基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102291672 A (43)申请公布日 2011.12.21 CN 102291672 A *CN102291672A* (21)申请号 201110191816.3 (22)申请日 2011.07.08 H04W 4/02(2009.01) H04W 64/00(2009.01) H04W 84/18(2009.01) H04B 17/00(2006.01) (71)申请人 中国人民解放军第三军医大学第三 附属医院 地址 400042 重庆市渝中区大坪长江支路 10 号 (72)发明人 吴宝明 高丹丹 王圣超 闫庆广 冯正权 (74)专利代理机构 北京海虹嘉诚知。

2、识产权代理 有限公司 11129 代理人 谢殿武 (54) 发明名称 基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位 方法 (57) 摘要 本发明涉及无线传感器网络技术领域， 公开 了一种基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定 位方法， 包括如下步骤 ： 1) 战场上的士兵和救护 人员均随身携带传感器， 将各节点分别标记唯一 的 ID， 并以自组织方式组成无线传感器网络 ； 2) 节点之间实时发送自身数据信息和接收邻居节点 的RSSI数据 ； 3)救护人员节点终端接收士兵节点 RSSI 数据， 并判断和汇总接收信号的存在信息， 生成无线传感器网络节点连通关系图 ； 4) 救护人 员节点汇总 RSSI 数。

3、据， 计算各节点的相对坐标 ； 5)当有伤员呼救时， 救护人员根据其ID确定无线 传感器网络中伤员的位置。本发明的方法能对战 场伤员位置进行准确定位， 不借助 GPS， 也不使用 锚点， 适于战场实现。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 CN 102291689 A1/1 页 2 1. 基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法， 其特征在于 ： 包括如下步骤 ： 1) 战场上的士兵和救护人员均随身携带传感器， 将各节点分别标记唯一的 ID， 并以自 组织方式组成无线传感器网络 ； 2) 节点之。

4、间实时发送自身数据信息和接收邻居节点的 RSSI 数据 ； 3) 救护人员节点终端接收士兵节点 RSSI 数据， 并判断和汇总接收信号的存在信息， 生 成无线传感器网络节点连通关系图 ； 4) 救护人员节点汇总网络节点 RSSI 数据， 计算各节点的相对坐标 ； 5) 当有伤员呼救时， 救护人员根据其 ID 确定无线传感器网络中伤员的位置， 并予以施 救。 2. 如权利要求 1 所述的基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法， 其特征在 于 ： 步骤 4) 中， 计算各节点之间的距离， 然后计算各节点的相对坐标的具体步骤如下 ： 41) 将各士兵节点所围图形的质心平移到坐标原点 ； 42) 。

5、计算任意两个节点之间的测量距离 d ij与节点两跳内最短路径距离 uij， 得到最 短路径矩阵 U ； 43) 将最短路径矩阵 U 中各元素 uij平方得到矩阵 U2； 44) 将矩阵 U2双中心化得矩阵 B ； 45) 奇异值分解矩阵 B， 得到相对坐标矩阵 X ； 46) 提取最大的两个特征值所对应的特征向量， 该特征向量所构成的矩阵即为士兵节 点的二维相对坐标矩阵 X2。 3. 如权利要求 2 所述的基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法， 其特征在 于 ： 步骤 42) 中， 通过下式计算每一节点对的两个节点之间的测量距离 ： 其中 Pr(d) 单位为 dBm， 表示距离发射点 d。

6、 处士兵节点接收到数据信号强度 ； Pt表示该 士兵节点发射信息的功率 ； PL(d0) 表示士兵节点收到在参考距离 d0处发送数据信号的强 度 ； 表示路径衰减因子 ； X表示均值为 0， 方差为 2的高斯随机变量。 4. 如权利要求 3 所述的基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法， 其特征在 于 ： 步骤 42) 中， 通过下式计算节点两跳内最短路径距离 uij： uij min(d ik+dkj) uij表示节点 i、 j 之间的最小路径距离。d ik表示 i、 k 之间的测量距离 ； dkj表示 k、 j 之间的测量距离。 5. 如权利要求 4 所述的基于无线传感器网络的无锚点战。

