[发明专利]一种有效的无线传感器网络节点的三维定位器

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络节点的自身定位技术领域，具体讲是涉及一种有效的无线传感器网络节点的三维定位器。

背景技术

近年来，随着传感器技术、无线通信技术以及集成电路技术的发展，无线传感器网络成为当前的研究热点之一，并且广泛应用于军事安全、环境监测、地质勘探和工业控制等诸多领域。

在无线传感器网络中，传感器节点的位置信息非常关键，它是采集到的数据的重要组成部分。只有确定了节点的位置，其采集到的数据才具有应用价值。此外，节点的位置信息还是目标实时跟踪、辅助路由、预测目标轨迹等无线传感器网络其他应用的重要基础。通常情况下，无线传感器网络拥有大量的传感器节点，通过加装GPS接收机或者人工部署的方式对每个传感器节点进行定位非常困难。因此，非常有必要研究传感器节点的自身定位方法。

针对各种应用需求，研究人员提出了多种无线传感器网络的节点定位方法。主要包括免于测距(range-free)的定位方法和基于测距(range-based)的定位方法。

免于测距的定位方法是利用节点之间的连通性信息来估计未知节点的坐标。该类方法不需要测量节点之间的距离，对硬件没有特殊的要求，一度成为人们研究的热点。但其定位精度不高，只能提供粗略的位置信息。而且对网络的密度和结构要求较高，节点间通信量也比较大。因此，应用受到了很大的限制。

基于测距的定位方法可以获得较高的定位精度，但其发展受限于节点硬件和时间同步等问题。现在，随着科技的进步，尤其是微机电技术和超宽带技术(Ultra Wide Band，UWB)的广泛应用，使这类定位方法重新获得了人们的重视。该类方法主要分为两个步骤：第一步是测距，节点通过信号的到达时间(Time Of Arrival，TOA)、到达时间差(Time Difference Of Arrival，TDOA)、到达角度(Angle Of Arrival，AOA)或者接收信号的强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)等信息来测量未知节点与信标节点的距离；第二步是位置估计，根据得到的距离信息，利用多边测量定位法直接求解，或者将定位问题转化为优化问题，利用各种优化方法进行求解，以提高定位精度。

常用的优化方法应用于无线传感器网络定位主要有：最小二乘定位法，该方法较为简单，但需要逆矩阵计算，不仅运算量较大，而且定位精度也有非常限；最小残差技术，通过循环取优进行定位估计，虽然提高了定位精度，但同时增加了计算量；基于半正定规划的凸优化方法估计节点位置，但计算复杂度较高。

针对不同的问题和应用，研究人员提出了多种无线传感器网络定位方法。但这些定位方法大多数是针对二维环境设计的，而在实际应用中，传感器节点往往分布在三维空间中，如海洋、山地、森林等，这就需要用无线传感器网络三维定位方法来对节点进行三维定位。在三维环境中，由于未知的位置信息增多、测距误差增大等因素，所以若直接将二维定位方法推广成三维定位方法，容易引起累积误差增大、定位精度降低等问题。迄今为止，针对无线传感器网络节点三维定位的问题，在国际上还没有一种公认的好的解决方法。

发明内容

针对现有的无线传感器网络三维定位技术的缺陷，本发明提供了一种有效的无线传感器网络节点的三维定位器，它基于BFGS优化，将BFGS优化方法应用于无线传感器网络三维定位，提高了定位精度，并且避免了经典的最小二乘方法中复杂的矩阵运算。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据得到的测距方程，将无线传感器网络节点的定位问题转化为无约束极值问题，利用求解无约束极值问题的经典方法BFGS优化方法寻求使测距误差最小的未知节点。

因为基于测距的定位方法测得的未知节点与信标节点之间的距离测量值容易受到环境的影响，如非视距、多径等，所以距离测量值通常比真实值偏大，即当距离测量值越小时，其受到干扰的概率越小。因此，考虑采用距离测量值的倒数作为权值，通过权值来体现其所代表的信标节点的可信度。当距离测量值越小，其倒数越大，其代表的信标节点的可信度越大，该信标节点对未知节点的决定权越大。

据此原理，以未知节点与信标节点之间的距离测量值的倒数作为权值，定义了一个新的无线传感器网络三维定位的目标函数。

基于BFGS优化的无线传感器网络三维定位器通过引入求解无约束极值问题的经典方法BFGS优化方法来估计未知节点的位置，在保证定位精度的前提下，避免了最小二乘方法中复杂的矩阵运算。

具体实现过程如下：

1、定位模型