多移动信标辅助的分布式节点定位方法

Ｐｏ ｉｃ Ｚ ２ ０ Ｇ ０ ， Ｒ ０ ０ Ｑ １） ｒ ｉ ｖ ｅｅ ｒ ｕ ｄｆｒ ｘｅｌ ｔ ｏ ｎ ｎ ｄ ｌ ａ ｅ ｃｅｔ ｔ ｏ ｈ ｄｎ ｒｖｎｅ（Ｒ ０ ９ Ｑ０ ２ Ｚ ２ １Ｆ ０ ４ ； ｉ ｔ ｅＲ ｓａ ｈＦ ｎ ｏ ｃｌ ｎ ｕ ｇａ ｄＭｉｄｅ ｇ ｄＳｉｎｉｓ ｆＳ ａ ｏ ｇ Ｐｍ ｉ ｃ Ｅ ｅ Ｙ ． ｓ ｎ
Ｆ ｕ ｄ ｔ ｎ Ｉ ｍｓ Ｔ ｅＮａ ｏ ａ Ｎａ ｒｌ ｃ ｎ ｅＦ ｕ ｄ ｔ ｎ ｏ ｈｎ ６ ８ ２ ３ ） Ｔ ｅＮ ｔｒ ｃ ｎ ｅＦ ｕ ｄ ｔ ｎｏ ｈ ｄ ｎ ｏ ｎ ａｉ ｅ ： ｈ ｔ ｎ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｏ ｎ ａ ｏ ｆ ｉａ（０ ０ ０ ０ ； ｈ ａｕａ Ｓ ｉ ｃ ｏ ｎ ａ ｏ ｆ ａ ｏ ｇ ｏ ｔ ｉ ｕ Ｓ ｅ ｉ Ｃ ｌ ｅ ｉ Ｓｎ
（．山东科技 大 学 信 息 科学 与工程 学 院， 山东 青 岛 ２ ６９ ；２ １ ６ ５０ ．山东省计 算机 网络 重 点实验 室 山东 省计 算 中心 ，山东 济 南 ２０ １） ５ ０４
摘
要 ：为提高移动信标辅助定位算法的定位 精度 ，避免重复扫描待定位节点 ，提 出了一种使用多个移动信标的
１ ）信 标 沿着 一 定 的路径 遍 历 整个 网络 部 署 区
内获 得各 个未 知节 点相对 坐标 ，接 着利 用移 动信标 对簇 头节 点进 行定位 ， 而后 便 可定位 其他 节点 。 ｍ Ｋｉ
等 …还给 出了采用 加权 最 小二乘 法提 高使 用 移动信 标 时测距 精度 的方 法 。
中图分类号：Ｔ ３ ３ Ｐ９
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ０ —３ Ｘ（０ ２０ －１３０ ０ ０４ ６ ２ １）３００ —９
Ｍ ｕ ｔ． ｏ ｉ ． ｅ ｃ ｎ ａ ｓｓ ｅ ｉｔ ｉ ｕ ｅ ｏ ｅｌ ｃ ｌ ａ ｉ ｎ ｓ ｈ ｍ ｅ ｌｉｍ ｂ ｌ ｂ ａ ｏ ｓ ｉｔ ｄ ｄ ｓｒ ｂ ｔ ｄ ｎ ｄ ａ ｉ ｔ ｃ ｅ ｅ ｏ ｚ ｏ
第３ ３卷第 ３期
２１ ０ ２年 ３月
通
信
学
报
Ｖｂ ｌ３ Ｎｏ ３ １３ ． Ｍ ａｃ ０ ２ ｒ ｈ２ １
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｎＣｏ ｍｕ ｉ ａｉ ｎ ｏ ｒ ａ ｍ ｏ ｎｃ ｔ ｓ ｏ
多移 动信标辅助 的分布式节点定位 方法
崔焕 庆 一 ， ，王英 龙 ，郭 强 ， 吕家亮 ， 。
基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目（０ ０ ０ ０； 山东省 自然科学基金资助项 目（Ｒ ０ ９ ０ ２ Ｒ ０ ０ Ｑ １） ６ ８ ２ ３） Ｚ ２ ０ ＧＱ ０ ，Ｚ ２ １Ｆ ０ ４：山东省
