CN108363036B - Wsn中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法，涉及无线传感器定位技术领域。本发明的系统包括各传感器节点上的微型处理器及其中的可执行节点定位程序：节点状态广播器、节点状态获取器、锚节点集建立器、测量距离计算器、误差补偿信息集建立器、节点位置计算器、节点信任权值计算器、参数设置器、比较器、节点转换器。本发明的方法在定位初始阶段，由网络内锚节点相互定位确定自身测距校正参数和坐标误差补偿值，用于待定位节点的三维坐标计算中，能大大降低非视距环境下的定位误差干扰；将已定位节点升级为代理锚节点，并赋予信任权值用于其他待定位节点的坐标计算中，可以有效提高网络定位覆盖率和定位精度。

Description

WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法

技术领域

本发明涉及无线传感器定位技术领域，尤其涉及一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法。

背景技术

无线传感器网络，简称WSN，是一种由大量微传感器进行信息采集、数据通信与处理的自组织网络，可以被部署在目标区域中进行环境监测，在军事国防、矿井信息采集、医疗治理以及灾难救援等领域都发挥了巨大作用。节点定位在整个WSN监控活动中具有举足轻重的作用，是判断WSN应用是否具有实用价值的重要衡量指标。而且，提供传感器节点的精确位置不仅有利于观察者及时采取有效的防范与监督措施，还有助于提高网络覆盖质量，对调节网络拓扑结构以及改善网络路由效率也有明显帮助。

从上世纪90年代以来，国内外学者就对传感器网络定位问题展开了深入的探索与研究，提出了许多相关定位算法。总体来说，这些算法可以分为非测距定位算法和基于测距的定位算法。前者不需要测量各个传感器节点之间距离，通常根据少数已定位节点间的几何关系以及坐标数据，就能求出待定位节点的具体位置，算法相对简单，定位成本较低，但是定位精度不够精确。后者主要是通过使用接收信号强度(RSSI)、到达角度(AOA)或到达时间(TOA)等测距技术求出网络节点间的相互距离，再使用常用的坐标计算方法求出未知节点的具体坐标，算法较为复杂，定位成本较高，但是定位精确高。从另一角度来说，现阶段的定位算法又可分为集中式算法和分布式算法，在网络规模较大时，全网信息的集中式交互容易引发较大能耗，而分布式算法的网络能耗则会相对均衡，因此，目前业界更加推崇分布式定位算。而在传感器节点定位的具体应用中，实际场景都是一些环境较为复杂，定位干扰因素较多的三维空间，如何设计一种有效减少非视距干扰因素的高精度分布式三维定位方法，已成为传感器网络定位中极具研究价值的难点与热点问题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法，以达到提高无线传感器网络定位精度和定位覆盖率的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统，包括各传感器节点上的微型处理器；所述各微型处理器中均包括可执行的节点定位程序；

所述节点定位程序包括：

节点状态广播器，用于锚传感器节点或代理锚传感器节点向其邻居节点广播自身的状态消息，状态消息包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值和定位结束时间；所述传感器节点标号用于唯一标识传感器；传感器节点类型包括待定位传感器节点、已定位传感器节点、锚传感器节点、代理锚传感器节点，初始传感器节点只有待定位传感器节点和锚传感器节点两种类型，待定位传感器节点经过定位计算后会转换成已定位传感器节点或代理锚传感器节点；测距校正参数用于对锚传感器节点和待定位传感器节点间的距离值进行误差补偿；定位结束时间是指传感器网络定位工作结束的时间；

节点状态获取器，用于传感器节点获取锚传感器节点或代理锚传感器节点广播的状态消息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、接收信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值及定位结束时间；

锚节点集建立器，用于根据节点状态获取器中的节点广播状态信息建立锚节点集合，包括锚节点和后来升级的代理锚节点，并将建立的锚节点集发送给节点位置计算器；

测量距离计算器，用于提取锚传感器节点或代理锚传感器节点，对RSSI值进行变换，计算待定位传感器节点与锚传感器节点或代理锚传感器节点之间的测量距离，并将该距离值发送给节点位置计算器；所述测量距离计算器测量的距离包括：所有与本传感器节点相邻的锚传感器节点或代理锚传感器节点与本传感器节点之间的距离；

