一種基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，包括如下步驟：步驟1：劃分正方形的目標(biāo)區(qū)域，得到N×N個正方形的單位分區(qū)；步驟2：計算飛行器在目標(biāo)區(qū)域中的搜索曲線；步驟3：將距離飛行器最近的一個單位分區(qū)的中心作為起點，飛行器沿搜索曲線順序搜索目標(biāo)區(qū)域中的單位分區(qū)，對單位分區(qū)中每個目標(biāo)無線設(shè)備進行定位。本發(fā)明在飛行過程中能檢測到所有目標(biāo)無線設(shè)備，提供任何一點的細粒度的地圖，提高了定位精度。同時，通過基于區(qū)域劃分的飛行路線算法，充分利用接收信號的定向性，控制飛行器直接向著目標(biāo)方向飛去，較現(xiàn)有的warflying方法而言，本發(fā)明無需按照預(yù)定的空間填充曲線遍歷掃描目標(biāo)區(qū)域，減少了總飛行距離，降低了飛行器的功耗。
【專利說明】一種基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)、無線通信、導(dǎo)航等【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，網(wǎng)絡(luò)取證和災(zāi)難救援等應(yīng)用的關(guān)鍵在于，需要快速地和準確地對目標(biāo)區(qū)域中無線通信設(shè)備定位。為此，研究人員提出了 warwalking或wardriving,它們是一類通過行人或車輛在檢測區(qū)域巡游并使用無線設(shè)備檢測周圍無線網(wǎng)絡(luò)的方法。有研究者(A.P.Subramanian, P.Deshpande, J.Gao, and S.R.Das.Drive-by localizat1n ofroadside wifi networks [C] //in Proceedings of INF0C0M.Phoenix, AZ:1EEE, 2008)米用電子的可控波束定向天線，進行warwalking并收集RSS與AoA信息,在不同的位置進行多次測量，并繪制箭頭指向AP(無線訪問接入點)的方向，因此，所有的箭頭指向的位置即為AP所在位置；還有使用從RSS信息中推斷得出梯度信息確定AP的位置，AP的方向是沿著RSS值增加最快的方向，使用箭頭標(biāo)注此方向，所有的箭頭指向的位置即為AP所在位置。然而，由于汽車和人很難到達特定地方如建筑物的屋頂?shù)?，而在真實?zāi)難救援場景中這些特殊地方是不可避免的。事實上，我們從地震后的建筑物廢墟中搜索和救援幸存者，是通過定位他們身上攜帶的智能手機來實現(xiàn)對人定位。
[0003]由于warwalking或wardriving的這些局限性，研究人員開始探索基于飛行器的定位方法warflying，該方法通過飛行器飛到開放空間的任意點，檢測并產(chǎn)生細粒度的無線設(shè)備地理位置圖。例如，WASP是一個進行warflyng的微型飛行器,在定位時，它需要保持一個相對較高的速度，這限制了它的監(jiān)測能力；HAWK(Zhongli Liu，YinjieChen, Benyuan Liu, et al.HAWK:An Unmanned Mini Helicopter-based Aerial Wireless Kitfor Localizat1n[C]//in Proceedings of INF0C0M.0rlando, USA:1EEE, 2012:2219-2227)利用空間填充曲線作為搜索路徑，根據(jù)飛行速度、目標(biāo)數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔以及無線傳輸范圍確定搜索路徑的級別，以保證搜索區(qū)域中所有的目標(biāo)無線設(shè)備均被檢測到。然而，現(xiàn)有的warflying方法通常要求飛行器沿著預(yù)先設(shè)定的空間填充曲線作為飛行路徑遍歷掃描目標(biāo)區(qū)域，缺乏靈活性且飛行路線較長，因此，造成定位時間與能耗較大，大大制約了其實際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提出一種空中無線檢測和定位方法(簡稱GuideLoc)，該方法要解決以下兩個技術(shù)問題:一是確保在飛行過程中能檢測到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有的目標(biāo)無線設(shè)備，提供任何一點位置的細粒度的地圖；二是設(shè)計最短的飛行路線，完成定位過程，減少搜索時間并節(jié)省飛行器的功耗。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案:
