基于粒子群算法的水下無線傳感器網絡節點定位方法技術

本發明專利技術涉及一種基于粒子群算法的水下無線傳感器網絡節點定位方法，首先根據GPS定位系統確定部署在水面的錨節點的坐標，再確定待定位節點的三維坐標。待定位節點坐標確定如下：首先利用水深與壓強的關系求出節點的水深；然后將水下三維定位問題等效轉換為二維定位。待定位節點的二維坐標確定如下：普通節點收集各錨節點的位置與距離信息，保存在一張表List上，然后廣播給各錨節點；各錨節點根據表List獨立的運行粒子群算法，分別求得各自的最優粒子，并把結果發給待定位節點；待定位節點檢測錨節點所求的最優粒子，確定出節點的二維坐標。本發明專利技術可以顯著減少待定位節點的能量和計算消耗。

【技術實現步驟摘要】
基于粒子群算法的水下無線傳感器網絡節點定位方法
本專利技術屬于水下無線傳感器網絡，群體智能的
，主要涉及一種基于粒子群算法的水下無線傳感器網絡節點定位方法。
技術介紹
隨著人們對遼闊海洋探索的迫切渴望和沿海地區軍事防御、商業開發等需求的日益增加，以無線傳感器網絡為基礎的水下無線傳感器網絡(UnderwaterWirelessSensorNetworks，UWSN)引起了學術界和工業界的密切關注，它將在未來的水下監視預警系統中發揮重要的作用。水下無線傳感器網絡中，節點的位置信息是許多應用必不可少的一部分，例如在水生環境監測中，航道的監控等應用中，獲取的數據都必須與節點位置信息相關聯。由于全球定位系統（GlobalPositioningSystem，GPS）不能用于水下網絡定位，因此，水下節點設備精確定位成為了一個大的難點。無線傳感器網絡定位算法可以分為基于距離(range-based)與距離無關(range-free)的兩種定位算法。降維定位是一種針對水下三維傳感器網絡、降低計算復雜度的有效算法。它的基本思想是將稀疏布局的三維傳感器網絡的節點映射到平面上。在深度z可以通過壓強求得的條件下，該映射是一一映射，從而將三維定位等效轉換為二維定位。在二維定位中，可以利用粒子群優化算法來估算出節點的二維坐標。粒子群優化(particleswarmoptimization,簡稱PSO)算法是由Eberhart博士和Kennedy博士于1995提出來的一種新的群智能優化算法，與其他進化算法相比，其最吸引人的特征是簡單實現和更強的全局優化能力。自PSO算法提出之后，引起了眾多學者的極大關注,在短短幾年內形成了一個研究熱點并出現了大量的研究成果，大量實驗結果也表明了PSO算法確實是一種有力的優化工具。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于粒子群算法的水下無線傳感器網絡節點定位方法，在深度已知條件下，通過映射將三維定位等效轉換為二維定位，然后采用改進的粒子群算法來確定普通節點的二維坐標。本專利技術可以有效的節約普通節點的能量和提高定位速度。本專利技術涉及的一種基于粒子群的水下無線傳感器網絡節點定位方法，包括已知位置的錨節點和待定位節點，與現有技術不同的是，所述待定位節點的坐標位置的確定方法包括以下步驟：假設待定位節點為D，所述D的坐標為(x,y,z),其在水平面的投影為D′(x,y,0)，錨節點Ai（xi，yi，0）到待定位節點D的距離為Di,Di在海平面上的投影為di，步驟1.每個錨節點Ai測量其到待定位節點D的距離Di，然后將自身的坐標以及距離信息發送給待定位節點。步驟2.待定位節點利用水深與壓強的關系求得節點的深度坐標z，并將其保存到一張位置信息表List上。步驟3.待定位節點接收所有錨節點的位置信息，將位置信息保存到位置信息表List上，并求出每個Di在海平面上到投影di，保存到位置信息表List上。