误差补偿信息集建立器，用于根据节点状态获取器中的测距校正参数及坐标误差补偿值建立误差补偿信息集，并将建立的误差补偿信息集发送给节点位置计算器；

节点位置计算器，用于根据测量距离计算器、锚节点集建立器和误差补偿信息集建立器的输出，计算待定位传感器节点自身坐标，并将求出的节点坐标发送给节点信任权值计算器；

节点信任权值计算器，用于根据节点位置计算器提供的节点坐标计算已定位传感器节点的信任权值；

参数设置器，用于用户自行设定已定位传感器节点转换为代理锚传感器节点的初始信任值以及定位结束时间；

比较器，用于对节点信任权值计算器输出的信任权值与参数设置器输出的初始信任值进行比较，若节点信任权值计算器输出的某传感器节点信任权值大于或等于初始信任值，则将该传感器节点标记为可能的锚传感器节点，若小于初始信任值，则将该传感器节点转入休眠状态；

节点转换器，用于将比较器中标记为可能的锚传感器节点升级为代理锚传感器节点，并将该传感器节点的类型设置为代理锚传感器节点。

另一方面，本发明还提供一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法，采用上述的定位系统实现，包括以下步骤：

步骤1：传感器节点判断自身节点类型，如果为锚传感器节点，则执行步骤2，否则执行步骤6；

步骤2：锚传感器节点设置定位结束时间，并设置测距校正参数与坐标误差补偿的初始值为0；

步骤3：锚传感器节点使用节点状态广播器向邻居传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值；

步骤4：锚传感器节点计算自身的测距校正参数与坐标误差补偿值；

步骤5：锚传感器节点或代理锚传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值，执行步骤12；

步骤6：待定位传感器节点获取锚邻居节点或代理锚邻居节点的广播信息，包括邻居节点的标号、类型、坐标值、接收信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值；如果是第一次接收到锚邻居节点的广播信息，就将其丢掉，重新获取锚邻居节点的广播信息，否则将该广播信息保存到锚节点集合中；

步骤7：待定位传感器节点通过接收锚节点或代理锚邻居节点的信号强度RSSI值，计算其与各锚邻居节点或代理锚邻居节点之间的距离；

步骤8：待定位传感器节点根据获取的锚邻居节点或代理锚邻居节点状态信息，计算锚邻居节点或代理锚邻居节点的信任权值；

如果待定位传感器节点的邻居节点类型为锚传感器节点，则将锚传感器节点的信任权值设为1；

如果待定位传感器节点的邻居节点类型为代理锚传感器节点，则代理锚传感器节点的信任权值通过如下公式计算：

式中，v_k表示代理锚传感器节点k的信任权值，(x_u，y_u，z_u)表示待定位传感器节点的估算坐标，(x_i，y_i，z_i)表示代理锚传感器节点k的代理锚邻居节点i的坐标，d_i表示代理锚传感器节点k到邻居节点i的测量距离；

步骤9：计算待定位传感器节点坐标，并将其传感器节点类型改为已定位传感器节点；

步骤10：已定位传感器节点计算自身信任权值，计算公式如下：

其中，v_l表示已定位传感器节点l的信任权值，(x₁，y₁，z₁)表示已定位传感器节点1的坐标，(x_w，y_w，z_w)表示已定位传感器节点1的锚邻居节点或代理锚邻居节点w的坐标，dw表示节点1到锚邻居节点或代理锚邻居节点w的测量距离；

步骤11：已定位传感器节点通过比较器判断自身信任权值是否大于或者等于初始信任权值，如果是，则该已定位传感器节点标记为可能的锚传感器节点，通过节点转换器将自身类型升级改为代理锚传感器节点，设置其测距校正参数与坐标误差补偿值为0，设置定位结束时间，然后执行步骤12，否则进入节点休眠状态，方法终止；

步骤12：锚传感器节点或代理锚传感器节点判断是否已到定位结束时间，如果是，则方法终止；否则返回执行步骤5。

所述步骤4中锚传感器节点计算自身的测距校正参数与坐标误差补偿值的具体过程如下：

步骤4-1：锚传感器节点获取锚邻居节点的广播状态信息，并求出自身与各锚邻居节点的实际距离，实际距离计算公式如下：

式中，d_j表示锚传感器节点与第j个锚邻居节点的实际距离，(x，y，z)表示锚传感器节点的真实坐标，(x_j，y_j，z_j)表示锚传感器节点第j个锚邻居节点的真实坐标；

步骤4-2：锚传感器节点根据接收信号强度RSSI值，计算与各锚邻居节点的测量距离，计算公式如下：

式中，d_mj表示锚传感器节点与第j个锚邻居节点的测量距离，P_r表示接收信号的锚传感器节点的接收功率，P_jt表示发射信号的第j个锚邻居节点的发射天线功率，G_r表示接收信号的锚传感器节点的接收天线增益，G_jt表示发射信号的第j个锚邻居节点的发射天线增益，L表示系统损耗因子，λ表示信号传输波长；

