CN106353719A - 信标漂移情况下水下wsn节点三维定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信标漂移情况下水下WSN节点三维定位方法。对待定位盲节点覆盖度范围内的信标节点按照信标漂移后的可信度进行排序，取可信度前四位的信标节点分别为A、B、C、D。以可信度前三位的信标节点A、B、C结合DTOA测距结果，建立方程组，解算得到待定位盲节点的两组候选三维坐标。用信度第四的节点D三维坐标和测距结果建立判断条件，最终确定待定位盲节点的三维坐标。遍历全部待定位盲节点，完成水下WSN节点三维定位。本发明方法，定位结果可信度高，尤其适用于非理想静水环境中水下信标漂移情况下的WSN节点三维定位。

Description

信标漂移情况下水下WSN节点三维定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点定位方法，具体说是一种在分布有信标节点的非理想静水环境中,信标漂移情况下水下无线传感器网络(WSN)节点三维定位方法。

背景技术

随着开发海洋资源热潮的兴起和陆地无线传感器网络(wireless sensornetwork，WSN)研究的迅速发展，水下无线传感器网络技术也开始飞速发展，并在环境监测、灾难预报、资源开发以及军事导航辅助等各个方面得到应用。在很多应用中，数据需要结合其地理位置信息才具有实际意义，且地理位置信息可以为网络层协议给予支持，因此水下定位技术成为一个亟待解决的重要问题。水下传感器网络定位具有如下特点：水下不能直接使用GPS；水下信道带宽低，通信开销大的协议不适用于水下；节点随水流的移动等。这给水下的节点定位带来了极大的困难与挑战。原有的陆地定位技术不能直接应用于水下定位，需要提出适用于水下定位特点的新的节点定位技术。

现有的分布式基于估计的定位机制：

大规模定位法(LSL)为一种静态水环境中的分布式分层定位机制。如图1所示，网络由三种节点组成：浮标节点，信标节点(锚节点)和未知节点。浮标节点通过GPS获取坐标，信标节点首先通过浮标节点定位自身坐标，然后周期发送自身坐标为未知节点定位。该方法采用了单程TOA测距来获取距离，是水下大规模WSN节点定位的基本方法。

水下定位机制(UPS)利用4个信标节点发送信标信号给未知节点定位，并采用了TDOA方式来进行测距避免了时间同步，适用于静态水环境。如图2所示，由1个主信标节点(A)发起定位过程，信标节点B和未知节点接收到信号，B收到A信号后计算出A到B的延迟然后发送坐标信号，未知节点接收到B信号之后就可以只通过自身的时钟计算出出自己到A和B的距离差。同理，信标节点C和D也采取相同的过程。UPS机制可有效避免时间同步并且通信开销非常小。但是由于只依赖4个信标节点来定位，定位覆盖度不高不适用于大范围的水下网络，而且对信标节点的通信距离要求比较高。

以上两种方案，前者侧重宏观，后者侧重微观，但两种均将应用场景设定为理想的静水状态，即浮标节点坐标固定不变。但在实际的水下应用中，受生物因素、水下暗涌等不可知因素的影响，各个信标节点坐标极有可能发生不规则的改变，即信标漂移。

发明内容

本发明所要解决的问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种非理想静水环境中，信标漂移情况下水下WSN节点三维定位方法。在信标漂移情况下，已知各信标可信度，对未知节点(待定位盲节点)定位的方法。

本发明为了实现上述发明目的，所采用的技术方案是：一种信标漂移情况下水下WSN节点三维定位方法，其步骤如下：

步骤1：在水下监测区域内随机分布信标节点。在一定时间后，信标节点的位置漂移。

步骤2：信标节点发生位置漂移的情况下，选定一个待定位盲节点X，确定在该选定待定位盲节点X覆盖范围内的全部信标节点。

如果该选定待定位盲节点X覆盖范围内的全部信标节点个数≥4，则：按照现有技术公开的方法确定各个信标节点的可信度，进入步骤3。

如果该选定待定位盲节点X覆盖范围内的全部信标节点个数＜4，则标记该选定待定位盲节点X无法定位，若该选定待定位盲节点X是水下监测区域内最后一个待定位盲节点，结束水下WSN节点三维定位。否则返回到步骤2。

