Interval＝14.4秒时，相对定位误差localization error取得最小值0.528。

b)Anchor对localization error的影响

理论上，本发明由于采用的是移动锚节点定位，因此本发明的定位精度不受锚节点密度的影响。为了验证这一点，将锚节点广播周期设为1.8秒，信标消息的生存周期设为8*Interval＝14.4秒，在实验过程中改变锚节点的密度。不同通信半径下，不同锚节点密度所测得的相对定位误差如表2所示。

表2

从表2中的数据可以看出，当锚节点密度Anchor变化时，相对定位误差localization error并无明显的规律可循，而且数值改变并不大，大多集中在0.5到0.6左右，这说明增加锚节点的数量并不能明显的提高未知节点的定位精度，验证了定位精度对锚节点密度不敏感的特性。

c)R对localization error的影响

在锚节点密度一定的情况下(分别为5％，10％，15％，20％，25％)，不同的通信半径对定位精度的影响如图14所示。从图14可以看出，随着通信半径的增大，相对定位误差localization error并没有明显的变化趋势，曲线整体上处于水平走向，这个结果表明，通信半径的改变对相对定位误差localization error的影响微乎其微。

d)Anchor对平均定位时间localization time的影响

平均定位时间是衡量定位算法的一个重要指标，锚节点密度及通信半径对平均定位时间的影响如图15所示。从图15可以看出，平均定位时间随着锚节点密度的增加而减小，随着通信半径的增大而减小。锚节点数量的增多，未知节点获取锚节点信标消息的速度和几率就大，因此信标节点获取的过程时间消耗将减少，进而定位时间减少。通信半径增大可以减少信标消息的传播时间，进而减少总的定位时间。

e)Anchor对平均通信量的影响

在通信半径设为10米，Lifetime和Interval分别为14.4秒和1.8秒时，平均通信量与锚节点密度的关系如图16所示。平均每个节点发送的信标消息包数不超过200个，这说明定位算法的平均通信量较小；同时，锚节点数量的增加可以减小平均通信量。通常情况下，增加锚节点数量会加大网络的通信开销，但是在本发明提供的方法中，锚节点数量增多能够减少未知节点定位过程所消耗的时间，致使锚节点周期性发送信标消息次数较少，进而使整个网络的平均通信量降低。

当获取的信标点越接近球体表面时，算法的定位精度就越精确。在实际过程中，由于节点的移动以及广播周期等计算误差的存在，并不能保证用于计算未知节点位置的信标点都在球体表面，这样就会造成未知节点的位置计算偏差较大。针对这个问题，本发明还可以采用最小二乘法来进行未知节点位置定位的计算，从而减小定位误差。将未知节点坐标的求解转化为Ax＝b矩阵求解问题，最终利用 $\hat{X}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}b$ 来估算未知节点的位置，直至所有未知节点定位成功。其中A，x，b如下所示：

$A=\left[\begin{array}{ccc}(x_4-x_1)& (y_4-y_1)& (z_4-z_1)\\ (x_3-x_1)& (y_3-y_1)& (z_3-z_1)\\ (x_2-x_1)& (y_2-y_1)& (z_2-z_1)\end{array}\right],x=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}\frac{({x_4}^2-{x_1}^2)+({y_4}^2-{y_1}^2)+({z_4}^2-{z_1}^2)}{2}\\ \frac{({x_4}^2-{x_1}^2)+({y_4}^2-{y_1}^2)+({z_3}^2-{x_1}^2)}{2}\\ \frac{({x_3}^2-{x_1}^2)+({y_3}^2-{y_1}^2)+({z_2}^2-{z_1}^2)}{2}\end{array}\right]$

A^T为A的转置矩阵，A^-1为A的逆矩阵。

改进后的算法性能明显提高，在同等试验条件下，算法的定位精度提高了近32.2％。当锚节点密度为10％，通信半径为10米时，最小定位误差仅为0.367。另一方面，定位精度的提高是以时间和计算量为代价的，图17给出了算法改进前后时间消耗的对比曲线。因此，算法的最佳性能需要在不同的实际应用中综合平衡各种因素得到。

本发明提供的SBLS同目前存在的三维WSN定位算法进行比较，进一步分析算法的性能，具体指标如表3所示。SBLS算法与Landscape-3D相似，都是采用移动锚节点来进行定位，未知节点间无需通信，因此在平均通信量和计算量上做到了适中，但landscape-3D算法需要实际测量距离，测距过程中的误差会导致定位误差的积累，降低了定位精度。在这方面，SBLS算法同APIS相同，是与距离无关的，因此对硬件要求低，减小了网络成本。SBLS算法的精度虽然不及Landscape-3D和Constrained 3-D，但它的定位精度不依赖于锚节点的密度与通信半径。此外，与Landscape-3D相比，SBLS算法能够适用动态性较强的网络。综合考虑以上各个指标，本发明提供的SBLS算法更适合实际应用的需求。

表3

本发明提供的SBLS方法无需测距装置和其它辅助设施，未知节点通过与移动锚节点交互信息来定位自身，未知节点间无需通信，通信开销较小；试验结果表明SBLS定位算法的精度不依赖于锚节点的密度，而且通信开销与锚节点密度成反比。此外，与同类算法相比，本发明提供的方法比较好地适应了网络的动态拓扑变化并具有一定的可扩展性。

