基于通导一体化与刚性图的自组网节点定位方法与流程

1.本发明属于通信技术领域，更进一步涉及同步定位技术领域中的一种基于通导一体化与刚性图的自组网节点定位方法。本发明可应用于通导一体化系统中，利用通信网络拓扑获取全局可定位节点的加权刚性图拓扑，实现对无线网络中自组网节点的定位。


背景技术：

2.通导一体化技术是指将通信和导航功能集成到一个系统中实现的技术，通过在信号设计过程中考虑定位性能，实现定位信号与通信信号的共存。其广泛应用于wi
‑
fi(wireless fidelity)、蓝牙、移动通信系统与卫星通信系统等系统当中。刚性图技术由于其具有结构不变性的特征，能够提升网络节点的可定位能力，因此其在协助网络定位方面的前景广阔。但是当前通导一体化技术通信与定位技术只在信号层面实现了紧耦合，刚性图也没有广泛应用到该领域当中，导致定位拓扑无法在通信拓扑的基础上提升网络对节点的定位覆盖能力。
3.北京卫星导航中心在其申请的专利文献“一种无线节点自组网的定位方法”(申请号：cn 201920983146.0，申请公布号：cn 110187373 a)中提出了一种无线节点自组网的定位方法。该方法的具体流程如下：首先，锚节点发出搜素其他节点的查询指令，待定位节点对查询指令执行转发与应答，获取节点距离信息。然后，选择距离锚节点最大通讯距离二分之一的四个不同节点，确定两条相交轴线，构建虚拟平面坐标，获取待定位节点与锚节点之间的相对位置。最后，根据gps获取锚节点绝对坐标值，通过相对关系确定待定位节点的绝对坐标值。该方法虽然能够实现无线自组网节点的定位，但是，该方法仍然存在的不足之处是，各个节点位置的确定均直接依赖于锚节点，使得自组网内可定位的节点仅限于锚节点通信范围内的节点，无法对锚节点通信范围外的其他节点进行定位，导致影响自组网定位的覆盖能力。
4.北京银河信通科技有限公司在其申请的专利文献“一种基于最小二乘法和mds的自组网节点定位方法”(申请号：cn 202110629147.7，申请公布号：cn 113347708 a)提出了一种基于最小二乘法和mds(multidimensional scaling)的自组网节点定位方法，用于自组网节点的定位。其具体流程如下：首先，获取单跳连接的节点集合，对该节点集合使用mds
‑
map定位算法获取该节点集合中所有节点的相对坐标。然后，根据已知坐标的节点，使用最小二定位该节点集合外的节点。最后，将所有节点的相对坐标转换为绝对坐标。该方法虽然能够实现无线自组网节点的定位，但是，该方法仍然存在的不足之处是，待定位节点位置的确定仅依赖于周围的已定位节点，使节点的定位精度随着定位拓扑图的扩展而降低，导致自组网节点的定位精度较差。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于通导一体化与刚性图的节点定位方法，用于解决借助已定位节点进行定位的节点的定位精度随定位拓扑图的
扩展而降低导致的自组网节点定位精度较低的问题，以及锚节点直接定位导致的自组网定位的覆盖能力较差的问题。
6.本发明实现上述目的的具体思路是，本发明在获取初定位节点的过程中，从初定位节点与其它自组网节点构成的刚性结构中得到新的初定位节点，由于刚性结构中已定位节点对未定位节点进行定位可以解除锚节点直接定位的约束，因此通过已定位节点对未定位节点进行定位可以解决自组网定位的覆盖能力较差的问题。本发明通过初定位节点定位等级赋予待节点定位等级，在自组网节点定位过程中，选择节点定位等级较高的已定位节点对未定位节点进行定位，由于距离锚节点越近的自组网节点的定位等级越高，因此选择定位等级较高的节点对未定位节点进行定位可以有效解决借助已定位节点进行定位的节点的定位精度随定位拓扑图的扩展而降低导致的自组网节点定位精度较低的问题实现本发明的具体步骤如下：
7.步骤1，构建数据集合并初始化：
8.(1a)生成全局待定位节点集合u
t
＝{n
i
|i＝1,2,...,k}、锚节点集合u
a
＝{m
j
|j＝1,2,...,l}与全局邻接矩阵m
neb
＝(m(x,y))
((k l)
×
(k l))
