CN103096463A

CN103096463A - 基于井下无线传感器网络的未知节点定位方法

Info

Publication number: CN103096463A
Application number: CN2013100054929A
Authority: CN
Inventors: 邱晓晖
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: CN103096463B

Abstract

本发明公开了一种基于井下无线传感器网络的未知节点定位方法，属于井下无线传感网络节点定位领域。该方法首先沿井下巷道长度方向，从巷口至巷尾在巷道两侧等间隔交错布放固定节点，并对每个固定节点分配唯一的ID号，未知节点利用与其相距跳数为1的固定节点的ID号计算出这些固定节点在巷道中的相对位置，从而实现未知节点自定位。本发明无需精确布放固定节点，可解决交叉巷道处的节点定位，定位精度高，运算量低，易于实施。

Description

基于井下无线传感器网络的未知节点定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于井下巷道无线传感器网络的未知移动节点自定位方法，属于井下无线传感网络节点定位领域。

背景技术

煤矿等井下环境监测一直以来是安全监控领域的重点内容之一，随着无线传感网技术的广泛应用，井下无线传感网络技术得到了长足发展。然而井下电磁环境复杂恶劣，诸如节点定位等关键问题尚未得到很好地解决，为了提高井下无线传感网络的高效性和可靠性，针对井下环境的节点定位是十分必要的。

目前无线传感网络节点定位主要包括基于测距的以及距离无关的两种方式。1、对于基于测距的定位方法，由于基于全球定位系统等井上定位方法并不适于井下，井下通常先采用接收信号强度指示方法测距，然后再基于RSSI测距结果进行定位。但RSSI测距精度往往对井下狭长巷道、作业机械或机车等引起的恶劣电磁环境较敏感，致使其定位精度较低，且很不稳定，同时具备RSSI测距功能的节点成本也相对较高。2、对于距离无关的定位方法，尽管其节点成本相对较低，但井下狭长的巷道结构却也严重制约了现有距离无关定位方法的精度，原因在于现有的距离无关或无需测距的定位方法，如距离矢量-跳数（Dv-Hop）方法，是通过估计单跳跳距并结合跳数来估计未知节点与信标节点间距离实现进一步定位的，而狭长空间结构使仅占固定节点数量10%左右的信标节点很难发挥其已知位置在宽度较窄方向上的参考作用，影响了未知节点的定位精度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，而提出一种基于井下无线传感器网络的距离无关未知节点自定位方法，以提高定位精度，降低实施成本。

该方法包括如下步骤：

步骤1：沿井下巷道长度方向，从巷口至巷尾，在巷道两侧等间隔交错布放固定节点，并对每个固定节点分配唯一的由巷道号和节点序号组成的ID号，所述巷道同一侧相邻的固定节点间隔低于通信距离的1/3；

