專利名稱：：一種利用無線能量強度進行目標定位的方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于一種移動目標定位方法，具體涉及一種利用無線能量強度進行目標定位的方法。技術背景-現階段，各類工業(yè)安全問題，例如煤礦安全問題等，引起社會各界的廣泛關注。如何提高安全系數，針對火災、瓦斯、爆炸等重大隱患進行全面監(jiān)控，對工業(yè)環(huán)境下作業(yè)的工作人員進行實時定位跟蹤，是各大廠礦、工業(yè)企業(yè)亟待解決的難題。以煤礦井下環(huán)境為例，由于環(huán)境的特殊性，利用GPS定位系統(tǒng)無法實現人員的定位跟蹤；利用射頻RFID技術構建的定位系統(tǒng)目前在一些場所得到試用，其建設成本較高，功能有限。該方法的定位精度較低，根據讀卡器的布放疏密不同，誤差可能在幾十到幾百米范圍之內。如果發(fā)生事故，救助人員必須在很大的范圍內進行搜索。為了獲得實時的、高精度的定位結果，人們正在嘗試著不同的方法。目前新興的無線傳感器網絡技術是其中的一個可行的解決途徑。這種技術安裝方便、成本較低，定位精度能夠保證，成為人們研究和開發(fā)的一個熱點。利用無線傳感器網絡技術進行目標定位的基本原理是在監(jiān)測環(huán)境中預先放置若干個已知位置的固定射頻信號接收器，兼有發(fā)射功能，以下稱之為固定節(jié)點。利用這些固定節(jié)點接收來自移動的、攜帶有射頻信號發(fā)射器(稱之為移動節(jié)點)的人或物體發(fā)來的各類能夠代表距離或方位的物理量信息，如聲音、超聲、光、無線信號等，進而通過一定的算法來確定它們的位置。利用這種原理進行定位的方法可分為兩類，基于測距的方法和無需測距的方法?；跍y距的方法通過測量節(jié)點間點到點的距離或角度信息，再使用三邊測量、三角測量或最大似然估計定位法等方法來計算節(jié)點位置；無需測距的方法在定位時無需距離和角度信息，僅根據網絡的連通性等信息即可實現。本發(fā)明采用基于測距的方法。基于測距的方法常用的物理量有無線接收能量(RSSI)、到達時間(T0A)、到達時延差(TD0A)和到達角度(A0A)。其中由于TOA需要節(jié)點間精確的時間同步；TDOA技術受限于過短的超聲波傳播距離和對通視傳播的要求；A0A需要額外的硬件支持才能實現，因此這三種并未得到實際地應用。目前只有RSSI在一些研究試驗系統(tǒng)中得到了相對成功的應用，例如在美國某大學的RADAR、Spot-0n等項目中均使用了RSSI技術。RSSI技術中所使用的定位系統(tǒng)的基本組成為(1)不少于2個固定節(jié)點，每個固定節(jié)點具有無線接收和發(fā)射功能，相互間可以通過某種協議進行通信；這些固定節(jié)點的地理位置是已知的，或者通過某種方式可以獲得，其接收天線或接收器的接收特性為各向同性的。各個固定節(jié)點的性能一致，或者通過某種校準方式可以使其一致。(2)待測的一個或多個移動節(jié)點，具有無線發(fā)射功能，其發(fā)射頻率、信號協議與固定節(jié)點一致。其接收天線或接收器為各向同性，或者是已知的。(3)至少1個基站，用于收集各個固定節(jié)點接收到的移動節(jié)點的RSSI信息，并將數據處理后，把計算結果顯示、保存或打印出來。目前普遍所采用的方法是通過固定節(jié)點接受移動節(jié)點發(fā)出的單一功率的無線能量。RSSI技術在使用時無需額外的硬件支持，利用固定節(jié)點和移動節(jié)點最基本的射頻信號發(fā)射和接收功能即可實現定位；對遮擋物體也有一定的繞射性能，不像超聲定位裝置那樣對發(fā)射器和接收器有通視的要求；當環(huán)境情況單一穩(wěn)定，處于理想狀態(tài)下，各個固定節(jié)點處獲得了移動節(jié)點發(fā)送信號的RSSI之后，原則上就可以獲得固定節(jié)點與移動節(jié)點間的距離。如果這些距離精確已知，那么利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法就可以準確地獲得待測移動節(jié)點的位置，得到良好的定位結果?，F有技術存在的問題是當利用單一的射頻功率時，移動節(jié)點發(fā)出的射頻信號受射頻信號實際環(huán)境的干擾影響較大，各個固定節(jié)點不易接收到可靠的移動節(jié)點發(fā)出信號，另外由于實際環(huán)境中也存在許多的干擾因素，如室內墻壁的反射、遮蔽物的存在、其他工業(yè)無線信號的干擾、節(jié)點本身結構等等也使得部分固定節(jié)點接收不到移動節(jié)點發(fā)出的信號，使得利用RSSI來計算固定節(jié)點和移動節(jié)點間的距離的精度產生了很大影響，待測移動節(jié)點的位置并不能準確獲得。此外，為了讓更多的固定節(jié)點接收到射頻信號，就必須提高射頻信號的功率，而過強的射頻信號更易引發(fā)較強的反射、繞射，也帶來了不利因素，同樣降低了定位效果。
