[发明专利]一种基于正交投影检测无线传感网络节点翻转模糊的三维定位器

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络的节点定位领域。

背景技术

无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)节点定位是当前的研究热点之一。WSN的节点定位方法通常可以划分为基于测距和基于非测距的两种方法。其中基于测距的方法，由于定位精度高在节点定位中被广泛采用。不过该方法存在从已知的数据所估计位置信息的非唯一性问题，也就是在定位中将出现节点的翻转模糊问题。而且，基于测距的定位方法在实际定位中，如果发生翻转模糊，就可能产生节点定位的雪崩效应，导致整个网络节点的定位失效。因此，有必要采取一定的措施去检测节点翻转模糊是否会发生，从而减小其对整个网络定位过程的影响。

目前，针对无线传感网络节点定位中翻转模糊检测的研究都是集中在二维空间。在二维空间中主要采用鲁棒四边形的方法来检测节点定位的翻转模糊问题。该类方法通过判断未知节点和三个参考节点组成的一个四边形是否满足一定的几何条件，来确定未知节点的定位不发生翻转模糊的鲁棒性。大多数鲁棒四边形方法只适用于采用三个参考节点的三边定位。相对于三边定位方法，在二维空间中，使用多于三个参考节点的多边定位方法更能得到较小的平均定位误差，因此在基于测距的无线传感网络的节点定位中，大多采用多边定位方法。目前针对二维空间多边定位中节点翻转模糊问题的研究还是非常少，虽然有些鲁棒四边形方法也能用于多边定位，但是其计算复杂度大，而且判断效果较差。而将翻转模糊问题等价为判断是否存在一条直线和若干圆(以参考节点为圆心， 以参考节点到未知节点的测距误差绝对值的最大值为半径)都相交(Existence of Intersecting Line，EIL)问题，是目前在二维空间中判断效果较好的一种用于多边定位中节点翻转模糊的检测方法。

在我们之前，对无线传感网络节点三维定位的翻转模糊检测方法的研究还属空白。我们首次提出了无线传感网络节点三维定位的翻转模糊检测问题可以等价为判断在三维空间中是否存在一个平面和若干球(以参考节点为球心，以参考节点到未知节点的测距误差绝对值的最大值为半径)都相交(Existence of Intersecting Plane，EIP)问题。为了求解EIP问题，我们曾经提出了一种基于公切面的翻转模糊检测方法，但是该方法的计算复杂度太高。

发明内容

针对当前基于公切面的方法求解EIP问题计算复杂度太高的缺陷，本发明提供了一种基于正交投影检测无线传感网络节点翻转模糊的三维定位器。此定位器中在三维定位过程中加入了检测节点翻转模糊的措施，并利用正交投影的方法，将EIP问题等价为在三维空间中寻找一条直线，使其满足任意两个参考节点的测距误差球在它上面的投影线段有重叠。该方法能够降低检测节点翻转模糊的计算复杂度。本发明是通过以下技术方案实现的：

将寻找满足上述条件的直线问题转化为一个角度计算问题，并利用坐标变换的方式求解。将翻转模糊检测加入到无线传感网络的节点三维定位过程中，最后用多边定位方法对未知节点进行三维定位。

具体实现过程如下：

1.无线传感网络的节点三维定位中的翻转模糊问题描述

节点三维定位的翻转模糊问题的发生指的是当参考节点间的位置几乎共面时，由于测距误差的存在，导致未知节点的定位存在两个关于某一个平面成镜 像关系的估计位置。图2是节点三维定位的翻转模糊示意图，图中节点A、B、C和D是四个位置已知的参考节点，其中A、B和C三点确定了一个平面m， 和分别是它们到未知节点的测量距离。根据上述A、B、C三点和三个测距，我们可以求得未知节点可能所在的两个位置E和E'，它们是以A、B和C为球心，分别以和为半径的三个球的交点，且E和E'关于平面m成镜像关系。O是直线EE'与平面m的交点。假设未知节点的正确位置为E，D到E和E'两点的距离分别为d_de和d′_de。D点到未知节点的测量距离用来选择未知节点的估计位置，其选择的标准是更接近d_de(选择E)还是更接近d′_de(选择E′)。当A、B、C、D四点几乎共面时，d_de和d′_de相差不大。由于测距误差的存在，就有可能错误地选择E′作为未知节点E的估计位置。如果做出错误的选择，且让这种错误定位的未知节点参与其它未知节点的定位，可能导致整个网络节点的定位失效。

2.EIP问题