步骤4-3：根据锚传感器节点与锚邻居节点的实际距离与测量距离，计算锚传感器节点本身的测距校正参数q，计算公式如下：

式中，n表示锚传感器节点可通信的所有锚邻居节点的个数；

步骤4-4：判断锚传感器节点的锚邻居节点个数n是否大于或者等于4，如果是，则执行步骤4-5，否则，返回步骤4-1，继续获取锚邻居节点广播状态信息；

步骤4-5：按下式计算锚传感器节点自身的估算坐标值(x_c，y_c，z_c)，锚传感器节点的估算坐标计算公式为：

式中，(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、…、(x_n，y_n，z_n)依次为n个锚邻居节点的坐标，d₁、d₂、…、d_n依次为锚传感器节点与n个锚邻居节点的距离；

步骤4-6：根据锚传感器节点的真实坐标与估算坐标，计算锚传感器节点本身的坐标误差补偿值e，计算公式为：

所述步骤7中待定位传感器节点与各锚邻居节点或代理锚邻居节点之间距离的计算公式为：

式中，d_us表示待定位传感器节点与第s个锚邻居节点的测量距离，P_r’表示接收信号的待定位传感器节点的接收功率，P_st’表示发射信号的第s个锚邻居节点或代理锚邻居节点的发射天线功率，G_r’表示接收信号的待定位传感器节点的接收天线增益，G_st’表示发射信号的第s个锚邻居节点或代理锚邻居节点的发射天线增益，L表示系统损耗因子，λ表示信号传输波长。

所述步骤9中计算待定位传感器节点坐标的具体过程如下：

步骤9-1：判断待定位传感器节点的锚邻居节点或代理锚邻居节点的数量是否大于或者等于4，如果是，则执行步骤9-2，否则返回执行步骤6；

步骤9-2：求出待定位传感器节点的估算坐标，估算坐标计算公式为：

QAX＝QB (8)

其中，Q＝diag(v₁，v₂，...，v_m)，

式中，(x_u，y_u，z_u)表示待定位传感器节点的估算坐标，m表示待定位传感器节点的可通信的锚邻居节点或代理锚邻居节点个数，v_p表示锚邻居节点或者代理锚邻居节点p的信任权值，p＝1、2、…、m；

步骤9-3：根据锚节点集合中的测距校正参数及坐标误差补偿值，确定待定位传感器节点的最终坐标，并将其传感器节点类型修改为已定位传感器节点；其中最终坐标计算公式为：

式中，

表示待定位传感器节点的最终坐标，(e_xp，e_yp，e_zp)表示锚邻居节点或者代理锚邻居节点p的误差补偿坐标值。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法，在定位初始阶段，由网络内锚节点相互定位确定自身测距校正参数以及坐标误差补偿值，并将其用于待定位节点的三维坐标计算中，能大大降低非视距环境下的定位误差干扰；将符合定位精度要求的已定位节点升级为代理锚节点，并赋予信任权值用于其他待定位节点的坐标计算中，可以有效提高网络定位覆盖率和定位精度，在定位干扰因素较多的三维环境下具有良好的应用性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统结构框图；

图2为本发明实施例提供的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法流程图；

图3为本发明实施例提供的WSN中传感器节点定位误差补偿策略的原理图；

图4为本发明实施例提供的WSN中传感器节点误差补偿策略流程图；

图5为本发明实施例提供的WSN中初始信任权值与定位误差关系图；

图6为本发明实施例提供的WSN中初始信任权值与定位覆盖率关系图；

图7为本发明实施例提供的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法与极大似然估算法定位误差对比图；

图8为本发明实施例提供的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法与极大似然估算法的定位覆盖率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统，包括各传感器节点上的微型处理器；所述各传感器节点上的微型处理器中均包括可执行的节点定位程序；

如图1所示，节点定位程序包括：节点状态广播器、节点状态获取器、锚节点集建立器、测量距离计算器、误差补偿信息集建立器、节点位置计算器、节点信任权值计算器、参数设置器、比较器、节点转换器。