發(fā)明內容本發(fā)明要提供一種利用無線能量強度進行目標定位的方法，以克服現有技術存在的待測移動節(jié)點的位置并不能準確獲得的問題。為克服現有技術存在的問題，本發(fā)明所提供的技術方案是一種利用無線能量強度進行目標定位的方法，是指在.RSSI技術的應用系統(tǒng)中，移動節(jié)點在移動過程中，可以通過程控的方式改變其發(fā)射的無線能量的功率，采用多種發(fā)射功率輪換發(fā)射的方式，使得在各個固定節(jié)點的接收器處，獲得多套能量強度值，根據信號強度與距離的關系，獲得大量距離信息進行定位。上述無線能量可以是射頻信號或水下聲信號。上述方法中，移動節(jié)點在運動中程控改變自身的發(fā)射功率，采用多種發(fā)射功率輪換發(fā)射的方式發(fā)射無線信號在t時刻，移動節(jié)點以時間Af間隔發(fā)出Z個數據包，其能量分別為E,，J:0，1,…，L-1。以時間Ar間隔循環(huán)不斷地重復這個過程，其中每個循環(huán)周期的開始時間為/。-".Ar，77=0，1，…，#，一般取Ar》A"每次由移動節(jié)點發(fā)出數據包后，在M個固定節(jié)點處接收到的信號能量值記為尸(歷，7，77)，其含義是第/"個節(jié)點，在^"^7^/.^時刻接收到的由移動節(jié)點第/7個循環(huán)周期發(fā)出的第2個能量的信號的無線能量強度。同一次移動節(jié)點發(fā)送出的數據包保存在E(島入/7)，歷二1，2，…，M中，使得在固定節(jié)點接收端得到比單一發(fā)射功率更為豐富的距離信息，可以使節(jié)點可能接收不到信號的情況減少。上述移動節(jié)點以某種已知的變化規(guī)律改變其發(fā)射信號的能量，并在發(fā)射《號數據中告知固定節(jié)點每次發(fā)射能量的能級，其編碼格式為P1與<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是1、實現方便本發(fā)明提出的方法直接利用固定節(jié)點和移動節(jié)點最基本的射頻信號發(fā)射和接收功能即可實現定位。2、提高定位系統(tǒng)的可靠性使用單一信號功率發(fā)射時，該信號可能由于環(huán)境因素等等各種原因被屏蔽或者阻擋，導致固定節(jié)點接收不到信號，而通過移動節(jié)點在運動中能程控改變自身發(fā)射功率的特點，采用多種發(fā)射功率輪換發(fā)射的方式可以降低這種情況出現而造成的影響，從而保障定位系統(tǒng)的可靠性。3、提高定位與跟蹤精度本發(fā)明在現有的利用RSSI的定位算法的基礎上，充分利用節(jié)點本身硬件資源，通過移動節(jié)點在運動中能程控改變自身發(fā)射功率的特點，采用多種發(fā)射功率輪換發(fā)射的方式，在固定節(jié)點接收端得到比單一發(fā)射功率更為豐富的距離信息，從而有效提高定位與跟蹤精度。4、適用范圍廣本發(fā)明提出的方法不受陸地、水下環(huán)境的影響，可以在工業(yè)環(huán)境、民用環(huán)境、軍事領域得到廣泛地應用。圖1:定位系統(tǒng)的組成；圖2:定位算法流程圖；圖3:發(fā)射數據包的組成示意圖；圖4:固定節(jié)點接收能量和移動節(jié)點發(fā)射能量對比示意圖。具體實施例方式下面將結合附圖對本發(fā)明做詳細地說明。參見圖1。其中黑色圓代表移動節(jié)點，空心圓代表固定節(jié)點，雙箭頭代表無線通信。所說的定位系統(tǒng)的基本組成為(1)不少于3個固定節(jié)點，每個固定節(jié)點具有無線接收和發(fā)射功能，相互間可以通過某種協議進行通信；這些固定節(jié)點的地理位置是己知的，或者通過某種方式可以獲得，其接收天線或接收器的接收特性為各向同性的。