一种无需测距节点定位算法的分析和改进
合集下载
基于RSSI测距定位算法的研究和改进
图1 应用不同环境参数的定位误差示意图
图2 子区域分割示意图
收稿日期:2017-08-18 作者简介:何沃林(1974 —),男,广东东莞人,硕士,高级工程师,研究方向:电子技术应用开发。
134
数字技术 与应用
算法分析
割的示意图。 在具体运用时,需结合室内整体布局,对子区域的分割方案予
以合理设计,尽量减少由障碍物导致的影响。在通信距离方面只需 保持在临界距离以内,不需要对子区域进行完全相等的划分。在分 割区域以后,在拟合环境参数时,以各子区域作为操作环境,最终获 得的环境参数和子区域相符。
测量时,要将参考节点设定为圆心,在半径为1米的圆周之上,有多
个参考节点平均分布,随后对圆周之上全部参考节点的RSSI值进行
测量,并进行平均值求取,具体参见如下公式(1)。
A
1
N
(RSSI )
N i1
(1)
n为传播损耗系数,环境因素的影响很大,属于一种需重点修正
的参数。由于参考节点位置坐标已知,通过和附近的参考节点测距
由此可认识到,定位精确度很大程度上会因为微小的环境参数 变化而受到影响。从室内环境来看,障碍物会把室内空间分隔成多 个相对独立的子区域,使用单一的环境参数无法适用于整体区域。
1.3 信号干扰 (1)突发干扰。测量RSSI值时,不论是环境的突然改变、还是人 员走动等,均会对此产生突发干扰。因为突发干扰的存在,对RSSI值 产生了显著影响,且比障碍物存在于信道时的影响程度明显更高。 (2)随机干扰。信号在传播过程中受到信号反射、衍射以及测量 节点内部噪声和量化噪声等因素的影响,使得节点测量获得的RSSI 数值产生随机误差[2]。在RSSI测量进程中,随机干扰持续存在,使测 量值不断波动,而且因为无规则变化,使得其数值的正负、大小等无 法被预测[2]。 (3)噪声干扰。RSSI值测量的整体进程均会受到噪声影响,使得 最终获得的是噪声和测量值混合后的数据[3]。对比随机干扰导致的 RSSI数值波动,噪声干扰之下的数值波动显然更强,而导致较大脉 冲的出现,数据变化更无规律可循[3]。
DV-HOP定位算法
剩余的都为未知节点，对节 点A定位
DV-HOP算法的3个阶段
(xi , yi ), (x j , y j ) ：为锚节点i与锚节点j的坐标
dij ：为锚节点i与锚节点j之间的实际距离
h j ：为锚节点i到锚节点j之间的跳数
Hs
D i
Hs
N i
：以锚节点i为基准，计算出的平均每跳距离
M ：锚节点总个数
性能指标
(1)定位精度 一般用误差值与节点无线通信半径的比值
来表示传感器节点的定位精度。定位精度只要 不大于 40％，就能够满足绝大多数应用的要求。
定义平均定位误差eerror为所有未知节点的估计值与实 际值的差值的平均值：
定义归一化平均定位误差为平均定位误差error与通信 半径R的比值：
性能指标
i j
点偏离因子的平均值，该平均值充分利用了各个锚节点的跳 数信息，更能反映节点在整个网络的特性。由于未知节点p 距离锚节点i最近，所以它与锚节点i的网络特性更接近，因 此用锚节点i的平均偏离因子近似代替未知节点p与锚节点i之 间的跳数偏离因子，造成的跳数误差更小。
DV-HOP算法的改进1-跳数修正
引言
当前对节点定位问题的研究一般都基于以下前提: (1) 网络中有一定比例的节点位置己知或具有GPS定 位功能，这些位置已知的节点可作为定位参考点。 因为GPS模块价格昂贵、能量消耗大，而且受工作环 境的限制，所以网络中少数节点通过GPS定位。 (2)节点具有与邻近节点通信的能力。 (3)节点不具有自主移动能力。
需要测量相邻节点间的 绝对距离或方位，并利 用节点间的实际距离来 计算未知节点的位置。
无需测距的定位