参见图18，本发明还提供了一种基于球体的三维节点定位系统，该系统包括锚节点设备和未知节点设备；锚节点设备包括发送模块；未知节点设备包括接收模块、存储模块、第一检查模块、查找模块、第二检查模块、更新设置模块、选择计算模块；

发送模块用于向接收模块周期性地发送信标消息；信标消息包括锚节点设备的编号、发送信标消息的时刻和锚节点设备在该时刻的空间位置信息；

接收模块用于接收发送模块发送的信标消息，并将信标消息发送给第一检查模块；

存储模块用于存储信标消息链表；

第一检查模块用于根据存储模块存储的信标消息链表，检查是否收到过发送模块发送的信标消息，并将检查结果发送给查找模块；

查找模块用于接收到第一检查模块收到过发送模块发送的信标消息的检查结果后，在存储模块存储的信标消息链表中查找到与信标消息对应的信标消息项，并将信标消息项发送给第二检查模块；

第二检查模块用于根据预先设置的信标消息项生存周期检查接收到的信标消息项是否过期，并将检查结果发送给更新设置模块；

更新设置模块用于接收第二检查模块发送的信标消息项过期的检查结果后，更新存储模块存储的信标消息链表中信标消息项的位置信息，并设置信标消息项中的信标点标识位为1；

选择计算模块用于从存储模块存储的信标消息链表中选择出任意四个信标点标识位为1的信标消息项作为有效信标点，并根据四个有效信标点的位置信息计算出未知节点设备的位置信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于球体的三维节点定位方法，其特征在于，所述方法包括：

锚节点在移动过程中周期性地广播信标消息；所述信标消息包括所述锚节点的编号、所述锚节点发送所述信标消息的时刻和所述锚节点在所述时刻的空间位置信息；

未知节点接收所述信标消息，并根据自身存储的信标消息链表检查是否收到过所述锚节点发送的信标消息，如果是，则所述未知节点在所述信标消息链表中查找到与所述锚节点对应的信标消息项，检查所述信标消息项是否过期，如果过期，则所述未知节点更新所述信标消息项中的位置信息，设置所述信标消息项中的信标点标识位为1；

所述未知节点将信标点标识位为1的信标消息项作为信标点，并从所有信标点中选择出任意四个有效信标点，根据四个有效信标点的位置信息计算出本节点的位置信息。

2.如权利要求1所述的基于球体的三维节点定位方法，其特征在于，所述根据自身存储的信标消息链表检查是否收到过所述锚节点发送的信标消息的步骤具体为：所述未知节点从所述信标消息中提取出所述锚节点的编号，检查所述锚节点的编号是否存在于所述信标消息链表中。

3.如权利要求2所述的基于球体的三维节点定位方法，其特征在于，所述检查所述信标消息项是否过期的步骤具体为：所述未知节点检查接收所述信标消息的时刻与所述锚节点发送所述信标消息的时刻的差值是否大于所述信标消息项预先设置的生存周期，如果是，则所述信标消息项过期。

4.如权利要求3所述的基于球体的三维节点定位方法，其特征在于，所述未知节点更新所述信标消息项中的位置信息的步骤具体为：所述未知节点用所述信标消息中的位置信息替换所述信标消息项中当前的位置信息。

5.如权利要求1所述的基于球体的三维节点定位方法，其特征在于，所述任意四个有效信标点具体为任意四个不共面，且其中任意三个不共线的信标点。

6.如权利要求1所述的基于球体的三维节点定位方法，其特征在于，所述根据四个有效信标点的位置信息计算出本节点的位置信息的步骤是通过克莱姆法则或最小二乘法来实现的。

7.一种基于球体的三维节点定位系统，其特征在于，所述系统包括锚节点设备和未知节点设备；所述锚节点设备包括发送模块；所述未知节点设备包括接收模块、存储模块、第一检查模块、查找模块、第二检查模块、更新设置模块、选择计算模块；

所述发送模块用于向所述接收模块周期性地发送信标消息；所述信标消息包括所述锚节点设备的编号、发送所述信标消息的时刻和所述锚节点设备在所述时刻的空间位置信息；

所述接收模块用于接收所述发送模块发送的信标消息，并将所述信标消息发送给所述第一检查模块；

所述存储模块用于存储信标消息链表；

所述第一检查模块用于根据所述存储模块存储的信标消息链表，检查是否收到过所述发送模块发送的信标消息，并将检查结果发送给所述查找模块；

所述查找模块用于接收到所述第一检查模块收到过所述发送模块发送的信标消息的检查结果后，在所述存储模块存储的信标消息链表中查找到与所述信标消息对应的信标消息项，并将所述信标消息项发送给所述第二检查模块；

所述第二检查模块用于根据预先设置的信标消息项生存周期检查接收到的信标消息项是否过期，并将检查结果发送给所述更新设置模块；

所述更新设置模块用于接收所述第二检查模块发送的信标消息项过期的检查结果后，更新所述存储模块存储的信标消息链表中信标消息项的位置信息，并设置所述信标消息项中的信标点标识位为1；

所述选择计算模块用于从所述存储模块存储的信标消息链表中选择出任意四个信标点标识位为1的信标消息项作为有效信标点，并根据四个有效信标点的位置信息计算出所述未知节点设备的位置信息。

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