一種基於多維無線成像的被動無線定位方法

2023-09-24 03:57:55

專利名稱：一種基於多維無線成像的被動無線定位方法
技術領域：
本發明屬於無線通信及無線網絡技術應用領域，涉及ー種基於多維無線成像的被動無線定位方法，該方法可在無需目標攜帶無線設備的情況下實現對無線網絡覆蓋區域內運動目標的被動定位跟蹤。
背景技術：
隨著無線通信技術與普適計算技術的發展，WLAN、無線傳感器網絡、GSM網絡、3G通信網絡等無線網絡已經覆蓋到我們生活的每個角落。由於電波的固有特性，當有目標對某條無線鏈路造成遮蔽時，該條鏈路的接收信號強度信息勢必會發生變化。基於此，當有多條無線鏈路同時存在時，藉助各無線鏈路的接收信號強度信息，可以實現對無線網絡覆蓋範圍內目標的定位跟蹤。
基於無線成像實現被動無線定位跟蹤的思路最早由Wilson和Patwari提出。「作者J. ffilson and N. Patwari,論又名Radio tomographic imaging with wirelessnetworks,期刊IEEE Transactions on Mobile Computing,年份2010,第 5 期，第 621頁至632頁」。他們提出一種藉助於無線掃描節點在某一固定頻率和功率下進行無線掃描從而實現位置估計的方法，但是，該方法只有在眾多無線掃描節點參與掃描的條件下才能實現位置估計。而真實的無線網絡的節點密度通常很難滿足該方法的要求。為了降低無線成像方法中對無線掃描節點密度的要求，Kanso和Rabbat提出ー種基於壓縮感知技術的無線成像方法。「作者M. A. Kanso and M. G. Rabbat,論文名Compressed RF tomography for wireless sensor networks: centralized anddecentralized approaches, 會議Proc. 5th IEEE International Conference onDistributed Computing Sensor System,年份2010,第 173 頁至 186 頁」。他們提出在算法層面藉助於壓縮感知算法，從少量觀測信息中儘可能的提高位置估計的精度，但是，觀測信息的信息量沒有任何變化，該方法僅僅通過提高位置估計算法的性能來提高系統的性能，改善程度有限。與上述方法相比，基於多維無線成像的被動無線定位方法從本質上提高了鏈路觀測信息的信息量。多頻率、多功率掃描策略不需要增加節點的數量，通過切換各掃描節點的工作頻率、發射功率實現了鏈路多維掃描，從而在不增加無線掃描節點個數的條件下豐富了鏈路測量信息，為位置估計算法提供了更多的觀測信息，進而在較少的網絡節點個數的條件下實現了高性能的被動無線定位跟蹤。

發明內容
本發明的目的是提高基於無線成像策略的被動無線定位跟蹤技術的性能，在較少的鏈路節點的條件下實現對無線網絡覆蓋範圍內運動目標的定位跟蹤。其特徵為通過無線網絡節點之間在多個頻率及多個發射功率的條件下進行無線鏈路多維掃描，進而基於各鏈路接收信號強度的變化情況實現對網絡覆蓋範圍內移動目標的定位跟蹤。
本發明的技術方案該系統主要由無線掃描節點、無線控制節點、通用PC機組成，在通用PC機上完成位置估計。無線掃描節點負責實現節點間的多頻率、多功率無線鏈路掃描；無線通信工作頻率可調節，無線通信發射功率可調節，寬帶全向天線。採用多頻率、多功率實現鏈路的多維掃描。無線控制節點負責協調網絡的工作頻率及功率、以及採集各無線鏈路信號強度信息，並將採集到的信息發送至PC機；無線通信工作頻率可調節，無線通信發射功率可調節，寬帶全向天線，具有與PC進行數據傳輸的USB接ロ或者UART接ロ。通用PC機常規PC機，主頻IGHz以上，內存256M以上，具有與無線控制節點進行數據傳輸的USB接ロ或者UART接ロ。 在通用PC機上完成位置估計根據鏈路強度信息對目標位置進行估計；以無線鏈路接收信號強度信息作為輸入信息，輸出估計的目標位置。本發明的有益效果在幹I)可以在不増加無線掃描節點個數的條件下，以多頻率多功率多維掃描策略實現鏈路掃描，増加鏈路測量的信息量。2)在較少的無線掃描節點的條件下實現目標的被動無線定位跟蹤。