待定位節點將位置信息表List廣播給所有其他錨節點。步驟4.每個收到位置信息表List的錨節點，獨立的運行粒子群算法，求取待定位節點的二維坐標(x,y)。步驟5.每個錨節點的粒子群進化過程中的gbest，以一定概率P在種群之間遷移。步驟6.錨節點運行完粒子群算法后，將得到的最優粒子的坐標發送給待定位節點。步驟7.待定位節點在收到所有錨節點估算的最優粒子的坐標后，找出所有滿足F<A的粒子，根據F_Mean法計算出待定位節點的二維坐標(x,y)，然后在結合開始求得的深度坐標z，即可得到其坐標(x,y,z)。所述步驟1中的錨節點利用往返傳播時間（Roundtrip-Time-Of-Flight,RTOF）法測量其到待定位節點D的距離。所述位置信息表List包括普通節點的標識符；待定位節點的深度坐標z；每個錨節點的位置坐標及其與D的距離，利用位置信息表List可以把三維定位等效轉換為二維定位，錨節點利用這張表可以計算出待定位節點的坐標。所述步驟4包括用評價函數F來評估每個粒子的目標值，確定每個粒子的pbest以及全局最優值gbest，每個粒子記錄它所經過的位置中F值最小的位置，保存在自身的最優解pbest中，在所有粒子的最優解pbest中F值最小的那個作為全局最優解gbest。所述步驟4中，粒子群不斷更新每個粒子的位置和速度，進化出下一代粒子，然后再一次使用評價函數F進行評估，這樣不斷循環，直到最大的進化代數或者目標值函數F的值小于等于0.01為止，粒子群進化停止，輸出最后定位結果。步驟7所述評價函數F_Mean方法就是取所有評價函數F值小于闕值A（本專利技術根據實驗的結果確定其中A的取值范圍是[10,30]）的粒子坐標的平均值作為待定位節點的坐標，具體的公式如下：x=Σi=1NxgbestiNy=Σi=1NygbestiN]]>在這個公式中，N指的是所有錨節點在運行粒子群算法之后，其中評價函數F值小于A的節點的總個數。所述闕值A的取值范圍是[10,30]。所述評價函數F表示為:初始化完成后，本文使用一個F函數來評估每個粒子的目標值，本專利技術中的F函數如下：F(x,y)=Σi=1n(((x-xi)2+(y-yi)2)-di)]]>本專利技術的技術效果體現在：本專利技術把水下三維定位等效轉換為二維定位，減小了計算的復雜度；本專利技術在錨節點上分布式的實現復雜計算，一方面由于是錨節點進行運算，極大的提高了定位的速度，另一方面也節約了普通節點的能量消耗；本專利技術每個錨節點的粒子群進化過程中的gbest，以一定概率P在種群之間遷移，解決了局部最優化問題。附圖說明圖1是水下無線傳感器網絡的結構示意圖；圖2是水下三維空間中的節點映射到水平面的示意圖（將三維定位等效轉換為二維定位）；圖3是粒子群算法的流程圖；圖4是本專利技術定位算法的流程圖。圖中：1.衛星2.海平面3.浮標錨節點4.傳感器節點5.陸地基站。具體實施方式下面結合附圖及具體實施例對本專利技術做進一步詳細的說明。本專利技術針對稀疏布局的水下三維傳感器網絡，在水深已知的前提下，將三維定位技術等效映射為二維定位技術。對于平面定位，利用粒子群優化算法來計算二維坐標。參照圖1、圖2，它是基于水聲通信而建立起來的一種無線的自治網絡，由衛星1、布放在海底或海中的各類傳感器節點4、海平面2上的浮標錨節點3和陸地基站5等設施組成。水下傳感器節點4收集信息，在水下通過聲信道互相連接，將信息匯聚后再進一步與陸地基站5的控制中心連接。這樣，就建立起一種交互式的網絡環境，遠程陸地的用戶能夠實時地通過網絡存取、分析水下傳感器節點4的數據，反過來，又可以把控制信息傳遞給水下傳感器節點4。