各個固定節(jié)點的性能一致，或者通過某種校準方式可以使其一致。(2)待測的一個或多個移動節(jié)點，具有無線發(fā)射功能，其發(fā)射頻率、信號協議與固定節(jié)點一致。其接收天線或接收器為各向同性，或者是已知的。(3)至少1個基站，用于收集各個固定節(jié)點接收到的移動節(jié)點的RSSI信息，并將數據處理后，把計算結果顯示、保存或打印出來。整個系統(tǒng)的目的是測量移動節(jié)點的位置及軌跡。一種利用無線能量強度進行目標定位的方法，是指在RSSI技術的應用系統(tǒng)中，移動節(jié)點在移動過程中，可以通過程控的方式改變其發(fā)射的無線能量的功率，釆用多種發(fā)射功率輪換發(fā)射的方式，使得在各個固定節(jié)點的接收器處，獲得多套能量強度值，根據信號強度與距離的關系，獲得大量距離信息進行定位。參見圖2和3。在移動節(jié)點的運動過程中，不斷地以某種編碼形式向外輻射無線能量，這種信號可以被部分固定節(jié)點接收到。同時，在發(fā)射這些信號時，移動節(jié)點以某種已知的變化規(guī)律改變其發(fā)射信號的能量，并在發(fā)射的信號數據中告知固定節(jié)點每次的發(fā)射能量的量級，編碼格式如圖3所示。在移動節(jié)點運動速度與其發(fā)射能量的變化周期相比慢得多的情況下，即移動節(jié)點循環(huán)發(fā)射多種量級信號的一個周期內移動的距離可以忽略不計的情況下，就可以近似認為移動節(jié)點在此時間內保持靜止。這樣一來，在移動節(jié)點的在運動中的各個位置，每個固定節(jié)點就可以獲得比單一發(fā)射能量情況時更為豐富的有關移動節(jié)點的RSS工信息，這些信息更為全面地反映了移動節(jié)點與固定節(jié)點間的距離信息。發(fā)射節(jié)點不斷地、循環(huán)地向外發(fā)送數據包，各個節(jié)點獲得的RSSI值經過緩存后輸入定位器。另外，由于不同節(jié)點在不同能量情況下，遭受多徑影響的程度也不相同。因此，當我們獲得了多組結果時，便獲得了更多的信息。從中按照一定的準則優(yōu)選出一批高置信度的數據來進行目標定位，可以利用最大似然定位器進行位置估計。就可以得到更為精確、可靠的結果。獲得的定位結果根據地理位置的合理性，以及位置的變化率等進行異常點剔出。接著，利用Kalman濾波器對目標的運動軌跡進行修正、預測，最終形成移動目標的跟蹤軌跡。下面以一個移動節(jié)點，M個固定節(jié)點的情況為例，說明計算方法。固定節(jié)點間的距離相互不大于最大通信距離D。在"寸刻，由移動節(jié)點以時間Ad司隔發(fā)出A個數據包，其能量分別為E,，2二0，1，…，L-1。以時間A7'間隔循環(huán)不斷地重復這個過程，其中每個循環(huán)周期的開始吋間為^-".Ar，"=0，1，…，#，一般取Ar》A"每次由移動節(jié)點發(fā)出數據包后，在M個固定節(jié)點處接收到的信號能量值記為尸(/ff，7，/7)，其含義是第/"個節(jié)點，在,-".A7^/.A/時刻接收到的由移動節(jié)點第/7個循環(huán)周期發(fā)出的第i個能量的信號的無線能量強度，同一次移動節(jié)點發(fā)送出的數據包保存在EU，7，")，ffl二l,2，…，M中。當某個節(jié)點接收不到移動節(jié)點的信息時，定義EU，7，")=0。在定位時，針對某-一次循環(huán)周期仏選取接收能量最大的Q個節(jié)點來計算目標的位置。它們的編號分別為11(/7)，^12(/7)，...^()07)，023，代表Q個最適合用來定位的節(jié)點的編號，這些節(jié)點的編號隨著周期"的變化會有所變化。這Q個節(jié)點的坐標為(Vw,;^,,)),7=1，2，...，Q，"=1，2'.,，見利用三邊法定位的原理如下。假設待測節(jié)點的平面坐標為CK")，/"))，則有[x(")-x,、,(J'如).-)V(J=k,(/)]2，/=l，2,...，Q,/=1，2"."丄(1)式(l)事實上定義了QL個方程，由此可以用來確定目標在時刻z-".Ar的坐標(x,力。