节点状态广播器，用于锚传感器节点或代理锚传感器节点向其邻居节点广播自身的状态消息，状态消息包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值和定位结束时间；节点状态广播器广播的信息包括两种：一种是锚传感器节点将自身信息广播给邻居传感器节点，另一种是代理锚节点将自身信息广播给邻居传感器节点；传感器节点标号是用来唯一标识传感器的；传感器节点类型包括待定位传感器节点、已定位传感器节点、锚传感器节点、代理锚传感器节点，初始传感器节点只有待定位传感器节点和锚传感器节点两种类型，待定位传感器节点经过定位计算后会转换成已定位传感器节点或代理锚传感器节点；测距校正参数是用来对锚节点和待定位节点间的距离值进行误差补偿的；定位结束时间是用来结束传感器网络定位工作的。

节点状态获取器，用于传感器节点获取锚传感器节点或代理锚传感器节点广播的状态消息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、接收信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值及定位结束时间。

锚节点集建立器，用于根据节点状态获取器中的节点广播状态信息建立锚节点集合，包括锚节点和后来升级的代理锚节点，并将建立的锚节点集发送给节点位置计算器。

测量距离计算器，用于提取锚传感器节点或代理锚传感器节点，对RSSI值进行变换，计算待定位传感器节点与锚传感器节点或代理锚传感器节点之间的距离，并将该距离值发送给节点位置计算器。测量距离计算器测量的距离包括：所有与本传感器节点相邻的锚传感器节点或代理锚传感器节点与本传感器节点之间的距离。

误差补偿信息集建立器，用于根据节点状态获取器中的测距校正参数及坐标误差补偿值建立误差补偿信息集，并将建立的误差补偿信息集发送给节点位置计算器。

节点位置计算器，用于根据测量距离计算器、锚节点集建立器和误差补偿信息集建立器的输出，计算待定位传感器节点自身坐标，并将求出的节点坐标发送给节点信任权值计算器。

节点信任权值计算器，用于根据节点位置计算器提供的节点坐标计算已定位传感器节点的信任权值。

参数设置器，用于用户自行设定已定位传感器节点转换为代理锚传感器节点的初始信任值以及定位结束时间。

比较器，用于对节点信任权值计算器输出的信任权值与参数设置器输出的初始信任值进行比较，若节点信任权值计算器输出的某传感器节点信任权值大于或等于初始信任值，则将该传感器节点标记为可能的锚传感器节点，若小于初始信任值，则将该传感器节点转入休眠状态；

节点转换器，用于将比较器中标记为可能的锚传感器节点升级为代理锚传感器节点，并将该传感器节点的类型设置为代理锚传感器节点。

采用上述的定位系统进行节点分布式定位的方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：传感器节点获取自身的状态信息，判断自身节点类型，如果为锚传感器节点，则执行步骤2，否则执行步骤6。

步骤2：锚传感器节点设置定位结束时间time，并设置测距校正参数q与坐标误差补偿e的初始值为0。

步骤3：锚传感器节点使用节点状态广播器向邻居传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值。

步骤4：锚传感器节点计算自身的测距校正参数与坐标误差补偿值，其原理如图3所示，假设锚节点A需要计算自身的测距校正参数与坐标误差补偿值，r为节点A的通信半径，圆球以外的节点不在锚节点A的通信范围内，该节点到其通信范围内其他锚节点B、C、E、F、G的实际距离依次为d₁、d₂、d₃、d₄、d₅，节点A通过RSSI技术测量出与锚节点B、C、E、F、G的距离依次为d_m1、d_m2、d_m3、d_m4、d_m5，用极大似然估算法得到节点A的坐标估计值为A′，据此求出节点A的测距校正参数和坐标误差补偿值，具体计算过程如图4所示，包括如下过程：

步骤4-1：锚传感器节点获取锚邻居节点的广播状态信息，并求出自身与各锚邻居节点的实际距离，实际距离计算公式如下：

式中，d_j表示锚传感器节点与第j个锚邻居节点的实际距离，(x，y，z)表示锚传感器节点的真实坐标，(x_j，y_j，z_j)表示锚传感器节点第j个锚邻居节点的真实坐标；

步骤4-2：锚传感器节点根据接收信号强度RSSI值，计算与各锚邻居节点的测量距离，计算公式如下：

式中，d_mj表示锚传感器节点与第j个锚邻居节点的测量距离，P_r表示接收信号的锚传感器节点的接收功率，P_jt表示发射信号的第j个锚邻居节点的发射天线功率，G_r表示接收信号的锚传感器节点的接收天线增益，G_jt表示发射信号的第j个锚邻居节点的发射天线增益，L表示系统损耗因子，λ表示信号传输波长；