[0006]一種基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，包括如下步驟:[0007]步驟1:劃分正方形的目標(biāo)區(qū)域，得到NXN個正方形的單位分區(qū)；
[0008]步驟2:計算飛行器在目標(biāo)區(qū)域中的搜索曲線；
[0009]步驟3:將距離飛行器最近的一個單位分區(qū)的中心作為起點，飛行器沿搜索曲線順序搜索目標(biāo)區(qū)域中的單位分區(qū)，對單位分區(qū)中每個目標(biāo)無線設(shè)備進行定位。
[0010]進一步的，所述步驟I具體為:將正方形的目標(biāo)區(qū)域劃分為NXN個單位分區(qū)，并得到每個單位分區(qū)的中心位置；N滿足以下公式:
[0011]
【權(quán)利要求】
1.一種基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:劃分正方形的目標(biāo)區(qū)域，得到NXN個正方形的單位分區(qū)； 步驟2:計算飛行器在目標(biāo)區(qū)域中的搜索曲線； 步驟3:將距離飛行器最近的一個單位分區(qū)的中心作為起點，飛行器沿搜索曲線順序搜索目標(biāo)區(qū)域中的單位分區(qū)，對單位分區(qū)中每個目標(biāo)無線設(shè)備進行定位。
2.如權(quán)利要求1所述的基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，其特征在于，所述步驟I具體為:將正方形的目標(biāo)區(qū)域劃分為NXN個單位分區(qū)，并得到每個單位分區(qū)的中心位置；N滿足以下公式:
3.如權(quán)利要求1所述的基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，其特征在于，所述步驟2具體包括如下步驟:把每個單位分區(qū)的中心點作為圖G的頂點，各個頂點之間的距離是權(quán)值ω，得到給定的連通加權(quán)無向圖(G，ω)，采用遺傳算法尋找連通加權(quán)無向圖(G，ω)中一條總路程最短的Hamilton圈作為搜索曲線。
4.如權(quán)利要求1所述的基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，其特征在于，所述步驟3具體包括如下子步驟: 步驟3.1:飛行器飛到距離其最近的一個單位分區(qū)的中心，開始實時接收無線信號； 步驟3.2:飛行器根據(jù)檢測的目標(biāo)無線設(shè)備的無線信號，提取信號強度信息，并計算目標(biāo)無線設(shè)備的角度信息； 步驟3.3:確定當(dāng)前的單位分區(qū)中的目標(biāo)無線設(shè)備； 步驟3.4:計算飛行器在當(dāng)前的單位分區(qū)的飛行曲線； 步驟3.5:飛行器沿當(dāng)前的單位分區(qū)的飛行曲線，定位其中的每個目標(biāo)無線設(shè)備。
5.如權(quán)利要求4所述的基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，其特征在于，所述步驟3.2的具體步驟如下: 飛行器到達單位分區(qū)的中心時，如果其通信范圍內(nèi)不存在任何目標(biāo)，則判斷是否已經(jīng)完成所有單位分區(qū)的檢測，是則結(jié)束定位過程，否則飛行器沿搜索曲線飛到下一個單位分區(qū)的中心，返回到步驟3.2 ;如果其通信范圍內(nèi)存在目標(biāo)無線設(shè)備，則獲取所有目標(biāo)無線設(shè)備的角度信息和信號強度信息:通過安裝在飛行器上的無線嗅探器檢測目標(biāo)無線設(shè)備的無線信號，從中提取信號強度信息，再利用不同方向的定向天線接收目標(biāo)無線設(shè)備發(fā)送的無線信號，不同方向的信號強度不同，其中信號強度最強的方向就是目標(biāo)所在的方向，計算目標(biāo)無線設(shè)備的角度信息。
