CN102608567A - 基于无人机移动信标的战场士兵定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线定位技术领域，提供了一种更加机动、灵活的战场士兵定位方法，适于信息化作战，本发明的基于无人机移动信标的战场士兵定位方法，包括如下步骤：无人机搭载机载信标遍历作战区域，机载信标周期性发送唤醒信号；士兵节点初始为休眠状态，当士兵节点被唤醒时，发送信号强度指示数据包，然后再次进入休眠；机载信标接收到士兵节点的信号强度指示数据包，在接收位置形成该士兵节点对应的虚拟信标；计算士兵节点与其对应虚拟节点的距离，并根据距离矩阵和各对应虚拟信标节点的位置信息，计算该士兵节点的坐标。

Description

基于无人机移动信标的战场士兵定位方法

技术领域

本发明涉及无线定位技术领域，具体涉及一种战场士兵的定位方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，国际安全形势日趋复杂，地区冲突、局部战争时有发生，而战争的形态也发生了很大的变化，特种作战、反恐作战、突击作战等新的作战形式不断涌现。在我国，除了传统安全威胁外，暴力恐怖势力、民族分裂势力、宗教极端势力“三股势力”等新的安全威胁日益突出，我军的作战任务、形式也正发生变化，日趋多样化。现代战争新的作战形式要求部队具有快速机动、大纵深突击、远距离独立作战的能力，随之也给卫勤保障战场伤员寻找救护提出了新的挑战。传统的战场伤员寻找技术装备已无法满足现代战争的需要，必须发展更机动、灵活，适合信息化作战的战场伤员寻找救护技术和装备。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种更加机动、灵活的战场士兵定位方法，更适于信息化作战。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：  基于无人机移动信标的战场士兵定位方法，包括如下步骤：

1)无人机搭载机载信标遍历作战区域，机载信标周期性发送唤醒信号；

2)士兵节点初始为休眠状态，当士兵节点被唤醒时，发送信号强度指示数据包，然后再次进入休眠；

3)机载信标接收到士兵节点的信号强度指示数据包，在接收位置形成该士兵节点对应的虚拟信标；判断无人机获得的对应一个士兵节点的虚拟信标节点是否大于等于三个，如是，则执行步骤4)；

4)计算士兵节点与其对应虚拟节点的距离，并根据距离矩阵和各对应虚拟信标节点的位置信息，计算该士兵节点的坐标。

进一步，步骤1)中，无人机遍历作战区域的移动模型为两个外部相切的椭圆，无人机航向每旋转60°，机载信标发送一次唤醒信号。

进一步，步骤4)包括如下步骤：

41)计算士兵节点与其对应虚拟信标节点的测量距离d′；

42)将各士兵节点及其对应虚拟信标节点所组成网络的质心平移到坐标原点，此时，士兵节点和其所对应的虚拟信标节点的行坐标之和和列坐标之和分别等于0。；

43)当网络的几何结构符合已知的相异性信息时，实际距离与测量距离相等，即d_ij=d′_ij，将步骤41)获得的测量距离近似代替该两点间的实际距离，构建虚拟信标节点与士兵节点的距离矩阵D，将距离矩阵D中的各元素平方，获得矩阵D²；

44)将矩阵D²双中心化得矩阵B；

45)奇异值分解矩阵B，得到相对坐标矩阵X_R；在三维空间中，保留X_R最大的三个特征值所对应的特征向量，该特征向量即为士兵节点的三维相对坐标；

46)通过士兵节点的三维相对坐标获得其绝对坐标X。

进一步，所述步骤41)通过对数模型获得士兵节点与其对应虚拟信标节点的测量距离d′，如下式所示，测量距离d′近似代替该两点间的实际距离d：

其中p_r(d)单位为dBm，表示对应虚拟信标节点接收到d处士兵节点的数据信号强度；  p_t表示该士兵节点发射信号的功率；pL(d_o)表示士兵节点收到在参考距离d_o处发送数据信号的强度；η表示路径衰减因子；X_σ表示均值为0，方差为σ²的高斯随机变量。

进一步，步骤44)中采用如下方法将矩阵D²双中心化得B，令

E为单位矩阵，I为1矩阵，在最小二乘法原则下，通过下式获得矩阵B：

$-\frac{1}{2}{\mathrm{JD}}^{2}J=\frac{1}{2}J\left(2B\right)J=B.$

本发明的有益效果是：应用无人机的机动性，可以快速、灵活的实现战场士兵的定位，有助于战场医疗救护的开展；在进一步的技术方案中，使用特定的无人机移动模型  “{”，可满足三重覆盖和定位精度的要求，同时无人机能够平滑旋转，适合大范围战场的快速搜索定位；使用特定的算法，定位速度快、定位误差小。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