步骤2：每个固定节点向周边转发自身的ID号，未知节点利用与其相距跳数为1的固定节点的ID号计算出这些固定节点在巷道中的相对位置，从而实现未知节点自定位。

进一步地，所述步骤2中的相距跳数为1的固定节点分为两种情况：

1）若这些固定节点ID号中的巷道号均相同，则未知节点与这些固定节点在同一巷道；

2）若这些固定节点ID号中的巷道号有不同：

①未知节点取这些固定节点ID号中相同巷道号数量多的巷道作为所在巷道；

②若这些固定节点ID号中相同巷道号的数量一样，则未知节点取这些固定节点ID号中节点序号最小的相应巷道作为所在巷道。

作为方案优化，所述固定节点中还包括绝对位置已知的用于辅助定位的信标节点。

技术效果：

1、利用与未知节点相距1跳的固定节点信息直接估计未知节点的位置，降低了反射、折射、绕射等井下复杂电磁环境的干扰，且定位精度不受井下狭长空间结构的影响。

2、提出了避让处理方法解决交叉巷道处未知节点的定位，提高了定位精度。

3、可避免依赖井下不稳定的RSSI测距，而且也可避免采用Dv-Hop算法时因狭长巷道结构造成的算法精度急剧恶化现象。

4、易于实现，节点成本低，无需精确布放固定节点，即可提高现有距离无关定位算法的定位精度并降低运算量。

附图说明

图1为实施例1的一段横井的无线传感器网络节点布放图。

图2为实施例1的定位结果示意图。

图3为实施例2的有分支井下巷道的无线传感器网络节点布放图。

图4为实施例2的定位结果示意图。

具体实施方式

本发明方法的步骤详述如下：

步骤1：沿井下巷道长度方向，从巷口至巷尾，在巷道两侧等间隔交错布放固定节点，并对每个固定节点分配唯一的由巷道号和节点序号组成的ID号。

井下巷道长度通常至少几百米，而宽度或高度却不足5米，受作业机械、机车等影响，井下无线通信距离在50米左右，电磁干扰情况复杂。因此本方法不采用随机布放固定节点的方式，而是沿井下巷道长度方向、不紧贴巷壁在巷道两侧等间隔交错放置固定节点，同一侧相邻的固定节点间隔D_x低于通信距离的1/3。如图1所示的一段横井，巷道长度方向设为x轴，平行于x轴方向的粗实线表示巷壁，两侧交错部分的起始固定节点的x坐标分别为0和D_x/2；巷道宽度方向设为y轴，D_y为相邻交错的固定节点间隔，D_y略小于巷道宽度，巷道两侧固定节点的y坐标分别为D_y/2、-D_y/2。节点坐标反映的是节点在巷道中的相对位置。这些固定节点由两类组成，一类是图1中“△”标记的信标节点，负责收集并向汇聚节点转发附近节点所监测的环境信息，信标节点的绝对位置已知；另一类是“*”标记的非信标固定节点，主要负责收集所在位置的环境数据，其布放的相对位置与ID序号相关，但允许存在误差，即低精度布放，其布放的累积误差由信标节点控制，x轴、y轴方向分别不会超过D_x/2、D_y/2。固定节点的ID号的前一段为所在巷道号，后一段为在该巷道中的节点序号，因此由固定节点的ID信息可以粗略估计它在巷道中的相对位置。

井下作业人员在无线传感网络中通常作为未知节点（移动节点），定位主要是指这些节点的定位。未知节点随机散布在巷道中，其数量、分布因作业需求而不同。首先固定节点向周边转发自身的ID号，然后未知节点根据收到的ID号获知固定节点所在的巷道号和序号，本方法中未知节点只利用与其相距跳数为1的固定节点的ID号估计出这些固定节点在巷道中的相对位置，并利用这些固定节点进行自定位。

相距跳数为1的固定节点分为两种情况：

1）若这些固定节点ID号中的巷道号均相同，则未知节点与这些固定节点在同一巷道。

这种情况下仅用未知节点邻域的固定节点信息进行定位，方法如下：

设第i个未知节点的坐标为(Mx_i,My_i)，该未知节点收到的固定节点ID有N_i个，均来自同一巷道p，节点序号分别是I_j，j=1,…,N_i，它们的坐标(Sx_j,Sy_j)可以由下式估计：

\hat{S} x_{j} = (I_{j} - 1) * D_{x} / 2, j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{i}

因此未知节点位于巷道p，其坐标按下式估计：

\hat{M} x_{i} = \frac{1}{N_{i}} Σ_{j = 1}^{N_{i}} \hat{S} x_{j}

\hat{M} y_{i} = \frac{1}{N_{i}} Σ_{j = 1}^{N_{i}} \hat{S} y_{j}, j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{i}

2）若这些固定节点ID号中的巷道号有不同：

针对这种情况本发明提出遮挡处理方法以避免非主巷道固定节点的干扰，具体方法如下：

设第i个未知节点收到的固定节点有N_i1个来自巷道p，节点序号分别是I_j，j=1,…,N_i，另有N_i2=N_i-N_i1个来自巷道q，节点序号分别是I_j，j=N_i1+1,…,N_i。首先判断未知节点所在巷道，若N_i1>N_i2，则未知节点位于巷道p，巷道p为主巷道；若N_i1<N_i2，则未知节点位于巷道q，巷道q为主巷道；若N_i1=N_i2，则将这些固定节点中序号最小的所在巷道作为未知节点的主巷道。然后，按情况1）中给出的方法，只利用未知节点所在主巷道中的固定节点估计其局部坐标，从而避免非主巷道中相邻固定节点的干扰。

