CN102395220A - 一种优化的移动传感器网络三维定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化的移动传感器网络三维定位方法，属于无线传感器网络应用技术领域。该方法利用在监测区域内分布的装配有GPS的固定锚节点，移动节点可通过判断是否是第一次收到和第一次没有收到锚节点的位置信息，同时利用前一定位时刻移动节点的位置及距移动节点一跳和两跳的锚节点的位置，减小移动节点可能所在区域的大小，从而可有效提高移动传感器网络三维空间节点定位的平均精度。

Description

一种优化的移动传感器网络三维定位方法
技术领域
本发明提出一种优化的移动传感器网络三维定位方法，涉及无线传感器网络应用技术领域。
背景技术
随着无线通信和硬件技术的发展，无线传感器网络在现实中的应用范围越来越广。在环境监测、矿井安全、农业生产、疾病监护、车辆交通等许多领域都能找到它的身影。在许多应用中，节点是大量随机部署在监测区域内的，节点的地理位置信息在部署前无法获得。并且在目标跟踪、洋流监测等许多应用中节点是实时移动的，节点的位置更是无法事先一次性确定。然而只有明确了传感器节点自身的位置，它才能实现对目标的追踪，才能为用户提供有用的监测数据，为路由和拓扑结构的规划提供基础。因此对传感器节点位置的测量十分重要。
早期的传感器网络定位算法主要针对二维平面空间的静态网络，节点的位置固定不变，节点坐标也只有X和Y两个维度，没有考虑到节点的移动性和三维空间的情况。然而现在许多传感器应用领域，例如野生动物追踪，洋流监测等，传感器节点的位置是随时间变化的，对节点位置的测量也需要提供三维坐标。针对二维静态网络的定位算法无法直接应用在三维移动传感器网络中，因此对移动传感器网络三维定位算法的研究非常重要。
在移动传感器网络中比较常见的定位方法是为一部分固定节点装配GPS全球定位系统，称之为固定锚节点，其余的未知移动节点利用这些锚节点的位置信息来估算自身的位置。例如有文献提出在监测区域内随机部署一定数量的固定锚节点，基于移动机器人蒙特卡罗算法，移动节点首先根据上一时刻的位置对当前自身的位置进行预测，估算移动节点可能所在的位置区域当作样本，然后利用距该移动节点一跳和两跳范围内的固定锚节点的位置信息对样本进行过滤，筛选出满足锚节点限定条件的样本值，最后对筛选出的样本坐标取平均，记作移动节点当前的位置坐标。还有文献提出移动节点根据自身的移动速度，生成相对距离约束，然后利用侦听到的固定锚节点的位置信息和信息传输范围来估算移动节点的位置，避免了移动机器人蒙特卡罗算法中反复采样的问题，但是移动节点的位置估算区域较大，节点定位精度较低。
总之，在现有的移动传感器网络定位技术中，移动节点的采样区域较大，节点的定位精度较低，并且主要针对二维平面空间，因此需要一种更有效的无线移动传感器网络三维定位机制来实现高精度的三维空间定位，满足实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用固定锚节点的位置信息，实现移动传感器网络三维空间定位的方法。移动节点通过判断是否是首次进入和首次离开固定锚节点的传输范围，减小移动节点可能所在位置区域的大小，提高定位精度。所述定位机制包括以下步骤：
步骤1：在指定监测区域内随机部署一定数量的配有GPS定位系统的固定锚节点，每个锚节点都存储有自身的位置信息及一跳范围内的邻居锚节点的位置信息。移动节点在监测区域内随机移动，最大移动速度为Vmax，所有节点的通信距离为R。
步骤2：设定系统每隔一段时间进行一次定位操作，定位周期为T，移动节点在每个定位周期内最大的移动距离为Smax＝T*Vmax，通过限定定位周期T，保证Smax＜R。在移动过程中，固定锚节点在每个定位时刻广播其自身的位置信息和该锚节点一跳范围内的邻居锚节点的位置信息。移动节点处于接收信息的状态，记录当前时刻收到的锚节点的位置信息。
步骤3：移动节点判断当前定位时刻收到的锚节点中是否存在第一次收到或第一次没有收到的锚节点，同时利用移动节点在前一定位时刻的位置及其它距移动节点一跳和两跳的锚节点的位置信息，确定移动节点可能所在的三维空间区域范围。
步骤4：移动节点计算该区域中心的位置坐标，把该坐标记作移动节点当前定位时刻的位置坐标。
步骤5：当移动节点获得自身的位置坐标后，当前定位时刻结束，移动节点等待进入下一定位时刻。
上述步骤3中，移动节点需要判断是否是第一次收到或第一次没有收到某锚节点的位置信息。锚节点发送的位置信息中包含锚节点的ID号，移动节点比较该ID与前一定位时刻收到的锚节点ID是否存在不相同的。如果存在不同的ID号，则把当前定位时刻新侦听到的锚节点记作第一次侦听到的锚节点；把前一定位时刻侦听到而在当前定位时刻没有侦听到的锚节点记作第一次没有侦听到的锚节点。
上述步骤3中，如果某锚节点第一次被移动节点侦听到，则移动节点位于以该锚节点为球心，半径为R-Smax和R的球壳内。如果某锚节点第一次没有被移动节点侦听到，则移动节点位于以该锚节点为球心，半径为R和R+Smax的球壳内。如果移动节点不是第一次收到或第一次没有收到某锚节点的位置信息，则移动节点既位于以距其一跳距离的锚节点为球心，半径为R的球内；又位于以距移动节点两跳距离的锚节点为球心，半径为R和2R的球壳内。同时移动节点还位于以其上一定位时刻的位置为球心，半径为Smax的球内。取这些移动节点可能所在区域的交集区域，即为该移动节点可能所在的区域范围。