无需这些测量信息，而 是根据网络连通性等信 息，利用节点间的估计 距离计算节点位置。
DV-HOP算法的3个阶段
(xi , yi ), (x j , y j ) ：为锚节点i与锚节点j的坐标
dij ：为锚节点i与锚节点j之间的实际距离
h j ：为锚节点i到锚节点j之间的跳数
Hs
D i
Hs
N i
：以锚节点i为基准，计算出的平均每跳距离
M ：锚节点总个数
性能指标
(1)定位精度 一般用误差值与节点无线通信半径的比值
来表示传感器节点的定位精度。定位精度只要 不大于 40％，就能够满足绝大多数应用的要求。
定义平均定位误差eerror为所有未知节点的估计值与实 际值的差值的平均值：
定义归一化平均定位误差为平均定位误差error与通信 半径R的比值：
性能指标
i j
点偏离因子的平均值，该平均值充分利用了各个锚节点的跳 数信息，更能反映节点在整个网络的特性。由于未知节点p 距离锚节点i最近，所以它与锚节点i的网络特性更接近，因 此用锚节点i的平均偏离因子近似代替未知节点p与锚节点i之 间的跳数偏离因子，造成的跳数误差更小。
DV-HOP算法的改进1-跳数修正
引言
当前对节点定位问题的研究一般都基于以下前提: (1) 网络中有一定比例的节点位置己知或具有GPS定 位功能，这些位置已知的节点可作为定位参考点。 因为GPS模块价格昂贵、能量消耗大，而且受工作环 境的限制，所以网络中少数节点通过GPS定位。 (2)节点具有与邻近节点通信的能力。 (3)节点不具有自主移动能力。
需要测量相邻节点间的 绝对距离或方位，并利 用节点间的实际距离来 计算未知节点的位置。
无需测距的定位
无需这些测量信息，而 是根据网络连通性等信 息，利用节点间的估计 距离计算节点位置。
一种非测距节点定位算法
Ｋｅ ｏ ｄ ：ｗｒｌ ｓｓｎｏ ｅ ｏｋ（ Ｎ ） ｎｄ ｃｌ ａｏ ； Ｖ Ｈ ｐ ｖｒ ａ ａｃ ｏ ｎｄ ｙｗ ｒｓ ｉ ｅ ｅｓｒ ｔ ｒｓ ＷＳ ｓ ； ｏｅｌ ａｉ ｔ ｎ Ｄ — ｏ ； ｉｕｌ ｎｈ ｒ ｏｅ ｅｓ ｎｗ ｏ ｚｉ ｔ
０ 引 言
的定位精度 且 良好的覆 盖范 围， 简单 介绍 一种行之有 效 的 Ｄ —ｏ Ｖ Ｈ ｐ改进算法 ， 在此基础 上 ， 引入虚 拟锚节 点对该 算法
被 部署 在监测区域用来进 行感 知 ， 计算 和无线通 信 。在 ＷＳ ｓ中， 点 自身 位 置 信 息 至 关 重 要 。 近 年 来 ， 于 Ｎ 节 关 ＷＳ ｓ的定位算法越来越 多的被 提 出来 。现有 的定位算 法 Ｎ
按 是 否 需 要 测 距 可分 为 基 于 测 距 的和 基 于非 测 距 的算 法 两
中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ３ Ｐ ９ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ －７ ７ ２ １ ）５ １３ ０ ００ ９８ （０ １ Ｏ－ ３ －３ ０
Ａ ａ ｅ ｆ ｅ ｄ ｓ ｌ ｃ ｌｚ ｔｏ ｌ ｏ ｉｈ ｒ ｎｇ —ｒ ｅ ｎｏ ｅ ｏ ａ ｉａ ｉ ｎ ａ ｇ ｒｔ ｍ
２１ ０ １年 第 ３ Ｏ卷 第 ５期
传感器与微系统 （ ｒｎｄ ｃｒａｄＭ ｃｏｙｔｍ Ｔ ｃｎｌｇ ｓ Ｔａｓｕ ｅ ｎ ｉｒｓｓ ｅｈ ｏ ｉ ） ｅ ｏｅ
１３ ３
一
种 非 测 距 节 点 定 位 算 法
江 禹生 ， 冯砚 毫
（ 庆大 学 通 信 工 程 学 院 ， 庆 ４ ０４ ） 重 重 ００ ４
进 行 进 一 步 的 改 进 与 完 善 而 得 出 一 种 实 用 性 能 良好 的 Ｄ — Ｖ Ｈ ｐ定 位 算 法 。 ｏ １由一组廉 价传感 器节 点通 ＷＳ ｓ 是
一种无线传感器网络无测距分布式定位算法