6.如權(quán)利要求4所述的基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，其特征在于，所述步驟3.3確定當(dāng)前的單位分區(qū)中的目標(biāo)無線設(shè)備的具體操作如下: 根據(jù)對數(shù)正態(tài)陰影路徑損耗模型，利用步驟3.2得到的目標(biāo)無線設(shè)備的RSS值計算每個目標(biāo)無線設(shè)備與當(dāng)前單位分區(qū)中心的距離；如果該距離大于閾值λ，則認為目標(biāo)無線設(shè)備不屬于當(dāng)前的單位分區(qū)；如果該距離小于或等于閾值λ，則認為目標(biāo)無線設(shè)備屬于當(dāng)前的單位分區(qū)；其中，閾值λ利用下式計算:
7.如權(quán)利要求4所述的基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，其特征在于，所述步驟3.4具體包括如下步驟: 如果當(dāng)前的單位分區(qū)內(nèi)沒有任何目標(biāo)無線設(shè)備，則判斷是否已經(jīng)完成所有單位分區(qū)的檢測，是則結(jié)束定位過程，否則沿步驟2得到的搜索曲線飛到下一個單位分區(qū)的中心繼續(xù)檢測，跳轉(zhuǎn)到步驟3.2 ;如果當(dāng)前的單位分區(qū)內(nèi)存在一個或多個目標(biāo)無線設(shè)備，則根據(jù)步驟3.3得到的每個目標(biāo)無線設(shè)備與當(dāng)前單位分區(qū)中心的距離、以及步驟3.2得到的角度信息，計算出每個目標(biāo)無線設(shè)備的預(yù)估位置。首先，設(shè)當(dāng)前的單位分區(qū)的中心為圖G’的起點，搜索曲線上的下一個單位分區(qū)的中心為圖G’的終點，把當(dāng)前的單位分區(qū)中的所有目標(biāo)無線設(shè)備作為圖G’的頂點，頂點之間的距離是權(quán)值ω’，得到給定的連通加權(quán)無向圖(G’，ω’)。然后，假設(shè)起點和終點之間為一條虛擬邊，其權(quán)值為一個極小的負值，采用遺傳算法求解出連通加權(quán)無向圖(G’，ω’ )中一條總路程最小的Hamilton圈；最后,在求出的最小Hamilton圈中去除掉這條虛擬邊，剩下的邊組成當(dāng)前的單位分區(qū)的飛行曲線。
8.如權(quán)利要求4所述的基于區(qū)域劃分的目標(biāo)無線設(shè)備定位方法，其特征在于，所述步驟3.5具體包括如下步驟: 飛行器由起點出發(fā)，沿著步驟3.4得到的飛行曲線飛行，在飛行過程中實時獲取每個目標(biāo)無線設(shè)備的無線信號，并提取其信號強度信息；再比較不同方向上定向天線的接收信號強度，當(dāng)它們不相等時，就繼續(xù)飛行并重新捕獲RSS進行判斷；如果它們幾乎相等，則認為飛行器已經(jīng)到達了目標(biāo)無線設(shè)備的上空，就把當(dāng)前位置作為當(dāng)前的目標(biāo)無線設(shè)備的位置，將當(dāng)前飛行器的GPS坐標(biāo)傳送給地面，完成該目標(biāo)無線設(shè)備的定位；然后，飛行器沿著飛行路線繼續(xù)飛行去定位下一個目標(biāo)無線設(shè)備，直至逐個完成當(dāng)前單位分區(qū)內(nèi)所有目標(biāo)無線設(shè)備的定位；最后，判斷是否完成所有單位分區(qū)的檢測，是則結(jié)束定位過程，否則直接飛到下一個單位分區(qū)的中心繼續(xù)檢測，跳轉(zhuǎn)到步驟3.2。
【文檔編號】H04W64/00GK104039009SQ201410283576
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】陳少峰, 房鼎益, 陳曉江, 鄧周虎, 張遠, 聶衛(wèi)科, 邢天璋, 劉晨, 徐丹 申請人:西北大學(xué)