中青年科 学家科研 奖励基金 资助项 目（ Ｓ ０ ９ Ｘ０ １；青 岛市科技发展计划基金资助项 目（Ｚ 一７ ０ ．．．０ｃ ） Ｂ ２ ０ Ｄ １） Ｋ Ｊ４ ， ９１３５ 一ｈ
Ｐｏ ｉｃ Ｂ ２ ０ Ｄ ０ １； ｈ ｃｅ ｃ ｄ ｅ ｈ ｏｏ ｙＤ ｖ ｌｐ ｎ ｏｅ ｔ ｆ ｉｇ ａ Ｋ Ｊ ７ ０ —— —０ｃ ） ｒ ｖｎ ｅ（ Ｓ ０ ９ Ｘ １） ｅ ｉｎ ｅ ｎ ｃ ｎ ｌｇ ｅ ｅ ｍｅ ｔ ｊ ｎ ｄ ｏ（ Ｚ ． ， ９ １３５ ．ｈ Ｔ Ｓ ａ Ｔ ｏ ｒ Ｐ ｃｏ Ｑ ４
１ 引言
通 过在 目标 区域 部署大 量传 感器 节 点，可 以实
外部 目标 定位 ２类 问题 ，前者是 后者 的基 础 。节 点
定位 即通 过一 定 的技术 、方 法和 手段 获取无 线传 感
器 网络节 点 的绝对 或相 对位 置 的过程 ，可 分为基 于
现 诸如 军事 防御 、目标 跟踪 、环 网络 时保持一 定相对位置关系 ，使用 Ｔ ｏ Ｄ Ａ技术测距 并为未 知节 点提供距离信息辅助
其定位 。提 出了基于最优覆盖策略的 ２种移动信标路径规划方法 。仿真结果表 明，所提 出的算法具有较高 的定位
精度，且所使用 的移动路径性 能较 高。 关键词：无线传 感器 网络 ；定位 ；移动信标 ；路径规划
一
算 法 Ｉ 利用 未 知 节 点 进 入 和 离 开移 动 信 标 通信 范 １ 叫
围的交叉 部分构 成 ＡＤＯ 区域 ， 求取 Ｈ 再 ＡＤＯ （ ａ ｈｌ ｆ Ａ ＤＯ）的质 心作 为未知 节 点的位 置 。Ｌ ｅ ¨选择 ｅ 】 ３个 虚拟 信标 ，使用 其 中 ２个 构建 交叉 区域 ，再用 第 ３个计 算未知 节 点位置 。ＭＢ （ ｂｌ ｂ ｕ ｄｎ Ｂ ｍｏ ｉ ｏ ｎ ｉｇ ｅ ｂｘ ｏ ）算 法 ＿Ｊ 用 正方 形近 似表 示 信标 通 信 区域 ， Ｊ使 ２ ＿ 对 网络进 行 网格 划分 后 ，信 标沿 网格顶 点移 动 ，未 知 节 点利 用 接 收 的虚 拟 信 标 的位 置 平 均值 作 为位 置 估计值 。Ｒ Ｏ ｒｄａ ｇｏ ｆｎｅｓｃ ｏ ）算 Ｒ Ｉ（ａ ｉ ｅ ｅ ｉｎｏ ｔｒ ｔ ｎ ｔｒ ｉ ｅｉ 法 ｌ 需 移动信 标带 有定 向天 线 ，以多个 虚拟 信标 波 ｌ 束 交叉 区域 的质 心 作为未 知节 点 的估计位 置 。史清 江 等 【Ｊ 用 多 功率 移 动 信 标 为每 个 未 知 节 点 构 造 ｌ使
种 多 个 移 动信 标 辅 助 的定 位 方 法 ， 同一 时刻 可 产 生 多 个 虚拟 信 标 ，那 么 每 个 未 知节 点便 可 实 现 一
通
信
学
报
第３ ３卷
且信 标越 多 ，定 位精 度越 高 ，但是 信标 比未知 节 点 的 成本要 高很 多 。使用 移动 信标进 行 定位既 能达 到 基 于 固定信标 定位 方法 的精度 ，又可 降低 网络成本 和 能耗 ，成 为 当前 的研究 热点 。一般 而言 ，移 动信 标辅 助定位 方 法包含 如 下阶段 。