（ｃ ｏ ｌ ｆ ｅｅｏ Ｓ ｈ ｏ ｌ ｍｍｕ ｉａｉｎＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｂ ｉｎ ｉｅｓｙｏ ｏｔａ ｄＴ ｌ ｏ ｏＴ ｃ ｎｃｔ ｎ ｉｅｒｎ ， ｅ ｉｇ ｖｒｉ ｆ ｓ ｅｅ ｍｍｕ ｉａ ｏ ｓＢｅｊ ｇ１０ ７ ） ｏ ｊ Ｕｎ ｔ Ｐ ｓｎ ｃ ｎｃｔ ｎ ， ｉ ０ ８ ６ ｉ ｉｎ
［ ｙｗ ｒｓ ｉ ｌｓ ｓｎｏ ｅ ｒｓｒｎ ｅｆ ｅｄｓ ｕ ｃ ｉ ｔ ｎ ｓａ — ｃ ｉａｉｎａｇ ｒ ｍ；ｍｐｏ ｅ ｏ ｔ ｌ ｂｅｆ ｏ Ｋｅ ｏ ｄ ｌｗ ｅｅｓ ｅ ｓｒ ｔ ｋ ；ａ ｇ—ｒ ￣ｂ ｍｄｌ ａ ｚ ｉ ；ｃ ｅｌ ａｚ ｔ ｌｏｉ ｒ ｎ ｗｏ ｅｉ ｏｌ ａ ｏ ｌ ｏｌ ｏ ｈ ｔ ｉ ｒｖｄｃ ｎｒ ｌ ｌ ｌ ｄ ｏａ ｏ
维普资讯
第３ ４卷 第 ９期
Ｖ １３ ｏ ． ４
・
计
算 机
工
程
２０ ０ ８年 ５月
Ｍａ ０８ ｙ２ ０
Ｎｏ９ ．
Ｃｏ ｐ ｔ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｍ ｕ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ
网络 与通 信 ・
一
文 章编号：１ ０ ４８ ０８ ９ ０２ ＿３ 文献标识码： ０ —３２（ ０）— １１ ０ ０ ２ ０＿ — Ａ
１ 概述
无线传感器 网络（ ｒｌｓ ｓｎｏ ｅｗ ｒｓ由大量廉价且 ｗｉ ｅｓ ｅ ｓｒｎｔ ｏｋ） ｅ
（） － ｐ 算法 ：任一锚点用到连通锚点 的距离和除 ２ＤＶＨｏ Ｊ 以到连通锚点最少跳数和作 为该锚 点附近 的网络平均每跳距 离 。普通节点使 用距 自己最近锚 点的网络平均每跳 距离与到
Ｒａ ｇ －ｒ ｅＤｉｔ ｉ ｕ ｅ ｃ ｌ ａ ｉ ｎ Ａｌ ｏ ｉｈ ｎ ｅ ｆ ｅ ｓｒｂ ｔ ｄ Ｌｏ ａ ｉ ｔ ｇ ｒ ｔ ｍ ｚ ｏ
［ ｙｗ ｒｓ ｉ ｌｓ ｓｎｏ ｅ ｒｓｒｎ ｅｆ ｅｄｓ ｕ ｃ ｉ ｔ ｎ ｓａ — ｃ ｉａｉｎａｇ ｒ ｍ；ｍｐｏ ｅ ｏ ｔ ｌ ｂｅｆ ｏ Ｋｅ ｏ ｄ ｌｗ ｅｅｓ ｅ ｓｒ ｔ ｋ ；ａ ｇ—ｒ ￣ｂ ｍｄｌ ａ ｚ ｉ ；ｃ ｅｌ ａｚ ｔ ｌｏｉ ｒ ｎ ｗｏ ｅｉ ｏｌ ａ ｏ ｌ ｏｌ ｏ ｈ ｔ ｉ ｒｖｄｃ ｎｒ ｌ ｌ ｌ ｄ ｏａ ｏ
维普资讯
第３ ４卷 第 ９期
Ｖ １３ ｏ ． ４
・
计
算 机
工
程
２０ ０ ８年 ５月
Ｍａ ０８ ｙ２ ０
Ｎｏ９ ．
Ｃｏ ｐ ｔ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｍ ｕ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ
网络 与通 信 ・
一
文 章编号：１ ０ ４８ ０８ ９ ０２ ＿３ 文献标识码： ０ —３２（ ０）— １１ ０ ０ ２ ０＿ — Ａ
１ 概述
无线传感器 网络（ ｒｌｓ ｓｎｏ ｅｗ ｒｓ由大量廉价且 ｗｉ ｅｓ ｅ ｓｒｎｔ ｏｋ） ｅ
（） － ｐ 算法 ：任一锚点用到连通锚点 的距离和除 ２ＤＶＨｏ Ｊ 以到连通锚点最少跳数和作 为该锚 点附近 的网络平均每跳距 离 。普通节点使 用距 自己最近锚 点的网络平均每跳 距离与到
Ｒａ ｇ －ｒ ｅＤｉｔ ｉ ｕ ｅ ｃ ｌ ａ ｉ ｎ Ａｌ ｏ ｉｈ ｎ ｅ ｆ ｅ ｓｒｂ ｔ ｄ Ｌｏ ａ ｉ ｔ ｇ ｒ ｔ ｍ ｚ ｏ
北斗导航系统无源算法及定位精度分析
北斗导航系统无源算法及定位精度分析论文导读：能提供这种服务的有美国的全球定位系统（GPS）,俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）,我国的“北斗导航系统”也初步具有这种功能。
