CN102821462A - 一种基于传播时间的无线成像被动定位方法 - Google Patents

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王洁
高庆华
王洪玉
吴立飞
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Abstract

本发明属于无线通信及无线网络技术应用领域，涉及一种基于传播时间的无线成像被动定位方法，其特征为通过无线网络中无线节点对之间的电波传播时间测量获取无线链路的特征信息，进而基于传播时间的变化信息实现对网络覆盖范围内移动目标的定位跟踪。系统由具有传播时间测量能力的无线扫描节点、无线控制节点、通用PC机、位置估计算法组成。无线扫描节点负责实现各节点对之间的传播时间测量；无线控制节点负责协调网络工作流程，并将采集到的传播时间信息发送至PC机；PC机上的位置估计算法根据传播时间信息对目标位置进行估计。本发明可在复杂环境下实现无需目标携带任何无线设备的被动无线定位跟踪。

Description

一种基于传播时间的无线成像被动定位方法
技术领域
本发明属于无线通信及无线网络技术应用领域，涉及一种基于传播时间的无线成像被动定位方法，该方法可在无需目标携带无线设备的情况下实现对无线网络覆盖区域内运动目标的被动定位跟踪。
背景技术
随着无线通信技术与普适计算技术的发展，WLAN、无线传感器网络、GSM网络、3G通信网络等无线网络已经覆盖到我们生活的每个角落。由于电波的固有特性，当有目标对某条无线链路造成遮蔽时，该条链路的无线信号特征信息势必会发生变化。基于此，当有多条无线链路同时存在时，借助各无线链路的信号特征信息，可以实现对无线网络覆盖范围内目标的定位跟踪。
基于无线成像实现被动无线定位跟踪的思路最早由Wilson和Patwari提出。“作者：J. Wilson and N. Patwari, 论文名：Radio tomographic imaging with wireless networks, 期刊：IEEE Transactions on Mobile Computing, 年份：2010，第5期，第621页至632页”。他们提出一种借助于无线扫描节点在某一固定频率和功率下进行无线扫描，测量各条链路的接收信号强度，从而实现位置估计的方法。虽然接收信号强度较容易获取，但是，接收信号强度为敏感信号，容易受到诸如温度、湿度、天线方向、风等外界环境因素的影响，使得基于接收信号强度信息的无线成像被动定位技术在复杂环境下无法获得较好的效果。
同时，接收信号强度信息在不同的条件下表现出不同的特征，如：在目标静止和目标运动的场合，Wilson发现其变化特征并不完全一致。“作者：J. Wilson and N. Patwari, 论文名：See throughwalls: Motion tracking using variance-based radio tomography networks, 期刊：IEEE Transactions on Mobile Computing, 年份：2011，第5期，第612页至621页”。
为了改善基于接收信号强度信息的无线成像被动定位技术在复杂环境下的性能，Zhao提出一种信号预处理措施，“作者：Y. Zhao andN. Patwari, 论文名：Noise reduction for variance-baseddevice-free localization and tracking, 会议：Proc. 8thIEEE Communication Society Conference on Sensor, Meshand Ad Hoc Communication And Networking, 年份：2011，第179页至187页”，他们提出利用子空间分解的方法来消除由于风的吹动等环境参数的影响，有效地提高了系统在复杂环境下的性能。
与上述方法相比，基于传播时间的无线成像被动定位方法从本质上克服了基于接收信号强度信息方法的不足，它采用传播时间作为观测信息，传播时间具有较强的抗干扰能力，对温度、湿度、天线方向等参数不敏感，在目标静止及运动场景下当无线链路被目标所遮蔽时传播时间均表现出测量信息正偏的特性，上述优点决定了基于传播时间的无线成像被动定位方法在复杂环境下可以获得比传统的基于接收信号强度信息的无线成像被动定位方法更好的性能。
发明内容
本发明的目的是提高复杂环境下无线成像被动定位跟踪技术的性能，通过将传播时间作为链路测量信息，在复杂环境下实现对目标位置的被动估计。其特征为通过无线网络中无线节点对之间的电波传播时间测量获取无线链路的特征信息，进而基于传播时间的变化信息实现对网络覆盖范围内移动目标的定位跟踪。
本发明的技术方案：
该系统主要有具有传播时间测量能力的无线扫描节点、无线控制节点、通用PC机组成，在通用PC机上完成位置估计。
具有传播时间测量能力的无线扫描节点：负责实现各节点对之间的传播时间测量；可通过无线通信的方式实现任意两节点之间电波传播时间的测量，具有宽带全向天线。
无线控制节点：负责协调网络工作流程，并将采集到的传播时间信息发送至PC机；可与无线扫描节点进行无线通信，具有宽带全向天线，具有与PC进行数据传输的USB接口或者UART接口。
通用PC机：常规PC机，主频1GHz以上，内存256M以上，具有与无线控制节点进行数据传输的USB接口或者UART接口。
在通用PC机上完成位置估计：根据传播时间信息对目标位置进行估计；以无线链路传播时间信息作为输入信息，输出估计的目标位置。
本发明的有益效果在于：
可以基于无线链路电波传播时间信息，在复杂环境条件下实现目标位置的被动估计。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图中：1具有传播时间测量能力的无线扫描节点；2无线控制节点；3通用PC机；4位置估计算法。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图详细阐述本发明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例：
基于NanoLoc公司NAT5TR1芯片的具有传播时间测量能力的无线扫描节点1在2.4GHz频段可以通过对称双边双向测距的方式实现任意两节点之间的传播时间测量，通信带宽80M，采用鸟声扩频技术实现较为精确的传播时间测量，8个具有传播时间测量能力的无线扫描节点1放置在8m×8m矩形区域的四边，每边间隔4m放置一个具有传播时间测量能力的无线扫描节点1，区域内有混凝土柱子等障碍物，环境较为复杂。基于NanoLoc公司NAT5TR1芯片的无线控制节点2收集各链路的传播时间测量信息，并将各链路的传播时间测量信息送至通用PC机3；基于粒子滤波的位置估计算法4以传播时间测量信息作为输入，基于随机游动模型进行粒子位置预测，基于上述传播时间测量信息以及指数模型进行粒子权值的计算，最后，将加权粒子作为目标位置的概率密度分布，将粒子加权质心作为目标的估计位置输出至通用PC机3屏幕。测试表明该复杂环境下基于传播时间的无线成像被动定位方法平均位置估计误差为1.24m，而基于接收信号强度信息的无线成像被动定位方法平均位置估计误差为1.6m。

Claims (1)

1.一种基于传播时间的无线成像被动定位方法，该系统主要有具有传播时间测量能力的无线扫描节点，无线控制节点，通用PC机，在通用PC机上完成位置估计；其特征在于：
具有传播时间测量能力的无线扫描节点：负责实现各节点对之间的传播时间测量；可通过无线通信的方式实现任意两节点之间电波传播时间的测量，具有宽带全向天线；
无线控制节点：负责协调网络工作流程，并将采集到的传播时间信息发送至PC机；可与无线扫描节点进行无线通信，具有宽带全向天线，具有与PC进行数据传输的USB接口或者UART接口；
通用PC机：常规PC机，主频1GHz以上，内存256M以上，具有与无线控制节点进行数据传输的USB接口或者UART接口；
在通用PC机上进行位置估计：根据传播时间信息对目标位置进行估计；以无线链路传播时间信息作为输入信息，输出估计的目标位置。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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