專利名稱：一種基于傳播時(shí)間的無(wú)線成像被動(dòng)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于傳播時(shí)間的無(wú)線成像被動(dòng)定位方法，該方法可在無(wú)需目標(biāo)攜帶無(wú)線設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的被動(dòng)定位跟蹤。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信技術(shù)與普適計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，WLAN、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)、3G通信網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋到我們生活的每個(gè)角落。由于電波的固有特性，當(dāng)有目標(biāo)對(duì) 某條無(wú)線鏈路造成遮蔽時(shí)，該條鏈路的無(wú)線信號(hào)特征信息勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化?；诖耍?dāng)有多條無(wú)線鏈路同時(shí)存在時(shí)，借助各無(wú)線鏈路的信號(hào)特征信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)目標(biāo)的定位跟蹤。基于無(wú)線成像實(shí)現(xiàn)被動(dòng)無(wú)線定位跟蹤的思路最早由Wilson和Patwari提出?！白髡逬. Wilson and N. Patwari,論文名Radio tomographic imaging with wirelessnetworks,期刊IEEE Transactions on Mobile Computing,年份2010,第 5 期，第 621頁(yè)至632頁(yè)”。他們提出一種借助于無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)在某一固定頻率和功率下進(jìn)行無(wú)線掃描，測(cè)量各條鏈路的接收信號(hào)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)位置估計(jì)的方法。雖然接收信號(hào)強(qiáng)度較容易獲取，但是，接收信號(hào)強(qiáng)度為敏感信號(hào)，容易受到諸如溫度、濕度、天線方向、風(fēng)等外界環(huán)境因素的影響，使得基于接收信號(hào)強(qiáng)度信息的無(wú)線成像被動(dòng)定位技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下無(wú)法獲得較好的效果。同時(shí)，接收信號(hào)強(qiáng)度信息在不同的條件下表現(xiàn)出不同的特征，如在目標(biāo)靜止和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，Wilson發(fā)現(xiàn)其變化特征并不完全一致。“作者J. Wilson and N. Patwari,論文名See through walls: Motion tracking using variance-based radio tomographynetworks,期干丨J :IEEE Transactions on Mobile Computing,年份2011,第 5 期,第 612頁(yè)至621頁(yè)”。為了改善基于接收信號(hào)強(qiáng)度信息的無(wú)線成像被動(dòng)定位技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下的性能，Zhao提出一種信號(hào)預(yù)處理措施，“作者Y. Zhao and N. Patwari,論文名Noisereduction for variance-based device-free localization and tracking, 會(huì)議Proc. 8th IEEE Communication Society Conference on Sensor, Mesh and Ad HocCommunication And Networking,年份2011,第179頁(yè)至187頁(yè)”，他們提出利用子空間分解的方法來(lái)消除由于風(fēng)的吹動(dòng)等環(huán)境參數(shù)的影響，有效地提高了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的性倉(cāng)泛。與上述方法相比，基于傳播時(shí)間的無(wú)線成像被動(dòng)定位方法從本質(zhì)上克服了基于接收信號(hào)強(qiáng)度信息方法的不足，它采用傳播時(shí)間作為觀測(cè)信息，傳播時(shí)間具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)溫度、濕度、天線方向等參數(shù)不敏感，在目標(biāo)靜止及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下當(dāng)無(wú)線鏈路被目標(biāo)所遮蔽時(shí)傳播時(shí)間均表現(xiàn)出測(cè)量信息正偏的特性，上述優(yōu)點(diǎn)決定了基于傳播時(shí)間的無(wú)線成像被動(dòng)定位方法在復(fù)雜環(huán)境下可以獲得比傳統(tǒng)的基于接收信號(hào)強(qiáng)度信息的無(wú)線成像被動(dòng)定位方法更好的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提高復(fù)雜環(huán)境下無(wú)線成像被動(dòng)定位跟蹤技術(shù)的性能，通過(guò)將傳播時(shí)間作為鏈路測(cè)量信息，在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置的被動(dòng)估計(jì)。其特征為通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的電波傳播時(shí)間測(cè)量獲取無(wú)線鏈路的特征信息，進(jìn)而基于傳播時(shí)間的變化信息實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的定位跟蹤。本發(fā)明的技術(shù)方案該系統(tǒng)主要有具有傳播時(shí)間測(cè)量能力的無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)、無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)、通用PC機(jī)組成，在通用PC機(jī)上完成位置估計(jì)。 具有傳播時(shí)間測(cè)量能力的無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的傳播時(shí)間測(cè)量；可通過(guò)無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)任意兩節(jié)點(diǎn)之間電波傳播時(shí)間的測(cè)量，具有寬帶全向天線。無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)工作流程，并將采集到的傳播時(shí)間信息發(fā)送至PC機(jī)；可與無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，具有寬帶全向天線，具有與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB接口或者UART接口。