图1示出了基于无人机移动信标的战场士兵定位方法的流程示意图；

图2示出某一士兵节点生成虚拟节点效果图

图3示出了定位效果图；

图4示出了各节点定位误差图。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

参见图1，基于无人机移动信标的战场士兵定位方法，包括如下步骤：

1)无人机遍历作战区域，机载信标周期性发送唤醒信号；在实现士兵节点定位过程中，移动信标节点的移动模型对算法起到至关重要的作用。目前，许多研究提出信标节点的移动路径规划问题，为了达到较好的设计目标，现有技术中有三种著名的移动模型：Scan型，Double Scan型和HILBERT型。但是这些规划路径并不适合大范围的无人机移动信标的战场定位。战场定位信标移动模型的选择，必须考虑未知节点的三重覆盖率和定位精度。三重覆盖是指移动信标能遍历整个作战区域，任意位置均可收到移动信标3个或3个以上的唤醒信号。测量距离的精确度决定定位精度，移动信标在移动过程中会形成对应的虚拟信标，任意一个虚拟信标节点和士兵节点对测量距离和实际距离的关系为d′_ij=d_ij(1+e)，  d_ij为实际距离，d′_ij为测量距离，  e＞0为随环境改变的误差因子。若干(大于或等于3个)虚拟信标点所组成的多边形包含未知节点，误差距离就可以产生相互抵消作用，同时也避免了虚拟信标节点共线性问题。因此本实施例选择移动模型为两个外部相切的椭圆，形似“{”，  无人机航向每旋转60°，机载信标发送一次唤醒信号。该移动模型较好的满足了三重覆盖和定位精度的要求，同时无人机能够平滑旋转、适合快速搜索定位。

2)士兵节点初始为休眠状态，当士兵节点被唤醒时，发送RSSI(ReceivedSignal Strength Indicator)接收信号强度指示数据包，然后再次进入休眠；

3)机载信标接收到士兵节点的信号强度指示数据包，在接收位置形成该士兵节点对应的虚拟信标；无人机沿移动模型飞行一周，对每个士兵节点至少获得至少三个虚拟信标节点；

4)根据士兵节点的信号强度指示数据、其对应虚拟信标节点的位置信息等，获取该士兵节点的坐标，具体包括如下步骤：

41)计算士兵节点与其对应虚拟信标节点的测量距离d′；在野外作战环境中，由于多径、绕射、障碍物等因素直接或间接地影响节点之间的信号强度和节点的定位精确程度，所以无人机移动信标战场士兵定位方法中信道传输模型采用对数距离路径损耗模型，测量距离d′近似代替该两点间的实际距离d：

其中p_r(d)单位为dBm，表示对应虚拟信标节点接收到d处士兵节点的数据信号强度；p_t表示该士兵节点发射信号的功率；pL(d_o)表示士兵节点收到在参考距离d_o处发送数据信号的强度；η表示路径衰减因子；X_σ表示均值为0，方差为σ²的高斯随机变量。通过上式获得士兵节点与其对应虚拟信标节点的测量距离。

42)通常在3维空间中，坐标系的平移不会影响到节点之间的距离，因此，将各士兵节点及其对应虚拟信标节点所组成网络的质心平移到坐标原点。此时，士兵节点和其所对应的虚拟信标节点的行坐标之和和列坐标之和分别等于0。

43)当网络的几何结构符合已知的相异性信息时，实际距离与测量距离相等，即d_ij=d′_ij，将步骤41)获得的测量距离近似代替该两点间的实际距离，构建虚拟信标节点与士兵节点的距离矩阵D，将距离矩阵D中的各元素平方，获得矩阵D²；

44)将矩阵D²中采用如下方法将矩阵D²双中心化得B，令E为单位矩阵，I为1矩阵，在最小二乘法原则下，通过下式获得矩阵B：

$-\frac{1}{2}{\mathrm{JD}}^{2}J=\frac{1}{2}J\left(2B\right)J=B.$

45)由线性代数知识知B是实对称方阵，必然存在正交矩阵V＝(v₁，v₂，v₃，·，v_m)和对角矩阵

使得

$B={\mathrm{VAV}}^T={\mathrm{VA}}^{\frac{1}{2}}{A}^{\frac{1}{2}}{V}^T={\mathrm{VA}}^{\frac{1}{2}}{\left({\mathrm{VA}}^{\frac{1}{2}}\right)}^T;$

对矩阵B奇异值分解，得到V、A和相对坐标X_R

46)在三维空间中，保留X_R最大的三个特征值和对应的特征向量，特征向量所构成的矩阵即为士兵节点的三维相对坐标矩阵：

X′＝(x_i1，x_i2，x_i3)；

47)通过士兵节点的三维相对坐标获得其绝对坐标，士兵节点的绝对坐标为

x_m＝(x_a，X_b，·，X_M)^T为绝对坐标系下士兵节点所接收到的M(Mμ3)个虚拟信标的坐标，X′_M＝(X′_a，X′_b，·，X′_M)^T为相对坐标系下士兵节点所接收到M个虚拟信标的坐标，X_M为M个虚拟信标坐标转换平移向量，α为尺度因子，R为坐标转换旋转矩阵，

以下为本实施例的仿真分析

在实验过程中，由于存在反转、平移和偏转等因素，节点的相对坐标必然存在定位误差。定义定位误差为未知节点间计算位置与真实位置之间的距离与通信半径的比值。平均定位误差公式下式所示：

