[发明专利]一种对无线传感器网络进行三维快速定位的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中自身定位技术领域，尤其涉及的是一种采用移动锚点方式，实现无线传感器网络的节点分布式、不基于测距的三维定位快速定位的系统和方法。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中需感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，主要是通过携带能量有限的电池供电。在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动非常重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测信息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义。因此，确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。

定位信息除用来报告事件发生的地点外，还具有下列用途：目标跟踪，实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹；协助路由，如直接利用节点位置信息进行数据传递的地理路由协议，避免信息在整个网络中的扩散，并可以实现定向的信息查询；进行网络管理，利用传感器节点传回的位置信息构建网络拓扑图，并实时统计网络覆盖情况，对节点密度低的区域及时采取必要的措施，等等。因此，在传感器网络中，传感器节点的精确定位对各种应用有着重要的作用。

通常一种优良的定位方案具有以下特征：(1)锚节点数目尽可能少，配置网络容易；(2)网络通信量最小化，节点所用功耗少；(3)计算方案简单，硬件成本低；(4)鲁棒性(robustness，即健壮性)强，适应各种地理环境；(5)定位精度高。

传统的无线传感器网络节点定位方法常常是一种利用固定锚节点的基于距离的定位方法。固定锚节点就是知道自身地理坐标位置的传感器节点，它们经常被事先安置在某个确定的位置，或者自身配置GPS接收装置通过飞机随意撒在目标区域。前者要求在某些场合并不能得到满足，比如条件恶劣的沙漠、地势险要的地区；后者虽然能够避免自然环境的限制，但是由于GPS接收装置价格昂贵、能耗高且不易回收，所以为少数节点配置这样的装置大大地增加了使用成本。

在基于测距的定位中，测量节点间的距离或方位时采用的方法有基于到达时间(TOA)，到达时间差(TDOA)，接收信号强度(RSSI)和到达角度(AOA)等。TOA、TDOA和AOA方法都需要在节点上安置额外的装置才能获得节点之间的距离或者方位。这种要求一方面增加了整个定位机制的费用，另外对节点硬件提出了比较高的要求。尽管RSSI技术不需要增加任何硬件设施，但是RSSI技术容易受到噪声和障碍物的干扰，用来测量节点之间的距离往往非常的不正确，从而导致定位精度的下降。

为了避免配置固定锚节点的不足，现有技术还引入了无锚点定位方案。但是，该方案由于需要在节点间频繁的进行信息交换与协调，大大地增加了系统通信开销。同时，由于在整个网络中没有绝对的参考点，当网络中临时的参考点移动或者失效时，整个网络就必须重新定位，增大了定位机制的额外开销。这种方案属于集中式方法。

具体地说，集中式方法是指把所需信息传送到某个中心节点，例如，一台服务器，并在那里进行节点定位计算的方式。该方法的特征在于从全网角度统筹规划，计算量和存储量几乎没有限制，则可以获得相对精确的位置估算。但是，该集中式方法的主要缺点是：与中心节点位置较近的节点会因为通信开销大，而过早地消耗完电能，导致整个网络与中心节点信息交流的中断，造成无法实时定位。

并且，传统的无线传感器网络节点定位都是基于平面，不能适用于任意地理环境，比如山丘。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对无线传感器网络进行三维快速定位的方法，采用分布式、不基于测距的方法，无需在传感器节点上使用GPS接收装置或者安置其它额外装置，就可以实现对无线传感器网络进行三维快速定位。

本发明的技术方案如下：