步骤4-3：根据锚传感器节点与锚邻居节点的实际距离与测量距离，计算锚传感器节点本身的测距校正参数q，计算公式如下：

式中，n表示锚传感器节点可通信的所有锚邻居节点的个数；

步骤4-4：判断锚传感器节点的锚邻居节点个数n是否大于或者等于4，如果是，则执行步骤4-5，否则，返回步骤4-1，继续获取锚邻居节点广播状态信息；

此处计算测距校正参数是计算待定位节点坐标之前必须要完成的事情，参数n必须大于等于4才有意义，这跟锚节点密度以及节点通信范围有关；

步骤4-5：按下式计算锚传感器节点自身的估算坐标值(x_c，y_c，z_c)，锚传感器节点的估算坐标计算公式为：

式中，(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、…、(x_n，y_n，z_n)依次为n个锚邻居节点的坐标，d₁、d₂、…、d_n依次为锚传感器节点与n个锚邻居节点的距离；

步骤4-6：根据锚传感器节点的真实坐标与估算坐标，计算锚传感器节点本身的坐标误差补偿值e，计算公式为：

步骤5：锚传感器节点或代理锚传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值，执行步骤12；

在步骤2与步骤5的两次广播中，锚节点第一次广播信息是让其他锚邻居节点接收的，进而计算每个锚节点各自的误差补偿值，锚节点第二次广播信息时，已经计算好自身的误差补偿值，再次广播是让待定位节点接收的，从而使用误差补偿值用于计算出待定位节点的精确位置，所以，锚节点必须广播两次信息，第一次是让其他锚节点接收的，第二次是让待定位节点接收的。

步骤6：待定位传感器节点获取锚邻居节点或代理锚邻居节点的广播信息，包括邻居节点的标号、类型、坐标值、接收信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值，如果是第一次接收到锚邻居节点的广播信息，就将其丢掉，重新获取锚邻居节点的广播信息，否则将该广播信息保存到锚节点集合中。

步骤7：待定位传感器节点通过接收锚节点或代理锚邻居节点的信号强度RSSI值，计算其与各锚邻居节点或代理锚邻居节点之间的距离，计算公式为：

式中，d_us表示待定位传感器节点与第s个锚邻居节点的测量距离，P_r’表示接收信号的待定位传感器节点的接收功率，P_st’表示发射信号的第s个锚邻居节点或代理锚邻居节点的发射天线功率，G_r’表示接收信号的待定位传感器节点的接收天线增益，G_st’表示发射信号的第s个锚邻居节点或代理锚邻居节点的发射天线增益，L表示系统损耗因子，λ表示信号传输波长。

步骤8：待定位传感器节点根据获取的锚邻居节点或代理锚邻居节点状态信息，计算锚邻居节点或代理锚邻居节点的信任权值；

如果待定位传感器节点的邻居节点类型为锚传感器节点，则将锚传感器节点的信任权值设为1；

如果待定位传感器节点的邻居节点类型为代理锚传感器节点，则代理锚传感器节点的信任权值通过如下公式计算：

式中，v_k表示代理锚传感器节点k的信任权值，(x_u，y_u，z_u)表示待定位传感器节点的估算坐标，(x_i，y_i，z_i)表示代理锚传感器节点k的代理锚邻居节点i的坐标，d_i表示代理锚传感器节点k到邻居节点i的测量距离。

步骤9：计算待定位传感器节点坐标，并将其传感器节点类型改为已定位传感器节点；

计算待定位传感器节点坐标的具体过程如下：

步骤9-1：判断待定位传感器节点的锚邻居节点或代理锚邻居节点的数量是否大于或者等于4，如果是，则执行步骤9-2，否则返回执行步骤6；

步骤9-2：求出待定位传感器节点的估算坐标，估算坐标计算公式为：

QAX＝QB (8)

其中，Q＝diag(v₁，v₂，...，v_m)，

式中，(x_u，y_u，z_u)表示待定位传感器节点的估算坐标，m表示待定位传感器节点的可通信的锚邻居节点或代理锚邻居节点个数，v_p表示锚邻居节点或者代理锚邻居节点p的信任权值，p＝1、2、…、m；

步骤9-3：根据锚节点集合中的测距校正参数及坐标误差补偿值，确定待定位传感器节点的最终坐标，并将其传感器节点类型修改为已定位传感器节点；其中最终坐标计算公式为：

式中，

表示待定位传感器节点的最终坐标，(e_xp，e_yp，e_zp)表示锚邻居节点或者代理锚邻居节点p的误差补偿坐标值。

步骤10：已定位传感器节点计算自身信任权值，计算公式如下：

其中，v_l表示已定位传感器节点l的信任权值，(x₁，y₁，z₁)表示已定位传感器节点1的坐标，(x_w，y_w，z_w)表示已定位传感器节点1的锚邻居节点或代理锚邻居节点w的坐标，dw表示节点1到锚邻居节点或代理锚邻居节点w的测量距离。