；其中，n
i
表示自组网全局通信拓扑中第i个待定位节点，k表示自组网全局通信拓扑中的待定位节点的总数，|表示对集合内参数的限制符号，m
j
表示自组网全局通信拓扑中第j个锚节点，l表示自组网全局通信拓扑中锚节点的总数，m(x,y)表示自组网全局通信拓扑中第x个节点与第y个节点的关系，当m(x,y)＝1时表示自组网全局通信拓扑中第x个节点与第y个节点互为邻节点，当m(x,y)＝0时表示自组网全局通信拓扑中第x个节点与第y个节点为非邻节点，m
neb
的行元素与列元素表示的是全局待定位节点集合u
t
与锚节点集合u
a
中的所有节点u
h
＝{h
r
|r＝1,2,...,k l}，h
r
表示m
neb
中第r个行元素或列元素，当1≤r≤k时，h
r
＝n
r
，当k 1≤r≤k l时，h
r
＝m
r
‑
k
；
9.(1b)将自组网全局通信拓扑中每个锚节点的定位等级初始化为0，将自组网全局通信拓扑中每个待节点的定位等级初始化为
‑
1；
10.步骤2，生成初定位节点集合：
11.(2a)从锚节点集合中选取一个未被选过的锚节点；
12.(2b)统计所选锚节点在邻接矩阵m
neb
的对应行中元素值为1的待定位节点集合中待定位节点的总数a、锚节点集合中锚节点的总数b；
13.(2c)判断待定位节点总数a和锚节点总数b是否满足a b＞3与b＞2，若是，则将所选锚节点在邻接矩阵m
neb
的对应行中元素值为1的待定位节点集合中的所有待定位节点定位等级设置为1，并添加到初定位节点集合中后执行步骤(2d)，否则，执行步骤(2a)；
14.(2d)判断锚节点集合中的节点是否已被全部选过，若是，执行步骤3，否则，执行步骤(2a)；
15.步骤3，确定构成刚性图结构的初定位节点：
16.(3a)从初定位节点集合中依照初定位节点加入的次序，选取一个未被选过的初定位节点；
17.(3b)判断所选定位节点是否满足刚性图定位条件，若是，执行步骤(3c)，否则，执行步骤(3a)；
18.(3c)将所选初定位节点在邻接矩阵m
neb
的对应行中元素值为1且未更新定位等级的构成刚性图结构的节点添加到初定位节点集合中，并将新添加的初定位节点的定位等级
设置为所选初定位节点的定位等级加1；
19.(3d)判断初定位集合中的节点是否已被全部选过，若是，则执行步骤4，否则，执行步骤(3a)；
20.步骤4，节点定位：
21.(4a)从初定位节点集合中依照初定位节点加入的次序，选取一个未被定位的初定位节点；
22.(4b)从锚节点集合和已定位节点集合中选取所选节点在邻接矩阵m
neb
的对应行中元素值为1且节点等级最小的3个节点作为已知位置节点，采用伪距定位的最小二乘法获得所选节点的位置；
23.(4c)判断初定位节点集合中的节点是否已经全部被定位，若是，则执行步骤5，否则，将选中节点加入已定位节点集合后执行步骤(4a)；
24.步骤5，完成节点定位。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
26.第一，本发明将所选初定位节点在邻接矩阵的对应行中元素值为1，且未更新定位等级的构成刚性图结构的节点，添加到初定位节点集合中，通过初定位节点向外扩展得到新的初定位节点扩大自组网节点的覆盖范围，克服了现有技术中锚节点直接定位导致的覆盖范围较小的问题，使得本发明能够比锚节点直接定位方法定位更多的自组网节点总数，提升了自组网定位的覆盖能力。
27.第二，本发明从锚节点集合和已定位节点集合中选取所选节点在邻接矩阵的对应行中元素值为1且节点等级最小的3个节点，选择定位等级高的已定位节点对未定位节点进行定位，克服了现有技术中借助已定位节点进行定位，节点的定位精度随定位拓扑图的扩展而降低导致的自组网节点定位精度较低的问题，使得本发明能够借助定位精度更高的已定位节点对未定位节点进行定位，提升了自组网节点的定位精度。
附图说明
28.图1为本发明的流程图；
29.图2为本发明的仿真图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
31.参照图1，对本发明实现的具体步骤作进一步的描述。
