一種基于正交投影檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的三維定位器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于正交投影檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的三維定位器。利用正交投影方法，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)三維節(jié)點(diǎn)定位的翻轉(zhuǎn)模糊檢測等價(jià)為在三維空間中尋找一條直線的問題，要求該直線滿足任意兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的測距誤差球在它上面的正交投影線段有重疊部分；將尋找這一直線的問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)角度計(jì)算問題，并利用坐標(biāo)變換的方式求解，簡化了計(jì)算過程。本發(fā)明采用多邊定位方法進(jìn)行三維節(jié)點(diǎn)的定位，定位中加入計(jì)算復(fù)雜度較低的基于正交投影的節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊檢測措施，不僅具有較好的檢測效果和較低的計(jì)算復(fù)雜度，而且提高了節(jié)點(diǎn)定位精度。
【專利說明】一種基于正交投影檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的三維 定位器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks,WSN)節(jié)點(diǎn)定位是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之 一。WSN的節(jié)點(diǎn)定位方法通?？梢詣澐譃榛跍y距和基于非測距的兩種方法。其中基于測 距的方法，由于定位精度高在節(jié)點(diǎn)定位中被廣泛采用。不過該方法存在從已知的數(shù)據(jù)所估 計(jì)位置信息的非唯一性問題，也就是在定位中將出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)模糊問題。而且，基于測距 的定位方法在實(shí)際定位中，如果發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，就可能產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)定位的雪崩效應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位失效。因此，有必要采取一定的措施去檢測節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊是否會(huì)發(fā)生，從而 減小其對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)定位過程的影響。
[0003] 目前，針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中翻轉(zhuǎn)模糊檢測的研究都是集中在二維空間。 在二維空間中主要采用魯棒四邊形的方法來檢測節(jié)點(diǎn)定位的翻轉(zhuǎn)模糊問題。該類方法通過 判斷未知節(jié)點(diǎn)和三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)四邊形是否滿足一定的幾何條件，來確定未知節(jié) 點(diǎn)的定位不發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊的魯棒性。大多數(shù)魯棒四邊形方法只適用于采用三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的 三邊定位。相對于三邊定位方法，在二維空間中，使用多于三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的多邊定位方法更 能得到較小的平均定位誤差，因此在基于測距的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位中，大多采用多 邊定位方法。目前針對二維空間多邊定位中節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊問題的研究還是非常少，雖然有 些魯棒四邊形方法也能用于多邊定位，但是其計(jì)算復(fù)雜度大，而且判斷效果較差。而將翻轉(zhuǎn) 模糊問題等價(jià)為判斷是否存在一條直線和若干圓（以參考節(jié)點(diǎn)為圓心，以參考節(jié)點(diǎn)到未 知節(jié)點(diǎn)的測距誤差絕對值的最大值為半徑）都相交（ExistenceofIntersectingLine, EIL)問題，是目前在二維空間中判斷效果較好的一種用于多邊定位中節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的檢測 方法。
[0004] 在我們之前，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三維定位的翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法的研究還屬空 白。我們首次提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三維定位的翻轉(zhuǎn)模糊檢測問題可以等價(jià)為判斷在三 維空間中是否存在一個(gè)平面和若干球（以參考節(jié)點(diǎn)為球心，以參考節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的測距 誤差絕對值的最大值為半徑）都相交（ExistenceofIntersectingPlane，EIP)問題。為 了求解EIP問題，我們曾經(jīng)提出了一種基于公切面的翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法，但是該方法的計(jì) 算復(fù)雜度太高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對當(dāng)前基于公切面的方法求解EIP問題計(jì)算復(fù)雜度太高的缺陷，本發(fā)明提供了 一種基于正交投影檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的三維定位器。此定位器中在三維定位 過程中加入了檢測節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的措施，并利用正交投影的方法，將EIP問題等價(jià)為在三 維空間中尋找一條直線，使其滿足任意兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的測距誤差球在它上面的投影線段有 重疊。該方法能夠降低檢測節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的計(jì)算復(fù)雜度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 的：
[0006] 將尋找滿足上述條件的直線問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)角度計(jì)算問題，并利用坐標(biāo)變換的方 式求解。將翻轉(zhuǎn)模糊檢測加入到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)三維定位過程中，最后用多邊定位方 法對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維定位。
[0007] 具體實(shí)現(xiàn)過程如下：
[0008] 1.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)三維定位中的翻轉(zhuǎn)模糊問題描述
[0009] 節(jié)點(diǎn)三維定位的翻轉(zhuǎn)模糊問題的發(fā)生指的是當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)間的位置幾乎共面時(shí)，由 于測距誤差的存在，導(dǎo)致未知節(jié)點(diǎn)的定位存在兩個(gè)關(guān)于某一個(gè)平面成鏡像關(guān)系的估計(jì)位 置。圖2是節(jié)點(diǎn)三維定位的翻轉(zhuǎn)模糊示意圖，圖中節(jié)點(diǎn)A、B、C和D是四個(gè)位置已知的參考

【權(quán)利要求】
1. 一種基于正交投影的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)模糊的三維定位器，其特征在于：提出 了一種基于正交投影的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三維定位翻轉(zhuǎn)模糊檢測方法，該方法將節(jié)點(diǎn)三維 定位中的翻轉(zhuǎn)模糊檢測等價(jià)為在三維空間中尋找一條直線問題，要求該直線滿足任意兩個(gè) 參考節(jié)點(diǎn)的測距誤差球在它上面的投影線段有重疊； 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位器，其特征在于：將節(jié)點(diǎn)三維定位翻 轉(zhuǎn)模糊檢測中尋找滿足條件的直線問題等價(jià)為尋找直線的方向向量問題，并將其轉(zhuǎn)化為一 個(gè)角度計(jì)算問題，然后利用坐標(biāo)變換的方式簡化了求解過程； 根據(jù)權(quán)利要求1及2所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位器，其特征在于：具體步驟如下： 步驟1 :在三維空間中尋找可定位的未知節(jié)點(diǎn)； 步驟2 :通過無線信道模型估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離； 步驟3 :設(shè)定各參考節(jié)點(diǎn)的測距誤差球的半徑； 步驟4 :用基于正交投影方法檢測未知節(jié)點(diǎn)的三維定位是否會(huì)發(fā)翻轉(zhuǎn)模糊； 假設(shè)需要尋找的直線經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)，該直線在坐標(biāo)平面^F和上的正交投影線Λ 和；與4由正方向的夾角分別為和A (〇彡〇，見）。
2. 首先用坐標(biāo)變換的方法，使新坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸與所尋找的直線重合，并計(jì)算出各 參考節(jié)點(diǎn)在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，得到如下的一個(gè)不等式組：
上式中，（I，JV 4)和（4, Λ，4)分別是第仿個(gè)和第個(gè)參考節(jié)點(diǎn)在原始坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)，rjP ^分別表示第?t和第個(gè)球的半徑，々為參考節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)； 對該不等式組用粒子群方法求解，若其有解，則說明有滿足條件的〃和，值，節(jié)點(diǎn)的 三維定位可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，進(jìn)入步驟5;否則，節(jié)點(diǎn)的三維定位不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊，進(jìn)入 步驟6 ; 步驟5 :未知節(jié)點(diǎn)的三維定位可能會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)模糊,不對其定位； 步驟6 :用多邊定位方法對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維定位，求出其估計(jì)位置。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK104519572SQ201410850627
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】董恩清, 劉偉, 宋洋 申請人:威海藍(lán)海通信技術(shù)有限公司