其中，(!,(/)代表第/個固定節(jié)點在對應第/個發(fā)射功率能量時得到的固定節(jié)點與移動節(jié)點間的距離，計算方法由下式給出p一戶0/Udp『xf^4F，A:『〈C其中Z^表示固定節(jié)點接收到的移動節(jié)點的信號強度[dBm]，i^表示接收到參考點4)發(fā)送信號的強度；A表示路徑長度和路徑損耗之間的比例因子，依賴于建筑物的結構和使用的材料；4表示參考點與固定節(jié)點間的距離；"表示需要計算的固定節(jié)點和移動節(jié)點間的距離；Wf表示節(jié)點和基站間墻壁個數；C表示f號穿過墻壁個數的閾值；f^F表示信號穿過墻壁的衰減因子，依賴于建筑五的我們前面提到，由于環(huán)境的影響，利用RSSI來估算兩個節(jié)點間的距離不易準確。我們通過發(fā)射不同功率的數據包，來獲得較為獨立的多次測量值《(/)。然后，將這些伍進一歩進行統(tǒng)計運算，除去最大最小值，計算其概率統(tǒng)計平均值《，計算過程為1、定義測量值的最大值為d隨，最小值為d睡，范圍為D—隨-d,扁。2、將D平均劃分為5段。3、將4(Z)，/二1,2,…,丄歸入各個劃分的段內，并統(tǒng)計各段的數目。4、數目最多的那一段內的各個^(/)的均值為《,。為簡便起見，定義x,x,聰，乂,jv(")，并將《代替c/,(/)，式(l)改寫為;(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>在式(3)中，從第一個方程開始，每個方程減去最后一個，可以獲得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(4)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中的線性方程表示為AX=b，其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>使用標準的最小均方差估計方法可以得到節(jié)點的坐標為X-(力)-'yf6(8)獲得的坐標結果構成序列，就形成目標節(jié)點的軌跡坐標(X("),少(M))。獲得的定位結果根據地理位置的合理性，以及位置的變化率等進行異常點剔出。利用傳統(tǒng)的Kalman濾波算法，對該軌跡進行濾波和修正，獲得最終的向")，j)(n)),w=l,2,...，N。由于各個移動節(jié)點有其自身的節(jié)點編號，因此各個固定節(jié)點能夠區(qū)分發(fā)來數據包的移動節(jié)點的號碼。所以，盡管以上介紹的是單個移動節(jié)點的使用情況，當有多個移動節(jié)點時，其定位方法與單個情況相同。參見圖4。以某個固定節(jié)點為例，它所獲得的某個移動節(jié)點的無線能量RSSI與其當前位置、發(fā)射能量的量級的示意圖。從圖中可以看出，發(fā)射信號的能量在不斷地由低到高得周期性變化。在時間段1，隨著發(fā)射能量的增大，接收能量也增大。在時間段2，最低能量處固定節(jié)點沒有接收到信號，直到第二級能量才接收到較低的能量。從這幅圖可以看出，采用多功率輪換發(fā)射的方法，可以使某些節(jié)點原本可能接收不到信號的情況減少，從而保障定位系統(tǒng)的可靠性。另外，這比起直接使用較大功率發(fā)射的方案來講，節(jié)省能量的同時，也避免在距離較近時信號飽和失真，造成無法判定的后果。為了更清楚地說明本發(fā)明的方法，再給出一個具體實施例。所釆用的系統(tǒng)中，固定節(jié)點采用美國Crossbow生產的MICA2節(jié)點。它選用ATMEGA128芯片作為處理器，Chipcon公司的CC1000作為無線通信芯片，傳輸速度為38.4kbps。移動節(jié)點可以采用該公司生產的MICA2DOT產品，采用的芯片與MICA2相同，只是在引腳、布局上更為簡潔，體積如一枚硬幣大小，功耗低。這兩款產品都具有接收和發(fā)送數據的功能，使用統(tǒng)一的通信頻段和協議，發(fā)射時可以改變發(fā)射功率的大小。功能上完全能夠滿足以上對硬件設施的要求。將各個固定節(jié)點MICA2安裝在指定位置，如果是室內，兩兩距離不要超過50米。將MICA2DOT由帶跟蹤的人或物體佩戴。將天線部分保持近似垂直，與固定節(jié)點的天線保持平行。在各個固定節(jié)點上，存放著一個接收移動節(jié)點傳輸數據的程序，并具有將這個數據傳至基站的功能。如果基站與各個固定節(jié)點以星形拓撲結構連接，那么基站與各個固定節(jié)點的距離不超過他們的最遠通信距離。