未知节点自定位误差分析：

如果固定节点在布放过程中引入的放置误差均值为0，即：

E [(\hat{S} x_{j} - S x_{j})] = 0

E [(\hat{S} y_{j} - S y_{j})] = 0, j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{i}

而且不同固定节点的放置误差之间互不相关，那么第i个未知节点位置估计的误差均值满足：

| E [(\hat{M} x_{i} - M x_{i})] | = | \frac{1}{N_{i}} Σ_{j = 1}^{N_{i}} S x_{j} - M x_{i} | < \frac{D_{x}}{2}

| E [(\hat{M} y_{i} - M y_{i})] | = | \frac{1}{N_{i}} Σ_{j = 1}^{N_{i}} S y_{j} - M y_{i} | < \frac{D_{y}}{2}

因此，在固定节点放置误差均值为0时，本发明对未知节点(Mx_i,My_i)的估计误差均值不超过相邻固定节点横向、纵向的放置间隔。

下面介绍本发明的两个实施例。

实施例1：井下一段横井巷道的距离无关定位仿真实验。

该仿真实验中的节点分布情况如图1所示，x、y轴分别为横井巷道的长度和宽度方向，巷道长600米，宽3.5米，图中平行于x轴的两条粗实线表示巷壁，80个“*”表示沿巷壁低精度布放的固定节点，4个“△”表示位置已知的信标节点，信标节点也沿巷壁布放，30个“◆”表示巷道中随机分布的未知节点，相邻固定节点沿x轴方向平均间距D_x=15m，沿y轴方向平均间距D_y=3m，固定节点的布放误差沿x轴、y轴方向分别服从均值为0、标准离差分别为2m和0.1m的正态分布。实施例1的定位结果如图2所示，其中“☆”表示未知节点的定位结果，定位结果与未知节点间用实线相连，用于反映定位误差的大小。计算可得本发明的平均定位误差约为1.73m，相对于通信距离的平均定位精度为0.0347。在相同仿真条件下，由于Dv-Hop定位算法需要先估计平均每跳距离，对于巷道长、宽悬殊的井下情况，节点间跳距差异较大，且信标节点数量少，因此跳距的估计误差很大，而且因巷道宽度方向尺寸很小，定位结果往往偏出巷道，导致定位误差达几百米。这种情况下，即使将宽度方向的定位坐标人为限定在巷道宽度方向的中心，即为0值，其定位误差仍约为22.39m，相对于通信距离的平均定位精度只有0.448，该结果证明在井下情况Dv-Hop算法的定位精度远不如本方法。

实施例2：有分支井下巷道的距离无关定位仿真实验。

该仿真实验中的节点分布情况如图3所示，巷道由一段横井和一段交叉的竖井构成，横井沿x轴方向长600米，竖井沿z轴方向长300米，横井的中间位置与竖井交叉，井宽均为3.5米，固定节点的布放间隔与布放误差与实施例1相同。实施例2的定位结果如图4所示，“☆”表示未知节点的定位结果，定位结果与未知节点间同样用实线相连。计算可得本发明的平均定位误差约为1.78m，相对于通信距离的平均定位精度为0.036。可见本发明在井下巷道有分支的情况下也具有较高的定位精度。

Claims

1.一种基于井下无线传感器网络的未知节点定位方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：沿井下巷道长度方向，从巷口至巷尾，在巷道两侧等间隔交错布放固定节点，并对每个固定节点分配唯一的由巷道号和节点序号组成的ID号；

2.根据权利要求1所述的基于井下无线传感器网络的未知节点定位方法，其特征在于：所述巷道同一侧相邻的固定节点间隔低于通信距离的1/3。

3.根据权利要求1所述的基于井下无线传感器网络的未知节点定位方法，其特征在于：所述固定节点中还包括绝对位置已知的用于辅助定位的信标节点。

4.根据权利要求1所述的基于井下无线传感器网络的未知节点定位方法，其特征在于：所述步骤2中的相距跳数为1的固定节点分为两种情况：

2）若这些固定节点ID号中的巷道号有不同：