一種改進(jìn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)定位技術(shù)

摘要 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)自身定位至關(guān)重要，在軍事和民用領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的應用前景。文中針對傳統的網(wǎng)絡(luò )定位算法。提出的改進(jìn)算法實(shí)驗結果表明，算法能夠有效地對節點(diǎn)進(jìn)行定位、減少了誤差率。
關(guān)鍵詞 誤差率；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )；定位技術(shù)；三邊測距

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的定位技術(shù)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究熱點(diǎn)。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用領(lǐng)域，有時(shí)需要知道節點(diǎn)的坐標位置信息。位置信息對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測尤為重要。傳感器節點(diǎn)監測的信息要與其坐標信息對應，才算完成了一個(gè)監測對象的確認，所以確認事件發(fā)生的位置是傳感器網(wǎng)絡(luò )中最基本的功能之一。但受到節點(diǎn)價(jià)格、體積、功耗以及硬件性能等因素的限制，造成節點(diǎn)自身定位仍然是一個(gè)問(wèn)題。這
也成為制約無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的瓶頸。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)一般情況下是一個(gè)微型處理器。但由于節點(diǎn)體積小、價(jià)格高和電源供給有限等因素的影響，因此造成了節點(diǎn)自身的數據處理能力、通信能力和存儲能力都有限。這些節點(diǎn)只能在自身通信范圍內才能與其他節點(diǎn)進(jìn)行通信。
文中針對傳統的三邊測距定位法的不足，提出了一種改進(jìn)算法，即引入質(zhì)心法，建立基于三邊測距和質(zhì)心的三邊質(zhì)心網(wǎng)絡(luò )定位算法。實(shí)驗結果表明，提出的改進(jìn)算法能夠有效地對節點(diǎn)進(jìn)行定位，并且減少誤差率。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)定位技術(shù)
在傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)定位技術(shù)就是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通過(guò)某種方法在基于已知節點(diǎn)位置信息的情況下來(lái)計算和確定未知節點(diǎn)或目標節點(diǎn)的坐標位置的技術(shù)。在應用中，只有知道節點(diǎn)的位置信息才能實(shí)現對目標信息的監測，這就需要監測到該事件的多個(gè)傳感器節點(diǎn)之間的相互協(xié)作。只有正確的節點(diǎn)定位才是提供監測對象信息的前提。
在傳感器網(wǎng)絡(luò )應用場(chǎng)合中，節點(diǎn)的放置一般采取隨機放置的方法。由于數目較多，不可能每個(gè)節點(diǎn)都要定位確定位置信息。所以通常采用對其中5％～10％的節點(diǎn)使用定位系統，一般的方法是采用GPS定位設備來(lái)獲得自身的精確位置。目前研究的主要方向包括兩個(gè)方面：(1)利用錨節點(diǎn)基于定位算法確認其他節點(diǎn)的位置，這些錨節點(diǎn)事先借助外部設備已經(jīng)確定了自身位置。(2)事先設置好錨節點(diǎn)建立坐標系，其他節點(diǎn)隨機擺放，然后再利用定位算法來(lái)計算未知節點(diǎn)的坐標位置。
1．1 基于距離的定位算法
基于距離的定位算法，就是要先測量錨節點(diǎn)和未知節點(diǎn)之間的距離，然后利用幾何關(guān)系估算未知節點(diǎn)的坐標位置。解析幾何中有多種方法可以確定空間中點(diǎn)的位置。任何可以確定某一點(diǎn)位置的幾何學(xué)方法，只要有傳感器提供足夠的信息，均可成為定位方法。較為常用的方法是三邊定位(Trilateration)和角度定位(AOA)。為提高定位精度，通常使用最小二乘法利用多邊進(jìn)行定位(Mulilateration)。使用角度定位需要測量接收信號夾角(AOA)，測量出夾角后，可使用不同的幾何條件來(lái)求節點(diǎn)的位置。
1．2 三邊定位法
在使用基于距離的定位技術(shù)時(shí)，需要多個(gè)錨節點(diǎn)的協(xié)作才能確定未知節點(diǎn)位置。用測量的一組數值建立數學(xué)方程，那么數學(xué)方程的個(gè)數會(huì )大于變量的個(gè)數，此時(shí)可使用極大似然法來(lái)獲取最小均方差意義上的估計值。
在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中，通常使用的坐標系是二維的，因此只要知道未知節點(diǎn)與3個(gè)錨節點(diǎn)的距離可以計算出未知節點(diǎn)的位置。

假設3個(gè)錨節點(diǎn)坐標分別為(X1，Y1)、(X2，Y2)、(X3，Y3)，未知節點(diǎn)的坐標(Xu，Yu)，未知節點(diǎn)距離3個(gè)錨節點(diǎn)的距離分別是R1、R2和R3，如圖1所示，則根據二維坐標系距離公式可以得到如下方程組

綜上所述，只要知道未知節點(diǎn)到3個(gè)錨節點(diǎn)的距離，就可定位未知節點(diǎn)，實(shí)際應用中可能得到未知節點(diǎn)到多個(gè)錨節點(diǎn)的距離，這便可以每次選取不同的3個(gè)點(diǎn)計算，最后對多次計算結果取平均值進(jìn)而提高定位精度。
1．3 改進(jìn)的三邊測距定位算法
三邊質(zhì)心定位法將質(zhì)心定位算法思想引入到三邊測距算法中，通過(guò)計算相交圓的交點(diǎn)及由交點(diǎn)組成區域的質(zhì)心來(lái)估計未知節點(diǎn)，使估算出的未知節點(diǎn)坐標準確度提高。設未知節點(diǎn)D的坐標(xd，yd)，A、B、C 3個(gè)信標節點(diǎn)的坐標分別為(xa，ya)，(xb，yb)，(xc，yc)，到D的距離分別為dad，dbd，dcd。則可得如下方程組

式（1）減式（3）；式（2）減式（3）后聯(lián)立方程

可解得D點(diǎn)的坐標(xd，yd)。