7、场伤员定位方法， 其特征在 于 ： 步骤 44) 中采用如下方法将矩阵 U2双中心化得 B， 令 J E-1/nI， E 为单位矩阵， I 为 1 矩阵， 在最小二乘法原则下， 通过下式获得矩阵 B ： 权 利 要 求 书 CN 102291672 A CN 102291689 A1/4 页 3 基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法 技术领域 0001 本发明涉及无线传感器网络技术领域， 特别涉及一种无线传感器网络的无锚点定 位方法。 背景技术 0002 现代战争是高技术条件的激烈军事对抗， 导致大批量伤员的产生， 伤情复杂、 严 重。在野战中能否实现伤员的快速定位， 已成为伤员快速施救。

8、的关键。目前 GPS( 全球定 位系统 ) 已被应用于战场伤员的搜救， 但基于卫星的全球导航系统， 容易受到轨道误差、 电 离层误差、 对流层误差、 多径误差、 天线相位中心变化等多种因素的影响， 同时作为一种 “公 开” 导航系统， 其接收信号容易受敌方阻塞式干扰和欺骗性控制， 从而使其定位精度降低或 产生误导。因此， 十分有必要发展新型的非卫星依赖的伤员定位方法。 0003 无线传感器网络定位是近年来出现的一种新的定位技术， 已成功应用于矿井矿 工、 病房患者位置定位， 但传统的无线传感器定位技术往往需要锚点， 这在战场环境往往无 法实现。 0004 公开号为 CN1988550A 的中国。

9、发明专利公开说明书中公开了一种用于无线传感器 网络的无锚点分布式节点定位方法， 但该方法需要从全网最小 ID 编号的节点出发， 这对于 战场环境下士兵节点随机分配并不适应。该方法中虚拟锚点逐渐增广到全网内所有节点， 增加了遍历时间， 不适合快速反应的部队作战。另外该算法仅限于定位区域较小和士兵节 点较多的情况， 有一定的局限性。 发明内容 0005 本发明的目的是， 提供一种基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法， 能 对战场伤员位置进行准确定位， 不借助 GPS， 也不使用锚点， 适于战场实现。 0006 本发明的目的是这样实现的 ： 0007 基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法。

10、， 包括如下步骤 ： 0008 1) 战场上的士兵和救护人员均随身携带传感器， 将各节点分别标记唯一的 ID， 并 以自组织方式组成无线传感器网络 ； 0009 2) 节点之间实时发送自身数据信息和接收邻居节点的 RSSI 数据 ； 0010 3) 救护人员节点终端接收士兵节点 RSSI 数据， 并判断和汇总接收信号的存在信 息， 生成无线传感器网络节点连通关系图 ； 0011 4) 救护人员节点汇总 RSSI 数据， 计算各节点的相对坐标 ； 0012 5) 当有伤员呼救时， 救护人员根据其 ID 确定无线传感器网络中伤员的位置。 0013 进一步， 步骤 42) 中， 通过下式计算每一节点。

11、对的两个节点之间的测量距离 ： 0014 说 明 书 CN 102291672 A CN 102291689 A2/4 页 4 0015 其中 Pr(d) 单位为 dBm， 表示距离发射点 d 处士兵节点接收到数据信号强度 ； Pt表 示该士兵节点发射信息的功率 ； PL(d0)表示士兵节点收到在参考距离d0处发送数据信号的 强度 ； 表示路径衰减因子 ； X表示均值为 0， 方差为 2的高斯随机变量。 0016 进一步， 步骤 42) 中， 通过下式计算节点两跳内最短路径距离 uij： 0017 0018 uij表示节点 i、 j 之间的最小路径距离。d ik表示 i、 k 之间的测量距离 。