步骤11：已定位传感器节点通过比较器判断自身信任权值是否大于或者等于初始信任权值，如果是，则该已定位传感器节点标记为可能的锚传感器节点，通过节点转换器将自身类型升级改为代理锚传感器节点，设置其测距校正参数与坐标误差补偿值为0，设置定位结束时间，然后执行步骤12，否则进入节点休眠状态，方法终止。

步骤12：锚传感器节点或代理锚传感器节点判断是否已到定位结束时间，如果是，则方法终止；否则返回执行步骤5。

考察本实施例采用的定位方法的性能情况，通过和常用定位方法对比以验证方法的有效性，具体如下：在1000×1000区域中随机部署200个传感器节点，其中的锚节点占比在图5至图8中有相应说明，设置Rc＝300，设定本实施例采用的定位方法为3DL算法，对比算法为极大似然估算法。

图5反映了节点定位误差和初始信任权值之间的关系。当锚节点占比达到5％时，节点定位误差随初始信任权值的增加而单调下降。当锚节点占比达到10％和15％时，定位误差先随着初始信任权值的增大而缓慢下降，当其下降到一定值后又呈现缓慢的上升趋势。这是因为刚开始随着初始信任权值的增大，升级的代理锚节点定位精度较高且数量较为充足，这样就减少了待定位节点的定位误差。但如果初始信任权值设置为逼近1的数字，网络中可升级的代理锚节点数量就会变得很少，定位误差就会相应增大。

图6反映了定位覆盖率和初始信任权值之间的关系。随着锚节点密度的增加，定位覆盖率呈现单调上升趋势。但当锚节点密度相对较大时，定位覆盖率将达到一个逼近1的数值后便不再增加。这就说明可以通过提升锚节点密度解决稀疏网络的定位覆盖率问题，但同时应考虑初始信任权值的因素。初始信任权值大，升级代理锚节点的数量就会减少，定位覆盖率也会降低。初始信任权值小，节点定位精度就无法得到保证。

通过对图5和图6进行分析，对定位覆盖率和定位精度进行综合考虑和权衡，本实施例采用的定位方法设定升级代理锚节点的初始信任值为0.9，定位后的传感器节点信任权值只有大于该值时才能升级为代理锚节点。

图7反映了3DL算法与极大似然估算法的定位精度对比情况，由图可知，在锚节点密度较低时，3DL定位算法比极大似然估算法的定位精度较高。但随着锚节点密度的增大，两种定位算法的精度越来越接近。这是因为当锚节点密度较大时，3DL算法就变成了和极大似然估算法相似的算法。

图8反映了3DL算法与极大似然估算法的定位覆盖率对比情况，由图可知，在相同的通信半径和锚节点密度情况下，3DL算法的定位覆盖率明显高于极大似然估算法，这是由于3DL算法可以通过升级代理锚节点来提升节点定位覆盖率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统，其特征在于：该系统包括各传感器节点上的微型处理器；所述各微型处理器中均包括可执行的节点定位程序；

所述节点定位程序包括：

节点状态广播器，用于锚传感器节点或代理锚传感器节点向其邻居节点广播自身的状态消息，状态消息包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值和定位结束时间；所述传感器节点标号用于唯一标识传感器；传感器节点类型包括待定位传感器节点、已定位传感器节点、锚传感器节点、代理锚传感器节点，初始传感器节点只有待定位传感器节点和锚传感器节点两种类型，待定位传感器节点经过定位计算后会转换成已定位传感器节点或代理锚传感器节点；测距校正参数用于对锚传感器节点和待定位传感器节点间的距离值进行误差补偿；定位结束时间是指传感器网络定位工作结束的时间；

节点状态获取器，用于传感器节点获取锚传感器节点或代理锚传感器节点广播的状态消息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、接收信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值及定位结束时间；

锚节点集建立器，用于根据节点状态获取器中的节点广播状态信息建立锚节点集合，包括锚节点和后来升级的代理锚节点，并将建立的锚节点集发送给节点位置计算器；

测量距离计算器，用于提取锚传感器节点或代理锚传感器节点，对RSSI值进行变换，计算待定位传感器节点与锚传感器节点或代理锚传感器节点之间的测量距离，并将该距离值发送给节点位置计算器；所述测量距离计算器测量的距离包括：所有与本传感器节点相邻的锚传感器节点或代理锚传感器节点与本传感器节点之间的距离；

