题目：三维无线传感器网络容错定位方法研究

无线传感器网络是信息感知、采集及应用领域的一场革命，它在国家安全和国民经济等诸多方面都有广阔的应用前景。定位技术作为无线传感器网络的关键支撑技术之一，对其基于位置的应用和网络协议的研究都有重要的意义。当前，针对传感网定位技术的研究主要集中在二维平面，且未综合考虑多种参考信息误差或错误对节点定位的影响，算法的可用性和可靠性难以得到保证。为了实现参考信息非理想条件下传感器节点准确、可靠的三维定位，论文以容错定位为主要思想，通过对信标可信度评估、多跳距离修正、坐标优化计算、精度评估体系以及定位方法实用化等方面的研究，建立了一套较为系统的三维无线传感器网络容错定位体系。论文的研究工作主要包括五部分。(1) 针对复杂或恶劣环境中非可信信标节点对传感网定位的影响，提出一种基于可信评估的鲁棒定位方法。采用证据理论的思想，建立信任评估模型；根据节点间的多跳几何约束关系，实现信标节点之间相互信任度评估；未知节点利用均值法或增强型D-S法计算其多跳通讯信标的综合信任值，并采用加权泰勒展开最小二乘法估计出自身的位置坐标。不同网络条件下的仿真实验表明，新方法能有效抑制信标野值对传感网定位的干扰，增强系统的鲁棒性和安全性；在各向同性网络中，新方法对非可信信标节点的容忍度甚至能达到信标总数的40%。(2) 针对三维空间中多跳距离估计误差过大的问题，将神经网络技术应用到传感网多跳定位中，提出一种基于BP神经网络的多跳距离自适应修正方案。建立BP网络模型，用于挖掘传感网拓扑结构的几何特征，并基于信标节点间的几何约束信息提取样本对其进行训练；在节点多跳定位中，无需事先已知传感网的拓扑特性，可利用在线建立的BP网络模型对多跳距离进行自适应地调节和修正。仿真结果表明，新方法可有效减小多跳距离估计误差，提高传感网的定位精度；在节点稀疏部署的网络环境中，新方法具有更加明显的优势。(3) 为了提高传感器节点坐标估计的精度，提出一种结合距离估计偏差的坐标优化计算方法。定量分析了三维空间中多跳距离估计误差有偏分布的特性，将距离估计偏差引入到节点坐标优化计算过程中；通过求解约束立方体交集或伪交集确定未知节点位置的可行区域，并采用投影Levenberg-Marquardt法实现节点坐标的精确估计。各向同性和C型网络下的仿真实验表明，相对于传统的非线性最小二乘法，新方法能明显提高节点定位的精度，且对不规则网络拓扑的影响具有一定的抑制作用。(4) 为了解决信标位置存在误差条件下的三维无线传感器网络节点定位问题，提出一种基于正交回归的多跳定位方法。同时考虑到自变量误差和因变量偏差对节点坐标估计的影响，基于约束加权正交回归参数估计准则，建立可容忍信标位置误差的三维多跳定位模型，并给出求解节点坐标最优值的数值方法；基于参数估计Cramér-Rao界原理，推导出多源误差条件下节点坐标估计精度的评估标准3D-MCRB。仿真结果表明，新方法对信标位置误差和距离估计误差都有较好的抑制能力，在大多数实验条件下，都能将定位精度提高10%以上。(5) 针对多跳定位技术在实际应用中普遍存在网络拓扑自适应能力差、定位精度低、计算复杂度高等问题，提出一种轻量级的基于网格（二维）/网块（三维）扫描的多跳定位算法。新算法建立了多跳定位加权约束模型，并给出了参考信息权值指定规则；在根据约束方环交集确定节点位置可行区域的基础上，利用轻量级的网格/网块扫描方法求出定位模型目标函数的全局近似最优解；此外，未知节点还可以通过和邻居节点的协作进一步提高定位精度。在各向同性和各向异性网络环境下的仿真结果表明，新算法在定位精度和拓扑适应能力等方面优于现有的典型算法。上述研究解决了三维无线传感器网络定位技术从设计走向应用所面临的一些关键性问题，其研究成果对提高传感网规模化应用的“鲁棒性”、“可靠性”和“实用性”具有一定的指导意义和实用价值。