一種基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法
2023-08-05 06:05:41 1
一種基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法，具體按照以下步驟進行：步驟一，場景設置；步驟二，定位信號的產生；步驟三，定位信號接收與定位角度的確定；步驟四，根據三個信標保存的子信道序號，確定信標對應的定向天線的角度信息，從而確定移動目標的位置。該方法能夠僅根據目標移動對信標發送頻率的都卜勒影響，來確定目標相對於對於三個信標方向，在被動式定位場景中完成單個移動目標的定位，同時使用較少的定位設備以及與定位時間成本，同時提高了對於移動被動式目標定位的效果。
【專利說明】一種基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無線網絡定位領域，具體涉及一種被動式定位方法，特別是涉及一種基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法。
【背景技術】
[0002]與主動式定位的方法(如全球定位系統(GPS)、射頻識別(RFID)、基於FM的定位方法)相比，無設備被動式定位已經在無線網絡很多應用中成為一個熱點。例如，將其應用在安全與入侵檢測系統、野生動物檢測、購物與零售習慣分析、老年或殘障人士的援助中。在這些場景中，定位目標迴避攜帶或者不方便攜帶任何設備。目前，對於目標被動式定位的研究方法較多，大體分為以下三類:
[0003]第一種，基於非無線電信號定位的方法:這種方法包括光學視頻、紅外傳感器等定位方法，目前在軍事和安全領域應用有所應用。與基於無線電信號的方法，該方法不能對於不在視線範圍的室外環境或者是充滿濃煙的建築屋裡使用。另外，非無線電信號也會因為監視區域的限制，而不適用於移動目標的定位。
[0004]第二種，基於RSS固定鏈路數定位方法:這種方法與第三類都屬於無線電信號定位方法。它的主要思想是首先在單鏈路的菲涅爾區內收集目標在不同位置時的繞射信號強度，組成RSS的數據地圖。其次建立定位單元，通過定位單元內的RSS數據與先前建立的數據地圖比較，估計出目標的位置。部署區域被這些單元覆蓋就可獲得目標的位置。由於RSS數據容易受環境因素影響，大量定位單元部署在環境不同的區域顯然對於定位精度會產生很大影響，同時，移動目標的定位需要頻繁的RSS數據獲取。因此，這種定位方式更加適合長期的固定場景下靜態目標的檢測，並不適合臨時場景的移動目標定位。
[0005]第三種，基於RSS非固定鏈路數定位方法:與基於RSS固定鏈路數定位方法不同，這種定位方法的主要思想是將大量的定位設備部署成一種拓撲結構，然後收集從設備到另一個設備的多鏈路散射或繞射信息，通常體現在RSS值不同。最終，利用這些多鏈路信息使用不同的算法去實現定位。然而，移動目標會造成對於更多鏈路產生影響，這不但會影響定位精度,還會增加定位的時間成本。因此這種定位方式同樣不適合移動目標或是需求較少設備的情況。
[0006]第四種:基於都卜勒頻移定位方法:目前都卜勒頻移主要應用於軍事用途以及手勢識別領域，該定位方法主要與到達方向(Direct1n of Arriva, D0A)或到達時間差(TimeDifference of Arriva, TDOA)的方法相結合,用於高速運動目標的定位,例如定位飛機。與前者結合的目的是測向，主要是利用雷達與飛機之間相對運動形成的都卜勒頻移，根據目標移動方向對都卜勒頻移的影響，判定目標的方向。與後者結合的目的是測距，主要是獲得移動目標反射的信號在雷達不同天線之間的相位差(或者信號發射到接收的時間差)，推算出飛機與雷達之間的距離。然而這樣的定位方法並不適用於人體等低速目標定位。首先，飛機等高速運動目標可以引起的都卜勒頻移範圍更廣，而低速移動目標頻移範圍小，檢測難度更大。其次，獲得相位差等信息對於硬體設備的成本要求較高，現有的雷達設備還面臨著功率高、體積大、成本高等問題，因此現有的雷達定位方法並不適合無線網絡中低速移動目標的定位。現有基於都卜勒頻移的手勢識別應用中，對於移動目標定位的相關討論還未完全展開。
[0007]綜上，現有的被動式定位方法不能很好的應用於移動目標被動式定位的場景中，尤其是對於低速目標的定位，定位精度也不能夠很好的保證，因此，研究一種適用於低速移動目標，定位精度高、通信開銷小的被動式定位方法是很有必要的。
【發明內容】
[0008]針對上述現有技術中存在的缺陷或不足，本發明的目的在於，提供一種基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法(簡稱DEIL算法)，該方法能夠在被動式定位場景中完成單個移動目標的定位，同時使用較少的定位設備以及與定位時間成本。
[0009]為了實現上述任務，本發明採用如下技術方案予以實現:
[0010]一種基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法，具體按照以下步驟進行:
[0011]步驟一,場景設置:
[0012]步驟Sll:在一個無遮擋的待測區域中設置，待測區域內除了定位目標以外均為靜止物體。待測區域由多個正方形的定位單元組成，每個定位單元中設置有三個已知位置的信標，在水平方向上，每兩個相鄰的定位單元有一個信標是共用的，在豎直方向上的定位單元之間沒有共用信標；每個定位單元中的三個信標依次記為信標X、信標A、信標Y，三個信標間距d相等，每個信標含有f個定向天線，N表示子信道數量；