逐步扩展为全球卫星导航系统。
关键词：北斗导航系统，全球定位系统，全球卫星导航系统引言现代战争是海陆空天一体化联合作战的战争，是以电子战、信息战为核心，以空中打击为主要手段的高技术战争。
现代战争要求“稳、准、狠”地摧毁敌方有生力量及军事设施，快速制服敌方，尽可能减少己方的伤亡和消耗，尽量避免伤及平民百姓。
因而，覆盖全球的中远程精确导航定位和通信服务在现代战争中的地位和作用越来越显著，引起世界各国军事部门的高度关注。
目前，能提供这种服务的有美国的全球定位系统（GPS）,俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）,我国的“北斗导航系统”也初步具有这种功能；欧洲的“伽利略”卫星定位计划也在紧锣密鼓地进行中。
随着中国北斗卫星导航系统的建设，将形成美、俄、欧、中在卫星导航系统上的“四强争霸”格局。
1 北斗导航系统北斗导航系统从20世纪80年代末期开始预研，于1996年实施。
建设中的中国北斗导航系统（COMPASS）空间段计划由5颗静地同步轨道卫星和30颗非静地同步轨道卫星组成。
我国已先后于2000年10月31日、月21日、2003年5月25日发射了3颗静地同步轨道卫星，组成了“北斗一号”双星定位系统；地面测控系统已基本建成；各类用户设备经多年研究，已突破技术难点，进入推广应用阶段；整个“北斗一号”系统经过试运行，已开始投入运营，为各类用户提供有源定位、通信（简短报文传送）和授时服务。
2007年2月3日成功发射了第4颗北斗导航试验卫星。
三颗静地同步轨道卫星，一颗为备份星。
在此基础上建立的中国北斗导航试验系统运行至今工作稳定、状态良好，已在测绘、电信、水利、交通运输、勘探和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。
第4颗北斗导航试验卫星曾因帆板无法打开发生故障，但目前已成功排除。
一种改进的APIT定位算法讲课教案
常用的免于测距的定位技术质心定位算法、 APS算法、MDS-MAP算法、APIT定位算法等。
APIT定位算法的基本思想简单，实现容易。 而且由于其定位功耗小、成本低、节点定位精度 高等特点得到广泛应用和研究。
三、APIT定位算法
APIT算法的理论基 础是PIT（ point intriangulation test）算法 （三角形内点测试法）： 假如存在一个方向，沿着 这个方向节点M会同时远 离或接近参考节点A、B、 C，那么节点M位于三角 形ABC外部，如图1所示； 否则，M位于三角形ABC 内部，如图2所示。
一、节点定位技术的重要性
首先，无线传感器网络中，节点所采集的数 据或探测 的事件，通常都需要有相应的地理位置 信息作为标识，对大多数应 用来说，不知道传感 器位置，所感知的数据是没有意义的。比如：一 个被监控的车辆的地点、森林火灾发生的位置、 战场上敌方车辆的运动区域等。
其次，无线传感器网络的一些系统功能需要 节点的位置信息。例如：确定无线传感器网络的 覆盖范围等。
图11
通过对比图10和图11可以发现，求三角形重 心坐标比网格扫描法更加接近 grid(5,3)，主要是因 为三角形重心扫描算法是以点为出发点，而网格 扫描法是以区域为出发点，从而网格扫描算法更 易受 Out-To-In或 In-To-Out错误区域的影响。这 样，重心扫描算法相比网格扫描法可以提高定位 精度。
[2]于宏毅，李鸥，张效义等.无线传感器网络理论、技术与实现.北京：国防工 业出版社，2010,9 重印.
[3]马刚，陈盛云. WSN中APIT节点定位改进算法研究. 昆明理工大学信息工程 与自动化学院, 昆明650051. 文章编号: 1002-2279(2011)03-0068-04.