12、； dkj表 示 k、 j 之间的测量距离。 0019 进一步， 步骤 44) 中采用如下方法将矩阵 U2双中心化得 B， 令E 为单 位矩阵， I 为 1 矩阵， 在最小二乘法原则下， 通过下式获得矩阵 B ： 0020 0021 本发明通过无线传感器网络实现战场伤员定位， 不受轨道误差、 电离层误差、 对流 层误差、 多径误差、 天线相位中心变化等因素的影响 ； 无需锚点， 适合于战场实现， 定位准 确， 误差较小。 附图说明 0022 图 1 示出了本发明基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法的流程示意 图 ； 0023 图 2 示出了仿真试验中， 某次随机均匀分布的定位图 ； 其中。

13、 ： 0024 图 2(a) 示出了士兵节点分布图 ； 图 2(b) 示出了士兵节点连通关系图 ； 0025 图 2(c) 示出了士兵节点相对坐标图 ； 图 2(d) 示出了定位误差图 ； 0026 图 3 示出了仿真试验中， 某次随机网格分布的定位图 ； 其中 ： 0027 图 3(a) 示出了士兵节点分布图 ； 图 3(b) 示出了士兵节点连通关系图 ； 0028 图 3(c) 示出了士兵节点相对坐标图 ； 图 3(d) 示出了定位误差图 0029 图 4 示出了伤员搜救过程示意图 ； 0030 图 5 示出了士兵节点密度与平均定位误差关系示意图。 具体实施方式 0031 如图 1 所示，。

14、 本实施例的基于无线传感器网络的无锚点战场伤员定位方法， 包括 如下步骤 ： 0032 1) 战场上的士兵和救护人员均随身携带传感器， 将各节点分别标记唯一的 ID， 并 以自组织方式组成无线传感器网络 ； 0033 2) 节点之间实时发送自身数据信息和接收邻居节点的 RSSI 数据 ； 0034 3) 救护人员节点终端接收士兵节点 RSSI 数据， 并判断和汇总接收信号的存在信 息， 生成无线传感器网络节点连通关系图 ； 0035 4) 救护人员节点汇总 RSSI 数据， 计算各节点的相对坐标 ； 0036 计算各节点的相对坐标的具体步骤如下 ： 0037 41) 将各士兵节点所围图形的质心。

15、平移到坐标原点 ； 说 明 书 CN 102291672 A CN 102291689 A3/4 页 5 0038 42) 计算各节点对之间的测量距离 d ij与节点两跳内最短路径距离 uij， 得到最 短路径矩阵 U ； 各节点的测量距离通过下式计算 ： 0039 0040 其中 Pr(d) 单位为 dBm， 表示距离发射点 d 处士兵节点接收到数据信号强度 ； Pt表 示该士兵节点发射信息的功率 ； PL(d0)表示士兵节点收到在参考距离d0处发送数据信号的 强度 ； 表示路径衰减因子 ； X表示均值为 0， 方差为 2的高斯随机变量。 0041 通过下式计算节点两跳内最短路径距离 uij。

16、： 0042 0043 uij表示节点 i、 j 之间的最小路径距离。d ik表示 i、 k 之间的测量距离 ； dkj表 示 k、 j 之间的测量距离。 0044 43) 将最短路径矩阵 U 中各元素 uij平方得到矩阵 U2； 0045 44)当网络的几何结构符合已知的相异性信息时， 令E为单位矩阵， I 为 1 矩阵。在最小二乘法原则下， 将矩阵 U2双中心化得到矩阵 B ： 0046 0047 45)由线性代数知识知B是实对称方阵， 必然存在正交矩阵和对 角矩阵使得 0048 0049 对矩阵 B 奇异值分解， 得到 V、 A 和相对坐标矩阵 X。 0050 0051 46) 提取最大。

17、的两个特征值所对应的特征向量， 这两个特征向量所构成的矩阵即 为士兵节点的二维相对坐标矩阵 X2。 0052 5) 当有伤员呼救时， 救护人员根据其 ID 确定无线传感器网络中伤员的位置。 0053 仿真与性能分析 0054 在实验过程中， 由于存在反转、 平移和偏转等因素， 节点的相对坐标必然存在定位 误差。定义定位误差为计算位置到真实位置的欧式距离与通信半径的比值。平均定位误差 如式 6 所示， 其中 (x， y) 表示真实位置，表示计算位置，为计算位置到真 实位置的欧式距离， m 为士兵节点个数， r 为士兵节点之间通信半径。本文选择在绝对坐标 下比较相对定位误差。 0055 0056 。