如果它們以AdHoc的自組網方式相連，那么在不考慮功耗的情況下，只要兩兩相距不超過它們的最遠可靠通信距離即可。在各個移動節(jié)點上，存放著一個以一定頻率發(fā)送數據的程序，每次發(fā)送的數據能量會按照一定的規(guī)律變化，例如，可以以-10dB，-5dB，0dB，5dB，函B的5種量級變化，并將能量值打包在數據里向外發(fā)送。發(fā)完5種量級所需時間可以在l-10ms之內完成，毎100ms再發(fā)送一次，這樣在每100ms可以得到5組數據，每秒鐘可以得到IO次定位結果，基本滿足大多數場合的需求。如果目標變化速度不快，還可以以更低的頻率進行査詢定位。一臺PC機，通過美國Crossbow生產的MIB510網關，與其中的一個固定節(jié)點MICA2相連，構成基站。在PC機上運行一個相應的接收串行數據的軟件，就可以把各個固定節(jié)點獲得的數據收集起來。按照式(1)至(8)的方程進行計算，便可以獲得移動節(jié)點的位置。通過顯示程序將移動目標的軌跡顯示出來。顯然，本發(fā)明的上述實例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而非本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些術語本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處在本發(fā)明的保護范圍之中。權利要求1、一種利用無線能量強度進行目標定位的方法，是指在RSSI技術的應用系統(tǒng)中，移動節(jié)點在移動過程中，可以通過程控的方式改變其發(fā)射的無線能量的功率，采用多種發(fā)射功率輪換發(fā)射的方式，使得在各個固定節(jié)點的接收器處，獲得多套能量強度值，根據信號強度與距離的關系，獲得大量距離信息進行定位。2、如權利要求1所述的一種利用無線能量強度進行目標定位的方法，其特征在于所述無線能量是射頻信號或水下聲信號。3、如權利要求2所述的一種利用無線能量強度進行目標定位的方法，其特征在于所述移動節(jié)點在運動中程控改變自身的發(fā)射功率，采用多種發(fā)射功率輪換發(fā)射的方式發(fā)射無線信號在t時刻，移動節(jié)點以時間Ad司隔發(fā)出Z個數據包，其能量分別為E,，2=0，1，…，L-l。以時間Ar間隔循環(huán)不斷地重復這個過程，其中每個循環(huán)周期的開始時間為,。^M.Ar，77=0，1，…，M—般取Af》A"每次由移動節(jié)點發(fā)出數據包后，在M個固定節(jié)點處接收到的信號能量值記為尸(/"，7,/7)，其含義是第ffl個節(jié)點，在/=".厶7^/."時刻接收到的由移動節(jié)點第/7個循環(huán)周期發(fā)出的第2個能量的信號的無線能量強度。4、如權利要求3所述的一種利用無線能量強度進行目標定位的方法，其特征在于所述移動節(jié)點以某種已知的變化規(guī)律改變其發(fā)射信號的能量，并在發(fā)射信號數據中告知固定節(jié)點每次發(fā)射能量的能級，其編碼格式為<table>tableseeoriginaldocumentpage2</column></row><table>全文摘要本發(fā)明屬于一種移動目標定位方法，具體涉及一種利用無線能量強度進行目標定位的方法。本發(fā)明要克服現有技術存在的待測移動節(jié)點的位置并不能準確獲得的問題。所提供的技術方案是一種利用無線能量強度進行目標定位的方法，是指在RSSI技術的應用系統(tǒng)中，移動節(jié)點在移動過程中，可以通過程控的方式改變其發(fā)射的無線能量的功率，采用多種發(fā)射功率輪換發(fā)射的方式，使得在各個固定節(jié)點的接收器處，獲得多套能量強度值，根據信號強度與距離的關系，獲得大量距離信息進行定位。與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是1.實現方便；2.提高定位系統(tǒng)的可靠性；3.提高定位與跟蹤精度；4.適用范圍廣。文檔編號G01S5/04GK101334464SQ200810150500公開日2008年12月31日申請日期2008年7月30日優(yōu)先權日2008年7月30日發(fā)明者劉波霞,磊向,敏梁,陳建峰申請人:陳建峰