[0013]待測區域中的每個定位單元的定位步驟完全相同，每個定位單元中的信標與其相鄰的定位單元中的信標工作在不同頻率或工作在不同時刻；以下步驟為單個定位單元的定位步驟；
[0014]步驟二，定位信號的產生
[0015]步驟S21:待測區域中的所有信標均基於FMT傳輸協議發送信號；該定位單元中的每個信標周期性產生一組固定的符號；對每組符號進行IFFT變換為一組共N個調製符號，IFFT變換的具體計算如下式所示:
【權利要求】
1.一種基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一，場景設置: 步驟Sll:在一個無遮擋的待測區域中設置，待測區域內除了定位目標以外均為靜止物體；待測區域由多個正方形的定位單元組成，每個定位單元中設置有三個已知位置的信標，在水平方向上，每兩個相鄰的定位單元有一個信標是共用的，在豎直方向上的定位單元之間沒有共用信標；每個定位單元中的三個信標依次記為信標X、信標A、信標Y，三個信標間距d相等，每個信標含有*個定向天線，N表示子信道數量； 待測區域中的每個定位單元 的定位步驟完全相同，每個定位單元中的信標與其相鄰的定位單元中的信標工作在不同頻率或工作在不同時刻；以下步驟為單個定位單元的定位步驟； 步驟二，定位信號的產生: 步驟S21:待測區域中的所有信標均基於FMT傳輸協議發送信號；該定位單元中的每個信標周期性產生一組固定的符號；對每組符號進行IFFT變換為一組共N個調製符號，IFFT變換的具體計算如下式所示:
式中: N表示子信道數量； k表示序列數； η表示調製符號序列數； Xk表示第k個子信道中調製比特； xn表示FMT信號在時域調製符號； 步驟S22:每個信標將產生的每組Xn均按照如下方式向定位單元發送:每個調製符號對應一個子信道，從每組Xn的第O個到第N-1個調製符號對應的子信道依次兩兩分段，共得到I段，將每段通過一個定向天線發送，共使用$個定向天線； 步驟三，定位信號接收與定位角度的確定: 步驟S31:三個信標實時接收信號，且僅接收如式2所示的時間以內的信號，如果接收到有信號，則保存，執行步驟S32 ;否則，對於未接收到的子信道，將步驟S22中每個信標發送的相應子信道補償到接收信號中，並執行步驟S32 ；
式中: Tk表示每個子信道的接收時間，單位:秒； Ik表示第k個子信道在一個定位單元內能夠達到的最遠距離，單位:米；C表不光速； 步驟S32:當每個信標保存的信號達到兩組時，則該信標通過下式對接收的信號進行2FFT變換:
式中: N表示子信道數量； k表示序列數； η表示調製符號序列數； Xk表示第k個子信道中調製比特； xn表示FMT信號在時域調製符號； 步驟S33:三個信標分別檢測都卜勒頻移，並保存發生都卜勒頻移的子信道序號；否則三個均未檢測到都卜勒頻移認為此時不存在目標，並執行步驟S32 ； 步驟四，根據三個信標保存的子信道序號，確定信標對應的定向天線的角度信息，從而確定移動目標的位置。
2.如權利要求1所述的基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法，其特徵在於，所述步驟一中的三個信標間距d取I~4米。
3.如權利要求1所述的基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法，其特徵在於，所述步驟一中的子信道數量N為2η, η為4、5或6。
4.如權利要求1所述的基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法，其特徵在於，所述步驟一中，在每個定位單元的極坐標系下，信標X中的用於該定位單元的定向天線所覆蓋的方向範圍為O到y，信標A用於該定位單元的定向天線的所覆蓋方向範圍為O到，信標Y用於該定位單元的定向天線的方向所覆蓋範圍為y到π。
5.如權利要求1所述的基於都卜勒頻移的被動式移動目標定位方法，其特徵在於，所述步驟四的信標聯合定位的具體步驟如下: 步驟S41:根據三個信標保存的子信道序號，確定信標對應的定向天線的角度信息，具體分為以下幾種情況對移動目標進行定位； 第I種:當獲取α、β時，根據下式獲得移動目標位置信息:
式中: a表示信標A與檢測到目標的距離，單位:米； d表示定位單元內任意兩個相鄰信標的距離，單位:米； α表示信標X保存的子信道序號對應的定向天線的角度； β表示信標A保存的子信道序號對應的定向天線的角度； 移動目標的坐標為:
式中:χτ為移動目標的橫坐標；。為移動目標的縱坐標；第2種:當獲取β、Y時，根據下式獲得移動目標位置信息:
式中:a表示信標A與檢測到目標的距離，單位:米；d表示定位單元內任意兩個相鄰信標的距離，單位:米；β表示信標A保存的子信道序號對應的定向天線的角度；Y表示信標Y保存的子信道序號對應的定向天線的角度；移動目標的橫軸坐標為:
式中:XT為移動目標的橫坐標；。為移動目標的縱坐標；第3種:當獲取α、Y或者α、β、Y時，根據以下公式獲得移動目標位置信息:
式中:b表示信標X與檢測到移動目標的距離，單位:米；d表示定位單元內任意兩個相鄰信標的距離，單位:米；α表示信標A保存的子信道序號對應的定向天線的角度；Y表示信標Y保存的子信道序號對應的定向天線的角度；移動目標的橫軸坐標為:
式中:XT為移動目標的橫坐標；。為移動目標的縱坐標；(xT，yT)即為移動目標的位置坐標。
【文檔編號】G01S13/50GK104076349SQ201410234822
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年5月29日 優先權日:2014年5月29日
【發明者】趙康, 陳曉江, 聶衛科, 王舉, 房鼎益, 張遠, 任宇輝, 邢天璋, 王亮 申請人:西北大學