18、设定仿真区域为 200200 的矩形， 分别按照随机均匀分布、 随机网格分布部署节 点。设定节点密度 25， 通信半径 200。图 2 为某次随机均匀分布的定位图， 士兵节点分布在 定位区域的概率相等如图2(a)所示， 士兵节点连通图如图2(b)所示， 士兵的相对坐标图如 说 明 书 CN 102291672 A CN 102291689 A4/4 页 6 图 2(c) 所示。定位误差图如图 2(d) 所示，“” 为定位位置，为士兵节点定位位置与实 际位置的连线。此时网络的平均连通度为 21.56， 网络节点定位误差为 0.156。图 3 为某次 随机网格分布的定位图， 士兵节点按照一定的网格。

19、宽度分布在整个定位区域内， 节点之间 呈正方形网络状分布。此时网络的平均连通度为 22.32， 网络节点的定位误差为 0.126。 0057 伤员搜救过程如图 4 所示， 从图 2 中随机提取节点 1 和节点 2， 选取节点 1 作为卫 生员， 用 “” 表示 ； 节点 2 作为某伤员， 用 “” 表示 ； 质心点用 “*” 表示。t0、 t1、 t2表示在 搜救过程中的三个时刻。某士兵受伤报警 t0时， 卫生员与伤员之间的距离为 116.54， 卫生 员为顶点， 节点 2 与质心点之间的夹角 为 37.96， 卫生员沿 方向前往伤员地点。由 于该无线传感器网络是一个动态的网络， 在行进过程中。

20、， 网络质心和相对坐标系不断的变 化。在 t1、 t2时刻， 夹角 变化为 104.85、 101.36， 节点 1 与节点 2 的距离 为 67.22、 26.97。实验表明， 无论夹角 怎样变化， 节点 1 和节点 2 之间的绝对距离都是在 减小， 只要卫生员沿距离减小的方向行进， 就可以到达伤员地点。 0058 为了进一步研究接点分布对定位的影响， 在仿真过程中， 设未知士兵节点密度设 置为 9、 16、 25、 36， 通信半径设为 200， 士兵节点密度与平均定位误差如图 5 所示。由图 5 可 以看出， 当未知节点密度增大时， 无论是随机均匀分布节点还是随机网格分布节点， 两种算 。

21、法的平均定位误差都随之减小， 随机均匀分布的平均定位误差从 24下降到 10.9， 随机 网格分布从 22.1下降到 10.3。由于无线传感器节点间的通信采用无线传输信道， 随机 均匀分布节点的无线传输信道更容易受到环境的影响和干扰， 数据传输的可靠性较差， 所 以随机网格分布定位精度仍然明显高于随机均匀分布。 实验表明， 随未知节点密度增大， 网 络中节点的连通度逐渐增大， 当未知节点密度达到 300 时， 两者之间平均定位误差差距接 近 0。但是在定位区域内节点部署过于密集， 消息会产生拥塞。 0059 上述实验表明， 在随机均匀分布和随机网格分布中， 该方法均能够有效的实现定 位 ； 在。

22、相同环境下， 随机网格分布的定位效果相对更好 ； 卫生员沿距离减小的方向行进， 能 够到达伤员位置。 0060 应当指出， 以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明 创造， 但不以任何方式限制本发明创造。 因此， 尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创 造已进行了详细的说明， 但是， 本领域技术人员应当理解， 仍然可以对本发明创造进行修改 或者等同替换， 总之， 一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进， 其均应涵 盖在本发明创造专利的保护范围当中。 说 明 书 CN 102291672 A CN 102291689 A1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102291672 A CN 102291689 A2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102291672 A CN 102291689 A3/3 页 9 图 5 说 明 书 附 图 CN 102291672 A 。