一种改进的DV-Hop节点定位算法
∑ ｉ
Ｈ ｏ ｚ Ｎｅ ｐＳｉｅ ｗ￣ —
Ｊ ≠
—
每个信标节点采用广播的方式将其位置信息 （ ｉ ｘ，ｙ ｏｓ） Ｉ ， ｉ ｉ ｐｉ Ｄ ，Ｈ 传递给其他节点 ， 中，Ｈ ｐｉ 其 ｏｓ 是跳数 ，它的初始时为０ ，当接收节点接 收到来 自同～个信标节点但跳数不 同的位置信息时 ， 记录最小的跳数 ， 忽略较大跳数的分组。然后将跳数加 １ ，再转发给其他邻居节点 。依靠 这种方法便能够找 出未知节点到每个信标节点 的最小跳数。
进
ＡＸ ＝ｂ
其中，矩阵 信标节点坐标构成 ， ｏ未知节点和信标节点之间的 由 ｂ ａ 距 离构成 ， 为未知节点的坐标，用标准最小二乘法可求得 估计值 的
Ｕ ＝ｒ 一 Ａｒ ） ｂ
２ 改进算 法 在改进算法 中，为降低存储容量 ，对每个信标节点的广播范围进行 限制 。此外 ，目 前的无线传感器网络 的节点定位算法大部分是设定节点 ， ） ， 分别是信标 节点 的坐标 ，Ｈ ｓ ｘ Ｙ 、 乃） ． １ ， ｐ 为信标 节点 ｏｊ ｊ 之 问的跳数。然后 ，信标节点将计算出的平均每跳距离广播到网络 与ｉ 中，未知节点仅记录它接收到的第一个平均距离。然后 ， 未知节点将它 与信标 节点的最小跳数和接收到的每跳平均距离相乘便计算 出了它与每 个信标节点的估计距离。
１１测量未知节点与信标节点间的最小跳数 ．
其中ｄ 表示通信的距离，Ｅ 为消耗 的能量 ， ｚ 足关系２ ｎ ，ｋ ，菏 ｝ ＜ ＜４ 是 系数 。此外 ，为了节省通信能量 ，可以设置一个 门限跳数 ｎ，当节点接 收到来 自信标节点 的位置信息时 ，首先 检测Ｈｏｓ 否达 到门限跳数 ， ｐｉ 是 若 Ｈ ｐ ＜ ，则跳数加１ ｏｓ ｎ ，并转发给邻居节点，否则丢弃该包 。 Ｓ ｐ ：在计算每个信标节点与其他信标节点 的每跳平均距离时，公 ｔ２ ｅ 式变为
无线传感器网络质心定位算法研究
统、 通信 技术 、 入 式 计 算 技 术 和 分 布 式 信 息处 理 嵌
技 术等综 合交 叉起 来 的一 个 研 究 领域 ， 多学 科 交 是
结合 进而 对其 定 位 性 能 进 行 了 改 进 ； 献 ［ ］ 用 文 ８利 未知 节点 接 收 到 的锚 节 点 所 发 送 信 号 功 率 的 强 度
对定 位精 度及 定位 时 间起 调 节 作 用 ， 网络 的平 均 而
连 通度是 确保 质心 算 法 能够 正 常 运行 的前 提 ， 值 其
的改变并 不 能 影 响 定 位 精 度 ； 同时 ， 虑 到 算 法 的 考 能 量消 耗 ， 一 定 网 络 连 通 度 的基 础 上 ， 固定 监 在 在
２１ ０ ２年 ５月 ７ 日收 到
１ Ｃ ｎｒｉ 定位算法描述 ｅｔ ｄ ｏ
Ｃ ｎｒｉ ｅｔ ｄ定位算 法最 初是 由南 加 州大 学 Ｎ ｒｐ ． ｏ ｉ ａ ｕ ｍａＢ ｌｓ ｕｕｕ等人 提 出的一 种 无 需测 距 的 室外 定 位算 法 Ｊ 。具体 的定位 过 程 为 ： 节 点 每 隔一 段 时 间 锚
往 往是 没 有 任 何 意 义 的 。根 据 定 位 过程 中是 否 需 要通 过物理 手段 实 际 测量 节 点 问 的距 离 或 角 度 ，
响其 定位 精度及 定 位率 的几 个 重要 参 数 ， 括 节 点 包 个数 、 锚节 点个 数 以及 节 点通 信 半 径 进 行详 细 的仿
第１ ２卷 第 ２ ３期
２１ ０ ２年 ８月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．１ Ｎｏ ２３ Ａｕ １ ２ ． ｇ．２０１ ２
１７ — １ １ ２ １ ２ —７８ ０ ６ １ ８ ５（ ０ ２） ３ ５ ７ — ６