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｍｐ ｏ ｅｔ ｅｌ ｃ ｌ ａ ｏ ｒ ｃ ｓｏ ｎ ｖ ｉ ｃ ｎ ｎ ｎ ｎ ｗｎ ｎ ｄ ｓｒ ｐ ａｅ ｌ ｂ ｌ ｅ ｃ ｎ ａ ｓｓ ｄ ｓｒ ｃ ： ｏ ｉ ｒ ｖ ａｉ ｔ ｎ ｐ ｅ ｉｉ ｎ ａ ｄ ａ ｏ ｄ ｓ ａ ｉ ｇ ｕ ｋ ｏ ｏ ｅ ｅ ｅ ｔ ｄ ｙ ｉ ｍｏ ｉ ｂ ａ ｏ ｓ ｉｔ ｈ ｏ ｚｉ ｎ ｎ ｅ ｅ ｌ ｃ ｌ ａｉ ｎ ｍｅ ｏ ， ｌ — ｂ ｌ — ｅ ｃ ｎ ａ ｓｓｅ ｏ ａ ｉａ ｏ ｃ ｅ ｓｐ ｏ ｏ ｅ ． ｈ ｅ ｃ ｎ ｅ ｐ ａ ｃ ｒａｎ ｒ ｌ — ｏ ａｉ ｔ ｔ ｄ ａ ｍｕ ｔ ｍｏ ｉ ｂ ａ ｏ ｓ ｉｔｄ ｌ ｃ ｚ ｔ ｎ ｓ ｈ ｍｅ ｗａ ｒ ｐ ｓ ｄ Ｔ ｅｂ ａ ｏ ｓｋ ｅ ｅ ｔ ｉ ｅａ ｚ ｏ ｈ ｉ ｅ ｌ ｉ ｔ ｅ ｐ ｓｔ ｎ ｗｈ ｌ ｒ ｖ ｒ ｉ ｇ ｔ ｅ ｎ ｔ ｒ ｄ ｒ ｇ ｎ ｔ Ｄｏ ｉ ｏ ｉ ｏ ｉ ｔａ ｅ ｓｎ ｅｗｏ ｋ ａ ａ ｉ ｇ ｗｉ Ｔ ｖ ｉ ｅ ｈ ｎ ｎ ｈ Ａ，ａ ｄ ｐ ｏ ｉ ｅ ｉ ｆ ｒ ｔ ｎ ｔ ｎ ｎ ｗｎ ｎ ｄ ｓ ｔ ｓ － ｎ ｒ ｖ ｄ ｎ ｏ ｍａ ｏ ｏ ｕ ｋ ｏ ｏ ｅ ｏ ｅ ｔ ｉ ｉ ｍａｅ ｌｃ ｔ ｎ ． ｗｏ ｐ ｔ ｌｎ ｉｇ ｍｅｈ ｄ ａ ｅ ｎ ｏ ｔ ｌ ｏ ｅ ａ ｅ ｓ ａｅ ｙ ｗｅ ｅｉ ｔ ｄ ｃ ｄ Ｓ ｍｕ ａ ｏ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｏ ｓ Ｔ ａ ｈｐ ａ ｎ ｎ ｔ ｏ ｓ ｓ ｄ ｏ ｐ ｍａ ｖ ｒ ｇ ｔ ｔｇ ｒ ｒ ｕ ｅ ． ｉ ｌ ｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｏ ｉ ｂ ｉ ｃ ｒ ｎ ｏ ｉ ｓ ｔ ａ ｒ ｐ ｓ ｄ ｓ ｈ ｍｅａ ｄ ｐ ｔ ｓ ｅｆ ｒ ｗｅ１ ｈ ｔｈｅｐ ｏ ｏ ｅ ｃ ｅ ｎ ａｈ ｒ ｏ ｍ ｌ ｔ ｐ ． Ｋｅ ｒ ｓ ｗｉ ｌ ｓ ｅ ｓ ｒ ｅ ｗｏ ｋ ｌ ｃ ｌ ａｉ ｎ ｍｏ ｉ ｅ ｃ ｎ ｐ ｔ ｌ ｎ ｎ ｙｗｏ ｄ ： ｒ ｅ ｓｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ； ｏ ａ ｉ ｔ ； ｂ ｌ ｂ ａ ｏ ； ａ ｈｐ ａ ｉ ｇ ｅ ｎ ｚ ｏ ｅ ｎ
信标 和无 信标 的定位 方 法Ｉ２ 基 于信标 的 方法 需在 １】 ．。 网络 中部 署若 干 已知 自身位 置 的信 标 ，而 后其他 节 点，即未 知节 点通过 测量 到信标 的距 离 、角度等 信
息 进 行 定 位 。无 信 标 的 方 法利 用 节 点 间 的相 互 关
医疗卫生等诸多应用。对于大多数应用 ，位置信息 可 使感 知数据 获 得地理 意义 ；位 置信 息还 可辅 助进