与现有技术相比，本发明的优点在于：利用移动节点是否是首次进入和首次离开固定锚节点的传输范围，减小了移动节点可能所在区域的大小，提高了移动传感器网络在三维空间中的平均定位精度。
附图说明
图1是本发明实施例中一种优化的移动传感器网络三维定位方法的流程图；
图2是本发明实施例中由移动节点第一次侦听到的锚节点信息确定的该移动节点所在球壳区域示意图；
图3是本发明实施例中由移动节点第一次没有侦听到的锚节点信息确定的该移动节点所在球壳区域示意图；
图4是本发明实施例中由不是移动节点第一次侦听到或第一次没有侦听到的一跳锚节点信息确定的该移动节点所在球形区域示意图；
图5是本发明实施例中由不是移动节点第一次侦听到或第一次没有侦听到的两跳锚节点信息确定的该移动节点所在球壳区域示意图；
图6是本发明实施例中由移动节点上一定位时刻的位置信息确定的该移动节点所在球形区域示意图；
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详细描述。
如图1，本发明提供的移动传感器网络三维定位方法，首先在监测区域内随机部署一定数量的装配有GPS定位系统的固定锚节点，每个锚节点都存储有自身的位置信息及一跳范围内的邻居锚节点的位置信息，所有节点的通信距离为R。然后移动节点在监测区域内随机移动，在每个定位间隔内最大的移动距离为Smax，且Smax＜R。在每个定位时刻，移动节点收到锚节点广播的位置信息，信息中包含该锚节点自身及距该锚节点一跳范围内邻居锚节点的位置信息和ID号。移动节点判断当前收到的锚节点ID与前一定位时刻收到的锚节点ID是否存在不相同的。如果存在不同的ID号，则把当前定位时刻新侦听到的锚节点记作第一次侦听到的锚节点；前一定位时刻侦听到而在当前定位时刻没有侦听到的锚节点记作第一次没有侦听到的锚节点。对于移动节点第一次侦听到的锚节点，移动节点位于以该锚节点为球心，半径为R-Smax和R的球壳内；对于移动节点第一次没有侦听到的锚节点，移动节点位于以该锚节点为球心，半径为R和R+Smax的球壳内；对于不是移动节点第一次侦听到或第一次没有侦听到的锚节点，移动节点既位于以距其一跳距离的锚节点为球心，半径为R的球内；又位于以距其两跳距离的锚节点为球心，半径为R和2R的球壳内。同时移动节点还位于以其上一定位时刻的位置为球心，半径为Smax的球内。移动节点求出这些区域的交集区域，计算该区域中心的位置坐标，把该坐标记作移动节点当前定位时刻的位置坐标。
图2是本发明中由移动节点第一次侦听到的锚节点信息确定的该移动节点所在球壳区域示意图。锚节点A是移动节点N第一次侦听到的锚节点，则移动节点N位于以锚节点A为球心，半径为R-Smax和R的球壳内。
图3是本发明中由移动节点第一次没有侦听到的锚节点信息确定的该移动节点所在球壳区域示意图。锚节点B是移动节点N第一次没有侦听到的锚节点，则移动节点N位于以锚节点B为球心，半径为R和R+Smax的球壳内。
图4是本发明中由不是移动节点第一次侦听到或第一次没有侦听到的一跳锚节点信息确定的该移动节点所在球形区域示意图。锚节点C既不是移动节点N第一次侦听到的一跳锚节点，也不是第一次没有侦听到的一跳锚节点，则移动节点N位于以锚节点C为球心，半径为R的球内。
图5是本发明中由不是移动节点第一次侦听到或第一次没有侦听到的两跳锚节点信息确定的该移动节点所在球壳区域示意图。锚节点D既不是移动节点N第一次侦听到两跳锚节点，也不是第一次没有侦听到的两跳锚节点，则移动节点N位于以锚节点D为球心，半径为R和2R的球壳内。
图6是本发明中由移动节点上一定位时刻的位置信息确定的该移动节点所在球形区域示意图。移动节点N位于以其上一定位时刻位置M为球心，半径为Smax的球内。
本发明通过判断移动节点是否是首次进入和首次离开锚节点的传输范围，增加了移动节点可能所在区域的限定条件，减小了交集区域的大小，提高了移动传感器网络在三维空间中的平均定位精度。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，并不用以限制本发明，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种优化的移动传感器网络三维定位方法，其特征是移动节点需要判断是否是第一次收到或第一次没有收到某固定锚节点的位置信息。固定锚节点发送的位置信息中包含锚节点的ID号，移动节点比较该ID号与前一定位时刻收到的锚节点的ID号是否相同。如果存在不同的ID号，则把当前定位时刻新侦听到的锚节点记作第一次侦听到的锚节点；前一定位时刻侦听到而在当前定位时刻没有侦听到的锚节点记作第一次没有侦听到的锚节点。
2.一种优化的移动传感器网络三维定位方法，其特征是如果移动节点是第一次收到某锚节点的位置信息，则移动节点位于以该锚节点为球心，半径为R-Smax和R的球壳内。
3.一种优化的移动传感器网络三维定位方法，其特征是如果移动节点是第一次没有收到某锚节点的位置信息，则移动节点位于以该锚节点为球心，半径为R和R+Smax的球壳内。 
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