32.步骤1，构建数据集合并初始化。
33.生成全局待定位节点集合u
t
＝{n
i
|i＝1,2,...,k}、锚节点集合u
a
＝{m
j
|j＝1,2,...,l}与全局邻接矩阵m
neb
＝(m(x,y))
((k l)
×
(k l))
；其中，n
i
表示自组网全局通信拓扑中第i个待定位节点，k表示自组网全局通信拓扑中的待定位节点的总数，|表示对集合内参数的限制符号，m
j
表示自组网全局通信拓扑中第j个锚节点，l表示自组网全局通信拓扑中锚节点的总数，m(x,y)表示自组网全局通信拓扑中第x个节点与第y个节点的关系，当m(x,y)＝1时表示自组网全局通信拓扑中第x个节点与第y个节点互为邻节点，当m(x,y)＝0时表示自组网全局通信拓扑中第x个节点与第y个节点为非邻节点，m
neb
的行元素与列元素表示的
是全局待定位节点集合u
t
与锚节点集合u
a
中的所有节点u
h
＝{h
r
|r＝1,2,...,k l}，h
r
表示m
neb
中第r个行元素或列元素，当1≤r≤k时，h
r
＝n
r
，当k 1≤r≤k l时，h
r
＝m
r
‑
k
。
34.将自组网全局通信拓扑中每个锚节点的定位等级初始化为0，将自组网全局通信拓扑中每个待节点的定位等级初始化为
‑
1。
35.步骤2，生成初定位节点集合。
36.第一步，从锚节点集合中选取一个未被选过的锚节点。
37.第二步，统计所选锚节点在邻接矩阵m
neb
的对应行中元素值为1的待定位节点集合中待定位节点的总数a、锚节点集合中锚节点的总数b。
38.第三步，判断待定位节点总数a和锚节点总数b是否满足a b＞3与b＞2，若是，则将所选锚节点在邻接矩阵m
neb
的对应行中元素值为1的待定位节点集合中的所有待定位节点定位等级设置为1，并添加到初定位节点集合中后执行本步骤的第四步，否则，执行本步骤的第一步。
39.第四步，判断锚节点集合中的节点是否已被全部选过，若是，执行步骤3，否则，执行本步骤的第一步。
40.步骤3，确定构成刚性图结构的初定位节点。
41.第一步，从初定位节点集合中依照初定位节点加入的次序，选取一个未被选过的初定位节点。
42.第二步，判断所选定位节点是否满足刚性图定位条件，若是，执行本步骤的第三步，否则，执行本步骤的第一步。
43.所述节点刚性图定位条件是指同时满足下述两个条件的情形：
44.条件1，u
h
∩(u
a
∪u
t
)的元素个数大于3；其中，u
h
＝{h
r
|h
r
∈u
h
,m(h,h
r
)＝1}，h表示所选的初定位节点。
45.条件2，u
h
∩u
a
∩u
l
的元素个数大于3；其中，u
h
＝{h
r
|h
r
∈u
h
,m(h,h
r
)＝1}，h表示所选的初定位节点，u
l
表示初定位节点集合。
46.第三步，将所选初定位节点在邻接矩阵m
neb
的对应行中元素值为1且未更新定位等级的构成刚性图结构的节点添加到初定位节点集合中，并将新添加的初定位节点的定位等级设置为所选初定位节点的定位等级加1。
47.第四步，判断初定位集合中的节点是否已被全部选过，若是，则执行步骤4，否则，执行本步骤的第一步。
48.步骤4，节点定位。
49.第一步，从初定位节点集合中依照初定位节点加入的次序，选取一个未被定位的初定位节点。
50.第二步，从锚节点集合和已定位节点集合中选取所选节点在邻接矩阵m
neb
的对应行中元素值为1且节点等级最小的3个节点作为已知位置节点，采用伪距定位的最小二乘法获得所选节点的位置。
51.所述采用伪距定位的最小二乘法获得所选节点的位置的步骤如下：
52.按照下式，计算初定位节点位置偏差值：
53.δx＝(f
t
f)
‑1f
t
a
54.δx＝[δx,δy,δz,δt]
t a＝[δρ1,δρ2,
…
,δρ
n
]
t
[0055][0056]
δρ
i
＝f(x0,y0,z0)
‑
ρ
i
[0057][0058]
其中，δx表示初定位节点位置与初定位节点钟差的偏差矩阵，a表示每个已知位置节点与初定位节点伪距偏差值矩阵，f表示ρ
i
的泰勒展开系数矩阵，ρ
i