位置 称为虚 拟信 标 。
信标的位置平均值为 自己的位置，陈娟等 贝使用 Ｊ ０
加权质 心 算法 。ＡＤ （ｒ ｖ ｌ ｎ ｅ ａｔｒ ｖ ｒ ｐ Ｏ ａ ｉａ ａ ｄｄ ｐｒ ｅ ｅｌ ） ｒ ｕ ｏ ａ
２ ）未知 节点 接收虚 拟信 标信 息 ， 并存 储在 一个 虚 拟信标 信 息表 中。 ３ ）未知 节 点利用所 记录 的信 息估算 位置 。
无需 测距 的定位 方法 可 以用 （ 加权 ）质 心算法
计 算位 置 。如 ＭＡ Ｌ （ ｂｌ ａｃｏ ｅｔ ｉ ｌ． Ｃ ｍｏ ｉ ｎｈ ｒｃｎｒ ｄ ｏ ｅ ｏ
ｃｌ ａｉｎ ａｉ ｔ ）算 法 中 ，未知 节 点取 所接 收 到 的虚拟 ｚ ｏ
域 ，并 同时广播 数据 分组 。将 每个 广播 消息 的信标
Ｃ Ｉ ａ —ｉｇＩ ＷＡ ｉｇｌ ｇ， Ｕｔ Ｑｉ ｇ， Ｖ Ｊ — ａ ｇ， Ｕ ｎｑｎ ， ＮＧ Ｙｎ — ｎ Ｇ ａ Ｌ ａｌ ｎ Ｈｕ － ｏ ｎ ｉ ｉ
（ ． ｏｌ ｅ ｆｎ ｏｍａ ｏ ｃ ｎ ｅａ ｄ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｓ ａ ｄ ｎ ｉｅｓ ｙｏ ｃ ｎ ｅ ｄ ｅ ｈ ｏ ｇ ， ｉｇ ａ ６ ５ ０ Ｃ ｉａ １ Ｃ ｌ ｇ ｆｒ ｔ ｎＳ ｉ ｃ ｎ ｇｎｅｉ ， ｈ ｎ ｏ ｇ ｅ ｏＩ ｉ ｅ Ｅ ｎ Ｕｎｖ ｒ ｔ ｆ ｉ ｃ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｑ ｎ ｄ ｏ２ ６ ９ ， ｈｎ ； ｉ Ｓｅ ａ Ｔ ｎ ｏ ２ Ｓ ａ ｄ ｎ ｒｖｎ ｉｌ ｅ ａ ｏａ ｒ ｆ ｏ ｕｅ ｅｗ ｒ， ｈ ｎ ｏ ｇＣ ｍｐ ｔ ｃ ｎ ｅ ｅ ｔｒＪ ｎ ５ ０ ４ Ｃ ｉａ ． ｈ ｎ ｏ ｇ ｏ ｉｃａ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｙｏ ｍｐ ｔｒ ｔ ｏｋ Ｓ ａ ｄ ｎ ｏ ｕｅ Ｓ ｉ ｃ ｎｅ ｉ ａ ２ ０ １ ， ｈｎ ） Ｐ ｏ Ｃ Ｎ ｒ ｅ Ｃ ， ’ｎ
个 未 知 节 点 至 少 需 要 接 收 到 ３ 个 非 共 线
（ 维 ）或 者 ４个 非共 面 （ 维 ）虚 拟 信 标 信 息 ， 二 三
才 可 实 现 定位 ， 因此 使 用 一 个 移 动信 标 的定 位 方 法 需 要 信 标 多 次经 过 一 个 未 知 节 点 。本 文 提 出一
行 无线 传感 器 网络 的路 由、拓扑 管理 等 ，因此 ，定 位 成为 无线传 感 器 网络 的关 键技 术之 一Ｉ。 ” 无 线 传 感 器 网络 的 定位 包 含 网络 节 点定 位 和
收稿 日期 ：２ １．２２ ；修 回 日期 ：２ １。１０ ００ １．８ ０ １１－８
系 ，各节 点 以 自身 为参考 点建 立相对 坐标 。使用 基 于信 标 比无信 标 的方法 能得 到更 高 的定位精 度 ，而