網絡中絕大多數的普通節點在網絡初始狀態沒有位置信息，我們的目標是估算出普通節點的位置信息。本專利技術的主要步驟詳細分解如下：1.初始化工作。錨節點利用GPS定位系統確定自己的位置，并用RTOF法測量其到待定位節點D的距離，然后廣播給待定位節點；普通節點計算深度z，并收集錨節點發送的位置信息集，保存到一張表List上。普通節點利用水深與壓強的關系來計算深度z，公式為P=ρgh，P為壓強，ρ表示液體的密度，g為重力加速度，h為測得壓強處離液面的垂直距離。在測量得到壓強信息的基礎上可以得到各普通節點的z坐標，即水深本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于粒子群算法的水下無線傳感器網絡節點定位方法，節點包括已知位置的錨節點和待定位節點，其特征在于，所述待定位節點位置的確定包括以下步驟：假設待定位節點為D，所述D?的坐標為(x,y,z),其在水平面的投影為D′(x,y,0)，錨節點Ai（xi，yi，0）到待定位節點D?的距離為Di,Di?在海平面上的投影為di，步驟1.?每個錨節點Ai?測量其到待定位節點D?的距離Di，然后將自身的坐標以及距離信息發送給待定位節點；步驟2.?待定位節點利用水深與壓強的關系求得節點的深度坐標z，并將其保存到一張位置信息表List?上；步驟3.?待定位節點接收所有錨節點的位置信息，將其保存到表List?上，并求出每個Di在海平面上到投影di，保存到位置信息表List?上；待定位節點將位置信息表List?廣播給所有其他錨節點；步驟4.?每個收到位置信息表List?的錨節點，獨立的運行粒子群算法，求取待定位節點的二維坐標(x,y)；步驟5.?每個錨節點的粒子群進化過程中的gbest，以一定概率P?在種群之間遷移；步驟6.?錨節點運行完粒子群算法后，將得到的最優粒子的坐標發送給待定位節點；步驟7.?待定位節點在收到所有錨節點估算的最優粒子的坐標后，找出所有滿足F...

【技術特征摘要】
1.一種基于粒子群算法的水下無線傳感器網絡節點定位方法，節點包括已知位置的錨節點和待定位節點，所述待定位節點位置的確定包括以下步驟：假設待定位節點為D，所述D的坐標為(x,y,z),其在水平面的投影為D′(x,y,0)，錨節點Ai(xi，yi，0)到待定位節點D的距離為Di,Di在海平面上的投影為di，步驟1.每個錨節點Ai測量其到待定位節點D的距離Di，然后將自身的坐標以及距離信息發送給待定位節點；步驟2.待定位節點利用水深與壓強的關系求得節點的深度坐標z，并將其保存到一張位置信息表List上；步驟3.待定位節點接收所有錨節點的位置信息，將其保存到表List上，并求出每個Di在海平面上到投影di，保存到位置信息表List上；待定位節點將位置信息表List廣播給所有其他錨節點；步驟4.每個收到位置信息表List的錨節點，獨立的運行粒子群算法，求取待定位節點的二維坐標(x,y)；步驟5.每個錨節點的粒子群進化過程中的粒子群中所有粒子的全局最優解gbest，以一定概率P在種群之間遷移；步驟6.錨節點運行完粒子群算法后，將得到的最優粒子的坐標發送給待定位節點；步驟7.待定位節點在收到所有錨節點估算的最優粒子的坐標后，找出所有滿足F<A的粒子，根據F_Mean法計算出待定位節點的二維坐標(x,y)，然后再結合開始求得的深度坐標z，即可...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何倩，錢文標，王勇，柴華昕，董慶賀，周晴倫，陶曉玲，楊指揮，
申請(專利權)人：桂林電子科技大學，
類型：發明
國別省市：