表示第i个已知位置节点到初定位节点的距离，δρ
i
表示ρ
i
的一阶展开系数f(x0,y0,z0)与ρ
i
的差值，f(x
i
,y
i
,z
i
)表示ρ
i
的一阶展开系数，x
i
、y
i
和z
i
分别表示第i个已知位置节点位于x轴、y轴和z轴的坐标值，x0、y0和z0分别表示初定位节点在x轴、y轴和z轴的初始设定的坐标值，c表示光速，δt表示初定位节点的接收机钟差，δx、δy与δz分别表示初定位节点在x轴、y轴和z轴的位置偏差值。
[0059]
将每个初定位节点的初始位置与其对应的位置偏差相加，得到该初定位节点的位置。
[0060]
第三步，判断初定位节点集合中的节点是否已经全部被定位，若是，则执行步骤5，否则，将选中节点加入已定位节点集合后执行本步骤的第一步。
[0061]
步骤5，完成节点定位。
[0062]
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
[0063]
1.仿真实验条件：
[0064]
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为intel i5
‑
6400 cpu，主频为2.7ghz，内存8gb。
[0065]
本发明的仿真实验的软件平台为：windows 10操作系统和matlab r2019a。
[0066]
2.仿真内容和结果分析：
[0067]
本发明仿真实验是采用本发明和一个现有技术(伪距最小二乘法)分别对下表1中设置参数的自组网节点进行定位，获得自组网节点定位覆盖率如图2所示。仿真实验参数设置如表1所示：
[0068]
表1实验参数设置一览表
[0069]
设置项取值节点总数[150，200]网络覆盖范围(m2)2500非锚节点通信半径(m)[15，20]节点通信半径(m)[5，6，7，8，9，10，11，12]
[0070]
现有伪距最小二乘法是指，chan f c等人在其发表的论文“high
‑
integrity gps/ins integratednavigation with error detection andapplication to laas”([j].journal ofnavigation,2011,64(3):467
‑
493)中提出的节点定位方法。
[0071]
下面结合图2的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。
[0072]
图2为本发明提出方法与伪距最小二乘法算法，在递增非锚节通信半径的条件下，设置两种不同的锚节点通信半径(15m与20m)，得到两种不同方法的自组网节点定位覆盖率对比曲线图。图2中的横坐标表示自组网非锚节点的通信半径，单位为m，纵坐标表示自组网节点定位的覆盖率。图2中以“—o—”标示的曲线表示采用本发明方法，在不同非锚节点通信半径下，锚节点通信半径为15m的自组网节点定位覆盖率。图2中以“— —”标示的曲线表示采用本发明方法，在不同非锚节点通信半径下，锚节点通信半径为20m的自组网节点定位覆盖率。图2中以
“‑‑
o
‑‑”
标示的曲线表示伪距最小二乘法，在不同非锚节点通信半径下，锚节点通信半径为15m的自组网节点定位覆盖率。图2中以
“‑‑

‑‑”
标示的曲线表示伪距最小二乘法，在不同非锚节点通信半径下，锚节点通信半径为20m的自组网节点定位覆盖率。
[0073]
由图2仿真实验图可见，本发明在非锚节点通信半径分别为5m，6m，7m，8m，9m，10m，11m，12m时，与传统伪距最小二乘法相比，最小有0.05％的自组网节点定位覆盖率增益，最大有0.3％的自组网节点定位覆盖率增益，由此可见，本发明在自组网定位中能够有效提升自组网定位覆盖能力。
[0074]
以上仿真实验表明：本发明方法通过初定位节点与其它自组网节点构成的刚性结构得到新的初定位节点，并通过初定位节点定位等级赋予待节点定位等级，能够提升自组网节点定位的覆盖率，解决了现有技术中存在的利用通过锚节点直接进行节点定位导致的自组网定位覆盖能力较差的问题，是一种实用的自组网节点定位方法。