通用PC機(jī)常規(guī)PC機(jī)，主頻IGHz以上，內(nèi)存256M以上，具有與無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB接口或者UART接口。在通用PC機(jī)上完成位置估計(jì)根據(jù)傳播時(shí)間信息對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)；以無(wú)線鏈路傳播時(shí)間信息作為輸入信息，輸出估計(jì)的目標(biāo)位置。本發(fā)明的有益效果在于可以基于無(wú)線鏈路電波傳播時(shí)間信息，在復(fù)雜環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的被動(dòng)估計(jì)。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中1具有傳播時(shí)間測(cè)量能力的無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)；2無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)；3通用PC機(jī)；4位置估計(jì)算法。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于具體實(shí)施例。實(shí)施例基于NanoLoc公司NAT5TR1芯片的具有傳播時(shí)間測(cè)量能力的無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)I在2. 4GHz頻段可以通過(guò)對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距的方式實(shí)現(xiàn)任意兩節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)間測(cè)量，通信帶寬80M，采用鳥聲擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)較為精確的傳播時(shí)間測(cè)量，8個(gè)具有傳播時(shí)間測(cè)量能力的無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)I放置在8mX8m矩形區(qū)域的四邊，每邊間隔4m放置一個(gè)具有傳播時(shí)間測(cè)量能力的無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)1，區(qū)域內(nèi)有混凝土柱子等障礙物，環(huán)境較為復(fù)雜。基于NanoLoc公司NAT5TR1芯片的無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)2收集各鏈路的傳播時(shí)間測(cè)量信息，并將各鏈路的傳播時(shí)間測(cè)量信息送至通用PC機(jī)3 ;基于粒子濾波的位置估計(jì)算法4以傳播時(shí)間測(cè)量信息作為輸入，基于隨機(jī)游動(dòng)模型進(jìn)行粒子位置預(yù)測(cè)，基于上述傳播時(shí)間測(cè)量信息以及指數(shù)模型進(jìn)行粒子權(quán)值的計(jì)算，最后，將加權(quán)粒子作為目標(biāo)位置的概率密度分布，將粒子加權(quán)質(zhì)心作為目標(biāo)的估計(jì)位置輸出至通用PC機(jī)3屏幕。測(cè)試表明該 復(fù)雜環(huán)境下基于傳播時(shí)間的無(wú)線成像被動(dòng)定位方法平均位置估計(jì)誤差為I. 24m，而基于接收信號(hào)強(qiáng)度信息的無(wú)線成像被動(dòng)定位方法平均位置估計(jì)誤差為I. 6m。
權(quán)利要求
1.ー種基于傳播時(shí)間的無(wú)線成像被動(dòng)定位方法，該系統(tǒng)主要有具有傳播時(shí)間測(cè)量能力的無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)，無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)，通用PC機(jī)，在通用PC機(jī)上完成位置估計(jì)；其特征在于具有傳播時(shí)間測(cè)量能力的無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的傳播時(shí)間測(cè)量；可通過(guò)無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)任意兩節(jié)點(diǎn)之間電波傳播時(shí)間的測(cè)量，具有寬帶全向天線； 無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)工作流程，并將采集到的傳播時(shí)間信息發(fā)送至PC機(jī)；可與無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，具有寬帶全向天線，具有與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB接ロ或者UART接ロ ； 通用PC機(jī)常規(guī)PC機(jī)，主頻IGHz以上，內(nèi)存256M以上，具有與無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB接ロ或者UART接ロ ； 在通用PC機(jī)上進(jìn)行位置估計(jì)根據(jù)傳播時(shí)間信息對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)；以無(wú)線鏈路傳播時(shí)間信息作為輸入信息，輸出估計(jì)的目標(biāo)位置。
全文摘要
本發(fā)明屬于無(wú)線通信及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于傳播時(shí)間的無(wú)線成像被動(dòng)定位方法，其特征為通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的電波傳播時(shí)間測(cè)量獲取無(wú)線鏈路的特征信息，進(jìn)而基于傳播時(shí)間的變化信息實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的定位跟蹤。系統(tǒng)由具有傳播時(shí)間測(cè)量能力的無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)、無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)、通用PC機(jī)、位置估計(jì)算法組成。無(wú)線掃描節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的傳播時(shí)間測(cè)量；無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)工作流程，并將采集到的傳播時(shí)間信息發(fā)送至PC機(jī)；PC機(jī)上的位置估計(jì)算法根據(jù)傳播時(shí)間信息對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)。本發(fā)明可在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無(wú)需目標(biāo)攜帶任何無(wú)線設(shè)備的被動(dòng)無(wú)線定位跟蹤。
文檔編號(hào)H04W64/00GK102821462SQ20121023966
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者王潔, 高慶華, 王洪玉, 吳立飛, 孫立奎 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)