关于确定信标节点可信度，公开号为CN104410981A的中国发明专利申请文件(申请号201410624665.X，)公开了“一种无线传感器网络中信标节点可信度评估方法”。所公开的信标节点可信度评估步骤：信标节点向周围节点发送自身的评估指标信息计算归一化后的可靠性、安全性、实时性的权重值分别计算评估指标信息的各因素在可靠性、安全性、实时性中归一化后的权重值计算得到评估指标信息的各因素的综合权重值矩阵对信标节点的评估指标信息的各因素进行可信度打分,并计算得到该节点的可信度值。对未知节点通信范围内的其余各信标节点,重复上述步骤,得到各信标节点的可信度值。该发明适用于无线传感器网络中信标节点的可信度评估，并且对于传感器节点的硬件配置没有特殊要求。本专利可以选择该方法确定各个信标节点的可信度。

步骤3：将步骤2所确定的全部信标节点按照其可信度进行排序，取可信度最高的4个信标节点(A,B,C,D)，确定其三维坐标，分别为A(xa,ya,za)、B(xb,yb,zb)、C(xc,yc,zc)、D(xd,yd,zd)。

步骤4：采用TDOA测距方法，分别测定四个可信度最高的信标节点(A、B、C、D)到选定待定位盲节点X的距离Da，Db，Dc，Dd。所述TDOA，是到达时间差定位法(Time DifferenceOf Arrival)的缩写，该定位方法是通过测量无线电信号到达不同节点的天线单元时间差，来对发射无线电信号的节点进行定位的技术。

步骤5：设选定待定位盲节点X的坐标(x,y,z)，建立方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Da}}^2={(x-xa)}^2+{(y-ya)}^2+{(z-za)}^2\\ {\mathrm{Db}}^2={(x-xb)}^2+{(y-yb)}^2+{(z-zb)}^2\\ {\mathrm{Dc}}^2={(x-xc)}^2+{(y-yc)}^2+{(z-zc)}^2\end{array}\right.$

解方程组，得到α、β两组解。

步骤6：将α、β两组解分别带入下式，计算差值Δ：

$\mathrm{\Δ}=\left|Dd-\sqrt{{(x-xd)}^2+{(y-yd)}^2+{(z-zd)}^2}\right|$

使得差值Δ较小的一组解为该选定待定位盲节点X的三维坐标。

步骤7：重复步骤2至步骤6，直至遍历全部待定位盲节点。

本发明方法，优选方案是：信标节点(A、B、C)为可信度最高的三个信标节点，信标节点D为可信度第四高的信标节点。

本发明方法，在一个大规模水下WSN网络中，对待测未知节点覆盖度范围内的信标节点按照信标漂移后的可信度进行排序，取可信度前四位的信标节点分别为A、B、C、D；以四面体为定位单元，可信度前三位的信标节点A、B、C可根据DTOA测距结果确定候选定位点α、β，可信度第四的节点D按照测距结果对候选定位点α、β进行判决，该方法具有以下优点：定位结果可信度高，特别适用于水下信标漂移情况。

附图说明

图1是现有技术中大规模定位法(LSL)节点示意图。

图2是现有技术中水下定位机制(UPS)节点示意图。

图3是选定待定位盲节点X三维空间定位关系示意图。

图4是本发明方法与水下定位机制(UPS)定位可行度对比示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例：

步骤1：在一片1000米立方的三维非理想的静水域中，自由分布n个三维坐标已知的悬浮信标节点。由于该非理想的静水域存在不可知的生物活动及水下暗涌，信标节点的位置在一定时间后可能发生了改变。此时要对该区域内100个需要定位的盲节点进行定位。

表1实施例数据

由以上数据可根据信标节点数和三维空间体积计算信标节点密度为n/km³。数据中N(…，…)，U(…，…)分别代表正态分布和均有分布。

本次测试分别取信标节点密度为20，40，60，80，100，120，140，160，180，200，300，400，500，定义定位平均可信度为

步骤2：如图3所示，信标节点发生位置漂移的情况下，选定一个待定位盲节点X(图3中，将选定待定位盲节点X简称为盲节点)，确定在该选定待定位盲节点X覆盖范围内的全部信标节点。

由图3可知，选定待定位盲节点X覆盖范围内的全部信标节点个数≥4，根据公开号为CN104410981A的中国发明专利申请文件提供的方法确定各个信标节点的可信度。

如果后续定位过程中，所选定待定位盲节点X覆盖范围内的全部信标节点个数＜4，则标记该选定待定位盲节点X无法定位，若该选定待定位盲节点X是水下监测区域内最后一个待定位盲节点，结束本次水下WSN节点三维定位。否则返回到步骤2。