误差补偿信息集建立器，用于根据节点状态获取器中的测距校正参数及坐标误差补偿值建立误差补偿信息集，并将建立的误差补偿信息集发送给节点位置计算器；

节点位置计算器，用于根据测量距离计算器、锚节点集建立器和误差补偿信息集建立器的输出，计算待定位传感器节点自身坐标，并将求出的节点坐标发送给节点信任权值计算器；

节点信任权值计算器，用于根据节点位置计算器提供的节点坐标计算已定位传感器节点的信任权值；

其中，待定位传感器节点根据获取的锚邻居节点或代理锚邻居节点状态信息，计算锚邻居节点或代理锚邻居节点的信任权值；

如果待定位传感器节点的邻居节点类型为锚传感器节点，则将锚传感器节点的信任权值设为1；

如果待定位传感器节点的邻居节点类型为代理锚传感器节点，则代理锚传感器节点的信任权值通过如下公式计算：

式中，v_k表示代理锚传感器节点k的信任权值，(x_u，y_u，z_u)表示待定位传感器节点的估算坐标，(x_i，y_i，z_i)表示代理锚传感器节点k的代理锚邻居节点i的坐标，d_i表示代理锚传感器节点k到邻居节点i的测量距离；

已定位传感器节点计算自身信任权值，计算公式如下：

其中，v_l表示已定位传感器节点l的信任权值，(x_l，y_l，z_l)表示已定位传感器节点l的坐标，(x_w，y_w，z_w)表示已定位传感器节点l的锚邻居节点或代理锚邻居节点w的坐标，dw表示节点l到锚邻居节点或代理锚邻居节点w的测量距离；

参数设置器，用于用户自行设定已定位传感器节点转换为代理锚传感器节点的初始信任值以及定位结束时间；

比较器，用于对节点信任权值计算器输出的信任权值与参数设置器输出的初始信任值进行比较，若节点信任权值计算器输出的某传感器节点信任权值大于或等于初始信任值，则将该传感器节点标记为可能的锚传感器节点，若小于初始信任值，则将该传感器节点转入休眠状态；

节点转换器，用于将比较器中标记为可能的锚传感器节点升级为代理锚传感器节点，并将该传感器节点的类型设置为代理锚传感器节点。

2.一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法，采用权利要求1所述的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统实现，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：传感器节点判断自身节点类型，如果为锚传感器节点，则执行步骤2，否则执行步骤6；

步骤2：锚传感器节点设置定位结束时间，并设置测距校正参数与坐标误差补偿的初始值为0；

步骤3：锚传感器节点使用节点状态广播器向邻居传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值；

步骤4：锚传感器节点计算自身的测距校正参数与坐标误差补偿值；

步骤5：锚传感器节点或代理锚传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值，执行步骤12；

步骤6：待定位传感器节点获取锚邻居节点或代理锚邻居节点的广播信息，包括邻居节点的标号、类型、坐标值、接收信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值；如果是第一次接收到锚邻居节点的广播信息，就将其丢掉，重新获取锚邻居节点的广播信息，否则将该广播信息保存到锚节点集合中；

步骤7：待定位传感器节点通过接收锚节点或代理锚邻居节点的信号强度RSSI值，计算其与各锚邻居节点或代理锚邻居节点之间的距离；

步骤8：待定位传感器节点根据获取的锚邻居节点或代理锚邻居节点状态信息，计算锚邻居节点或代理锚邻居节点的信任权值；

如果待定位传感器节点的邻居节点类型为锚传感器节点，则将锚传感器节点的信任权值设为1；

如果待定位传感器节点的邻居节点类型为代理锚传感器节点，则代理锚传感器节点的信任权值通过如下公式计算：

式中，v_k表示代理锚传感器节点k的信任权值，(x_u，y_u，z_u)表示待定位传感器节点的估算坐标，(x_i，y_i，z_i)表示代理锚传感器节点k的代理锚邻居节点i的坐标，d_i表示代理锚传感器节点k到邻居节点i的测量距离；

步骤9：计算待定位传感器节点坐标，并将其传感器节点类型改为已定位传感器节点；

步骤10：已定位传感器节点计算自身信任权值，计算公式如下：

其中，v_l表示已定位传感器节点l的信任权值，(x_l，y_l，z_l)表示已定位传感器节点l的坐标，(x_w，y_w，z_w)表示已定位传感器节点l的锚邻居节点或代理锚邻居节点w的坐标，dw表示节点l到锚邻居节点或代理锚邻居节点w的测量距离；