表示计算位置

到实际位置(x，y)的距离，n为节点个数，r为节点之间的通信半径。

设在5000mλ5000mλ500m空间范围内，随机布设20个结构相同的士兵节点。移动信标和士兵节点的通信半径均为3000m。仿真参数选择p_t=-5dBm，pL(d_o)＝55dBm，

无人机在高空1 000m按照飞行模型“{”遍历整个作战区域，组成飞行模型“{”的两相切椭圆长轴为2250m，短轴1250m，飞行速度1 76.625m/s，遍历一个周期所用时间为1 20s。无人机每旋转30°发送一次唤醒信号。士兵节点收到唤醒信号后，发送一个信号强度指示数据包，数据发送完毕再次进入休眠状态。无人机移动信标接收和存储士兵节点信号强度指示数据包，并在接收位置生成该士兵节点的对应的虚拟信标节点。当移动信标生成某士兵节点3个或3个以上虚拟信标时，信标汇总该士兵节点信号强度指示数据和其对应的各个虚拟节点地理信息，计算士兵节点的坐标，并将坐标位置发送到后方指挥部。

在某周期仿真测试时，移动信标的三重覆盖率为1 00％，平均每个士兵节点所对应的虚拟信标数为8.3个，其中某一士兵节点生成的虚拟节点效果如图2所示，“☆”为该士兵节点，与该士兵节点连线的“*”为该士兵节点对应的虚拟节点。节点定位效果如图3所示，

为士兵节点计算位置，

连接士兵节点计算位置和实际位置。各士兵节点定位误差如图4所示，  “◇”表示该节点的定位误差百分比，20个节点的平均定位误差为7.78％。定位完成后，无人机移动信标将定位信息传递给后方指挥部，后方指挥部派遣卫生员予以救治。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.基于无人机移动信标的战场士兵定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)无人机搭载机载信标遍历作战区域，机载信标周期性发送唤醒信号；

2)士兵节点初始为休眠状态，当士兵节点被唤醒时，发送信号强度指示数据包，然后再次进入休眠状态；

3)机载信标接收到士兵节点的信号强度指示数据包，在接收位置形成该士兵节点对应的虚拟信标；判断无人机获得的对应一个士兵节点的虚拟信标节点是否大于等于三个，如是，则执行步骤4)；

4)计算士兵节点与其对应虚拟节点的距离，并根据距离矩阵和各对应虚拟信标节点的位置信息，计算获得该士兵节点的坐标。

2.根据权利要求1所述的基于无人机移动信标的战场士兵定位方法，其特征在于：步骤1)中，无人机遍历作战区域的移动模型为两个外部相切的椭圆，无人机航向每旋转60°，机载信标发送一次唤醒信号。

3.根据权利要求1或2所述的基于无人机移动信标的战场士兵定位方法，其特征在于：步骤4)包括如下步骤：

41)计算士兵节点与其对应虚拟信标节点的测量距离d′；

42)将各士兵节点及其对应虚拟信标节点所组成网络的质心平移到坐标原点；

43)当网络的几何结构符合已知的相异性信息时，将步骤41)获得的测量距离近似代替该两点间的实际距离，构建虚拟信标节点与士兵节点的距离矩阵D，将距离矩阵D中的各元素平方，获得矩阵D²；

44)将矩阵D²双中心化得矩阵B；

45)奇异值分解矩阵B，得到相对坐标矩阵X_R；在三维空间中，保留X_R最大的三个特征值所对应的特征向量，该特征向量即为士兵节点的三维相对坐标；

46)通过士兵节点的三维相对坐标获得其绝对坐标X。

4.根据权利要求3所述的基于无人机移动信标的战场士兵定位方法，其特征在于：所述步骤41)通过对数模型获得士兵节点与其对应虚拟信标节点的测量距离d′，如下式所示，测量距离d′近似代替该两点间的实际距离d：

$P_r\left(d\right)=P_t-\mathrm{PL}\left(d_0\right)-10\mathrm{\ηlg}\left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\mathrm{\σ}};$

$d_{\mathrm{ij}}^{\′}=d_0{10}^{\frac{P_T-P_r\left(d\right)-P_L\left(d_0\right)+X_{\mathrm{\σ}}}{10\mathrm{\η}}};$

其中p_r(d)单位为dBm，表示对应虚拟信标节点接收到d处士兵节点的数据信号强度；  p_t表示该士兵节点发射信号的功率；pL(d_o)表示士兵节点收到在参考距离d_o处发送数据信号的强度；η表示路径衰减因子；X_σ表示均值为0，方差为σ²的高斯随机变量。

5.根据权利要求4所述的基于无人机移动信标的战场士兵定位方法，其特征在于：步骤44)中采用如下方法将矩阵D²双中心化得B，令J＝E-1/nI，E为单位矩阵，I为1矩阵，在最小二乘法原则下，通过下式获得矩阵B：

$-\frac{1}{2}{\mathrm{JD}}^{2}J=\frac{1}{2}J\left(2B\right)J=B.$

Images