步骤3：将步骤2所确定的全部信标节点按照其可信度进行排序，取可信度最高的4个信标节点(A,B,C,D)，确定其三维坐标，分别为A(xa,ya,za)、B(xb,yb,zb)、C(xc,yc,zc)、D(xd,yd,zd)。

步骤4：采用DTOA测距方法，分别测定四个可信度最高的信标节点(A、B、C、D)到选定待定位盲节点X的距离Da，Db，Dc，Dd。

步骤5：选择可信度最高的三个信标节点A,B,C,设选定待定位盲节点X的坐标(x,y,z)，建立方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Da}}^2={(x-xa)}^2+{(y-ya)}^2+{(z-za)}^2\\ {\mathrm{Db}}^2={(x-xb)}^2+{(y-yb)}^2+{(z-zb)}^2\\ {\mathrm{Dc}}^2={(x-xc)}^2+{(y-yc)}^2+{(z-zc)}^2\end{array}\right.$

解方程组，得到α、β两组解。

步骤6：将α、β两组解分别带入下式，计算差值Δ：

$\mathrm{\Δ}=\left|Dd-\sqrt{{(x-xd)}^2+{(y-yd)}^2+{(z-zd)}^2}\right|$

使得差值Δ较小的一组解为该选定待定位盲节点X的三维坐标。

步骤7：重复步骤2至步骤6，直至遍历全部待定位盲节点。

定位结果见表2

表2定位平均可信度对比表

信标节点密度(/km3)	本专利方法	水下定位机制(UPS)
			20	0.29	0.03
40	0.41	0.21
			60	0.7	0.31
80	0.75	0.37
			100	0.86	0.39
120	0.9	0.36
			140	0.93	0.39
160	0.94	0.4
			180	0.95	0.46
200	0.91	0.4
			300	0.91	0.51
400	0.91	0.5
			500	0.91	0.48

图4是本发明方法与水下定位机制(UPS)定位可行度对比示意图。分析发现，本专利方案在该实施例下，本专利方案和水下定位机制的定位结果都随信标节点密度提高而优化。对于本专利方案，当信标节点密度达到120/km³以上时，定位平均可信度可达到0.9以上；而对于水下定位机制，定位平均可信度则趋于0.5左右，可见在本实施例下，本专利方案明显优于水下定位机制。

Claims (2)

1.一种信标漂移情况下水下WSN节点三维定位方法，其步骤如下：

步骤1：在水下监测区域内随机分布信标节点；

步骤2：信标节点发生位置漂移的情况下，选定一个待定位盲节点X，确定在该选定待定位盲节点X覆盖范围内的全部信标节点；

如果该选定待定位盲节点X覆盖范围内的全部信标节点个数≥4，则：按照现有技术公开的方法确定各个信标节点的可信度，进入步骤3；

如果该选定待定位盲节点X覆盖范围内的全部信标节点个数＜4，则标记该选定待定位盲节点X无法定位，若该选定待定位盲节点X是水下监测区域内最后一个待定位盲节点，结束水下WSN节点三维定位；否则返回到步骤2；

步骤3：将步骤2所确定的全部信标节点按照其可信度进行排序，取可信度最高的4个信标节点(A,B,C,D)，确定其三维坐标，分别记为A(xa,ya,za)、B(xb,yb,zb)、C(xc,yc,zc)、D(xd,yd,zd)；

步骤4：采用DTOA测距方法，分别测定四个可信度最高的信标节点(A、B、C、D)到选定待定位盲节点X的距离Da，Db，Dc，Dd；

步骤5：设选定待定位盲节点X的坐标(x,y,z)，建立方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Da}}^2={(x-xa)}^2+{(y-ya)}^2+{(z-za)}^2\\ {\mathrm{Db}}^2={(x-xb)}^2+{(y-yb)}^2+{(z-zb)}^2\\ {\mathrm{Dc}}^2={(x-xc)}^2+{(y-yc)}^2+{(z-zc)}^2\end{array}\right.$

解方程组，得到α、β两组解；

步骤6：将α、β两组解分别带入下式，计算差值Δ：

$\mathrm{\Δ}=|Dd-\sqrt{{(x-xd)}^2+{(y-yd)}^2+{(z-zd)}^2}|$

使得差值Δ较小的一组解为该选定待定位盲节点X的三维坐标；

步骤7：重复步骤2至步骤6，直至遍历全部待定位盲节点。

2.根据权利要求1所述信标漂移情况下水下WSN节点三维定位方法，其特征是：信标节点(A、B、C)为可信度最高的三个信标节点，信标节点D为可信度第四高的信标节点。