步骤11：已定位传感器节点通过比较器判断自身信任权值是否大于或者等于初始信任权值，如果是，则该已定位传感器节点标记为可能的锚传感器节点，通过节点转换器将自身类型升级改为代理锚传感器节点，设置其测距校正参数与坐标误差补偿值为0，设置定位结束时间，然后执行步骤12，否则进入节点休眠状态，方法终止；

步骤12：锚传感器节点或代理锚传感器节点判断是否已到定位结束时间，如果是，则方法终止；否则返回执行步骤5。

3.根据权利要求2所述的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法，其特征在于：所述步骤4中锚传感器节点计算自身的测距校正参数与坐标误差补偿值的具体过程如下：

步骤4-1：锚传感器节点获取锚邻居节点的广播状态信息，并求出自身与各锚邻居节点的实际距离，实际距离计算公式如下：

式中，d_j表示锚传感器节点与第j个锚邻居节点的实际距离，(x，y，z)表示锚传感器节点的真实坐标，(x_j，y_j，z_j)表示锚传感器节点第j个锚邻居节点的真实坐标；

步骤4-2：锚传感器节点根据接收信号强度RSSI值，计算与各锚邻居节点的测量距离，计算公式如下：

式中，d_mj表示锚传感器节点与第j个锚邻居节点的测量距离，P_r表示接收信号的锚传感器节点的接收功率，P_jt表示发射信号的第j个锚邻居节点的发射天线功率，G_r表示接收信号的锚传感器节点的接收天线增益，G_jt表示发射信号的第j个锚邻居节点的发射天线增益，L表示系统损耗因子，λ表示信号传输波长；

步骤4-3：根据锚传感器节点与锚邻居节点的实际距离与测量距离，计算锚传感器节点本身的测距校正参数q，计算公式如下：

式中，n表示锚传感器节点可通信的所有锚邻居节点的个数；

步骤4-4：判断锚传感器节点的锚邻居节点个数n是否大于或者等于4，如果是，则执行步骤4-5，否则，返回步骤4-1，继续获取锚邻居节点广播状态信息；

步骤4-5：按下式计算锚传感器节点自身的估算坐标值(x_c，y_c，z_c)，锚传感器节点的估算坐标计算公式为：

式中，(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、…、(x_n，y_n，z_n)依次为n个锚邻居节点的坐标，d₁、d₂、…、d_n依次为锚传感器节点与n个锚邻居节点的距离；

步骤4-6：根据锚传感器节点的真实坐标与估算坐标，计算锚传感器节点本身的坐标误差补偿值e，计算公式为：

4.根据权利要求2所述的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法，其特征在于：所述步骤7中待定位传感器节点与各锚邻居节点或代理锚邻居节点之间距离的计算公式为：

式中，d_us表示待定位传感器节点与第s个锚邻居节点的测量距离，P_r’表示接收信号的待定位传感器节点的接收功率，P_st’表示发射信号的第s个锚邻居节点或代理锚邻居节点的发射天线功率，G_r’表示接收信号的待定位传感器节点的接收天线增益，G_st’表示发射信号的第s个锚邻居节点或代理锚邻居节点的发射天线增益，L表示系统损耗因子，λ表示信号传输波长。

5.根据权利要求2所述的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法，其特征在于：所述步骤9中计算待定位传感器节点坐标的具体过程如下：

步骤9-1：判断待定位传感器节点的锚邻居节点或代理锚邻居节点的数量是否大于或者等于4，如果是，则执行步骤9-2，否则返回执行步骤6；

步骤9-2：求出待定位传感器节点的估算坐标，估算坐标计算公式为：

QAX＝QB (8)

其中，Q＝diag(v₁，v₂，...，v_m)，

式中，(x_u，y_u，z_u)表示待定位传感器节点的估算坐标，m表示待定位传感器节点的可通信的锚邻居节点或代理锚邻居节点个数，v_p表示锚邻居节点或者代理锚邻居节点p的信任权值，p＝1、2、…、m；

步骤9-3：根据锚节点集合中的测距校正参数及坐标误差补偿值，确定待定位传感器节点的最终坐标，并将其传感器节点类型修改为已定位传感器节点；其中最终坐标计算公式为：

式中，

表示待定位传感器节点的最终坐标，(e_xp，e_yp，e_zp)表示锚邻居节点或者代理锚邻居节点p的误差补偿坐标值。

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