圖I為本發明的系統結構框圖。圖中1無線掃描節點；2無線控制節點；3通用PC機；4位置估計算法。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖詳細闡述本發明，但本發明並不局限於具體實施例。實施例基於CC2530 的無線掃描節點 I 在頻率 2. 405GHz、2. 410GHz、2. 415GHz、2. 420GHz、
2.425GHz,2. 430GHz、2. 435GHz、2. 440GHz、2. 445GHz、2. 450GHz、2. 455GHz、2. 460GHz、
2.465GHz、2. 470GHz、2. 475GHz、2. 480GHz共16個頻率通道進行無線掃描，發射功率為0dBm、ldBm、3dBm、5dBm共4種功率，8個無線掃描節點I在上述頻率及功率下進行多維鏈路掃描；8個無線掃描節點I放置在8mX8m矩形區域的四邊，每邊間隔4m放置ー個無線掃描節點I。基於CC2530的無線控制節點2偵聽各鏈路的無線信號信息，並將各鏈路的接收信號強度信息送至通用PC機3 ;基於粒子濾波的位置估計算法4以多維鏈路測量信息作為輸入，基於隨機遊動模型進行粒子位置預測，基於上述多維鏈路測量信息以及指數模型進行粒子權值的計算，最後，將加權粒子作為目標位置的概率密度分布，將粒子加權質心作為目標的估計位置輸出至通用PC機3屏幕。測試表明採用多維測量後的平均位置估計誤差為
O.7m，而僅採用單ー頻率及單一功率的平均位置估計誤差為O. 96m。
權利要求
1.一種基於多維無線成像的被動無線定位方法，該系統主要有無線掃描節點，無線控制節點，通用PC機，在通用PC機完成位置估計；其特徵在於 無線掃描節點無線掃描節點負責實現節點間的多頻率、多功率無線鏈路掃描；無線通信工作頻率可調節，無線通信發射功率可調節，寬帶全向天線；採用多頻率、多功率實現鏈路的多維掃描； 無線控制節點無線控制節點負責協調網絡的工作頻率及功率、以及採集各無線鏈路信號強度信息，並將採集到的信息發送至PC機；無線通信工作頻率可調節，無線通信發射功率可調節，寬帶全向天線，具有與PC進行數據傳輸的USB接ロ或者UART接ロ ； 通用PC機常規PC機，主頻IGHz以上，內存256M以上，具有與無線控制節點進行數據傳輸的USB接ロ或者UART接ロ ； 在通用PC機上進行位置估計根據鏈路強度信息對目標位置進行估計；以無線鏈路接收信號強度信息作為輸入信息，輸出估計的目標位置。
全文摘要
本發明屬於無線通信及無線網絡技術應用領域，涉及一種基於多維無線成像的被動無線定位方法，其特徵為通過無線網絡節點之間在多個頻率及多個發射功率的條件下進行無線鏈路多維掃描，進而基於各鏈路接收信號強度的變化情況實現對網絡覆蓋範圍內移動目標的定位跟蹤。系統由無線掃描節點、無線控制節點、通用PC機、位置估計算法組成。無線掃描節點負責實現節點間的多頻率、多功率無線鏈路掃描；無線控制節點負責協調網絡的工作頻率及功率、以及採集各無線鏈路信號強度信息，並將採集到的信息發送至PC機；PC機上的位置估計算法根據鏈路強度信息對目標位置進行估計。本發明可在較少的無線掃描節點的環境下實現無需目標攜帶任何無線設備的被動無線定位跟蹤。
文檔編號H04W64/00GK102833672SQ20121023942
公開日2012年12月19日 申請日期2012年7月11日 優先權日2012年7月11日
發明者王潔, 高慶華, 王洪玉, 孫立奎, 吳立飛 申請人:大連理工大學