[发明专利]一种三维传感器网络节点定位方法及系统

权利要求书

1.一种三维传感器网络节点定位方法，其特征在于，包括：

获取未知节点的一跳锚节点的位置和二跳锚节点的位置；所述一跳锚节点为与所述未知节点具有直接通讯关系的锚节点，所述二跳锚节点为需借助一个中间节点来实现与所述未知节点进行通讯的锚节点；

根据所述一跳锚节点与所述未知节点间的位置关系、所述二跳锚节点与所述未知节点间的位置关系以及所述未知节点与一跳锚节点的RSSI值的范围初步确定所述未知节点的预测区域，具体包括：

利用公式

初步确定所述未知节点的预测区域；其中U_i表示未知节点，A_onehop为一跳锚节点集合，表示未知节点U_i与一跳锚节点集合A_onehop中任一锚节点间的距离，R为锚节点的通讯半径；A__twohop为二跳锚节点集合，表示未知节点U_i与二跳锚节点集合A__twohop中任一锚节点间的距离，MaxNoise为通讯过程中的最大噪声，是由未知节点U_i的估计位置与一跳锚节点集合A_onehop中的任一锚节点计算出的估计RSSI值，是由未知节点U_i的实际位置与一跳锚节点集合A_onehop中的任一锚节点的实测RSSI值；

在所述预测区域内，根据所述未知节点与多个锚节点之间的RSSI值的大小关系确定所述未知节点的初始位置，具体包括：

当所述未知节点与通讯范围内的任意锚节点的RSSI值满足公式时，则利用以下公式确定所述未知节点的初始位置：

其中，A_j与A_k为通讯范围内的锚节点，A_k∈A_onehop，A_j∈A_onehop，为未知节点U_i与锚节点A_j的RSSI值，为未知节点U_i与锚节点A_k的RSSI值；x_Ini＝[x_1Ini,x_2Ini,x_3Ini]^T表示未知节点U_i的初始位置坐标，μ_j＝[μ_1j,μ_2j,μ_3j]^T表示一跳锚节点集合A_onehop中的锚节点A_j的坐标；p为一跳锚节点集合A_onehop中的节点个数；

当所述未知节点的一跳锚节点集合中，存在两个锚节点满足公式且一跳锚节点集合中节点个数p＝2，则利用以下公式确定所述未知节点的初始位置：

其中A₁,A₂为当j＝1,k＝2时的锚节点，表示锚节点A₁,A₂间的距离，u₁＝[μ₁₁,μ₂₁,μ₃₁]^T为锚节点A₁的坐标，μ₂＝[μ₁₂,μ₂₂,μ₃₂]^T为锚节点A₂的坐标；

当所述未知节点的一跳锚节点集合中，存在两个锚节点满足公式且存在三个锚节点满足公式时，则利用以下公式确定所述未知节点的初始位置：

当所述未知节点的一跳锚节点集合中，存在两个锚节点满足公式且一跳锚节点集合中节点个数p≥3，且不存在三个锚节点满足公式时，则从一跳锚节点集合中任意挑选三个锚节点并按照RSSI值的大小排序，依次标记为第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点，若所述第一锚节点与第二锚节点满足公式则连接第三锚节点的位置与三个锚节点通讯范围相交区域的质心的连线并延长至所述第三锚节点通讯范围的边缘，得到延长段，确定所述延长段的中点为所述未知节点的初始位置；若所述第一锚节点与第二锚节点不满足公式则确定第一锚节点、第二锚节点和第三锚节点的质心为所述未知节点的初始位置；

获取预设的迭代次数，在每次更新未知节点的位置后，以一跳锚节点与所述未知节点间的位置关系以及所述未知节点与一跳锚节点的RSSI值的范围判断未知节点位置是否符合条件，然后获取上一次迭代所得到的置信度，结合变分消息传递算法，并利用上一次迭代所得到的置信度计算本次迭代的置信度，具体包括：

引入判断因子和惩罚函数，利用以下公式计算变分消息传递算法的消息：

其中，x_i为待求未知节点的坐标，x_a为锚节点坐标，x_l为一跳范围内其他未知节点的坐标，分别为锚节点因子f_ia、待求未知节点因子f_il到变量x_i的消息，b(x_a),b(x_l)分别为锚节点、待求未知节点在上一次迭代过程中得到的置信度，θ(J_a)和θ(J_l)分别为锚节点、待求未知节点的判断因子，θ(J)的判断条件为验证更新后的节点位置是否满足约束公式和公式若计算结果满足约束条件，则θ(J)＝1，否则θ(J)＝0；p(d_ia|x_i,x_a)为锚节点到待求未知节点距离的概率密度函数，p(d_il|x_i,x_l)为其他未知节点到待求未知节点距离的概率密度函数，均为惩罚函数，P(x_i)＝exp(δv_i(x))，v_i(x)为整个无线传感器网络中满足约束公式和公式的节点数目变化的情况，若消息更新之后，满足约束条件的节点不变或增多，则v_i(x)＝1，若数目减少，则v_i(x)＝p_bef/q_aft，p_bef表示更新后满足约束条件的节点个数，q_aft表示更新前满足约束条件的节点个数；δ是浮点常数，表示节点满足约束条件对节点位置的影响；

将来自未知节点和锚节点的消息进行综合，得到多个节点的协作消息用于表示未知节点的置信度

其中，H为置信常数，A_i为锚节点，U_i为未知节点，a为一跳范围内锚节点a，l为一跳范围内除待求未知节点以外的其他未知节点；

对所述置信度进行简化，得到未知节点的简化置信度；

对所述简化置信度的参数进行二阶泰勒展开，并将所述简化置信度进行线性化，得到本次迭代的置信度；

利用所述置信度更新未知节点的位置参数，并利用所述位置参数更新所述未知节点的位置，直到迭代次数达到所述预设的迭代次数，停止迭代，确定所述未知节点的最终位置。