CN105116375B - 基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法 - Google Patents

基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，属于无线网络中目标探测与定位技术领域。本方法通过测量链路的RSS值在多个频点上的变化量检测衰减链路，通过目标粗定位删除干扰链路获得阴影衰落链路集合，然后利用加权最小二乘方法对目标精确定位。与单频点下衰减链路检测相比本方法采用基于多频点的衰减链路检测在室内多径环境中有更好的性能，能够提高监测区域内目标的检测性能和定位精度，并且可以降低系统的虚警概率。

Description

基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法
技术领域
本发明涉及一种无线层析成像系统定位方法，是一种基于多频点衰减链路检测和鲁棒无源被动目标定位的无线层析成像系统定位方法，属于无线网络中目标探测与定位技术领域。
背景技术
被动目标定位是一种新兴的目标定位技术，该技术可以定位监测区域中不携带任何电子标签的目标，因此可以广泛应用于家居安全，灾难救援，军事目标探测等领域。目前大多数被动目标定位采用视频摄像头，红外，声学传感器或者雷达等方法，但是这些方法都有很大的缺陷例如无法穿透墙壁、在黑暗和烟雾环境中无法工作、价格非常昂贵等。近年来基于接收信号强度(RSS)的被动目标定位方法引起了很大关注，因为大多数的无线设备可以提供RSS，例如无线接入点或者无线传感器节点。因此基于RSS的被动目标定位可以很容易的扩展到现有的无线网络中而不需要额外增加硬件设备。该技术的优点还在它能够定位隐藏在墙(或者其他非金属结构)之后的目标。目前，基于RSS的被动目标定位技术已经被成功的应用于区域目标监测,穿墙探测以及生命探测等应用中。
基于RSS的被动目标定位利用由于目标的存在而造成的射频节点间无线链路的RSS的变化。现有的基于RSS变化检测衰减链路的方法都是在单频点(射频节点的工作频率为单个频率值)上进行的，这些方法比较适用于视距(LOS)路径信号功率占主导地位的室外环境。然而在室内多径环境中，发射节点和接收节点之间并非只有LOS路径，还有许多的反射和绕射路径。为了简单起见假设收发节点之间只有四条路径，如图1所示，其中路径2，路径3，路径4都是收发节点之间的反射路径。因此单频点下由于目标遮挡造成的RSS变化是不可预测的，仅仅根据单频点上RSS值的变化很难准确检测出链路是否被目标遮挡，使链路检测有很大的虚警和漏检，并造成较大的定位误差。另外，现有的基于多频点(射频节点的工作频率为多个频率值)的被动目标定位是根据RSS在不同频点上的衰减情况选择出其中一个频点上的RSS测量值进行目标定位，而且现有的被动目标定位方法对干扰链路没有鲁棒性，使得链路检测存在很大的虚警，使得定位精度较差。
发明内容
本发明提出一种基于多频点RSS变化量的衰减链路检测方法，利用RSS在不同频点上的变化来估计链路的衰减，然后利用链路的衰减检测出衰减链路。与单频点下衰减链路检测相比基于多频点的衰减链路检测在室内多径环境中有更好的性能。另外本发明提出鲁棒无源被动目标定位方法，该定位方法包括两个步骤：首先通过目标粗定位删除干扰链路获得阴影衰落链路集合，然后根据阴影衰落链路，利用加权最小二乘(WLS)方法对目标精确定位。实验证明通过本发明提出的方法，监测区域内目标的检测性能和定位精度都有了很大程度的提高。
本发明所述的基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，具体包括以下步骤：
步骤一：利用链路在多频点上的RSS变化量检测衰减链路集合LD；
步骤1.1：配置节点：
监测区域为2维xoy平面，o为坐标原点；将K个工作在相同频段且支持相同通信协议的无线节点部署在监测区域周围且K≥4，所有节点都位于同一个xoy坐标平面上，且每个节点被分配一个唯一的ID号作为标识；K个无线节点的坐标是已知的，并记第α个节点的坐标为(xα,yα),α＝1,...,K；
所述K个无线节点共构成L＝K(K-1)/2条无线链路，这些节点的工作频率为C个不同的频点，在同一时刻这些节点工作于同一个频点上；各节点在同一个频点上依次发送信号，当一个节点发送信号时其他的节点接收信号并且得到相应链路在该频点上的无线信号接收信号强度即RSS值；当所有链路的RSS值测量完成后，所有节点共同切换到下一个频点并再次依次发送和接收信号，当完成所有链路在全部频点上的RSS值测量后，所有节点同时切换到第一个频点进新的测量；
步骤1.2：在监测区域内无目标和有目标两种情况下测量各链路在各频点上的RSS值：
当监测区域内无目标时，第l条链路在第c个频点上的RSS值为l＝1,2,...,L，c＝1,2,...,C；
当目标存在于监测区域内时，第l条链路在第c个频点上的RSS为Pc,l，l＝1,2,...,L，c＝1,2,...,C；其中Pl,c和Pc,l的单位是mW；
步骤1.3：根据步骤1.2测得的和Pc,l判断各链路是否为衰减链路，从而获得衰减链路集合LD，判断方法如下：
如果链路l满足下面公式就判定这条链路是衰减链路：
其中是链路l基于多频点的衰减估计值，γth是衰减阈值，γth的选值来自系统对虚警概率和漏检概率的要求，从而得到衰减链路集合为：
步骤二：进行鲁棒无源被动目标定位，方法如下；
步骤2.1：利用粗定位方法得到目标中心的粗略位置估计，包括如下步骤：
步骤2.1.1：将监测区域划分成边长为Δ的正方形网格，N1和N2是每行和每列包含的网格的个数，因此监测区域共被分为N＝N1×N2个网格，对这些网格依次编号并用(un,vn)表示第n个网格的中心坐标，n＝1,2,....,N1×N2；用Tn,l表示衰减链路集合LD中的链路l是否穿过第n个网格；则Tnl和(un,vn)之间的关系是：
其中Tn,l＝1表示链路l穿过第n个网格，Tn,l＝0表示链路l没有穿过第n个网格；dn,l表示从第n个网格的中心到链路l的距离，R是目标的半径；
步骤2.1.2：求取各网格的Mn值，第n个网格的Mn值采用加权形式表示为：
其中ND是衰减链路集合LD中链路的数目，将Mn值最大的网格的中心坐标作为目标位置的粗估计，如下式所述：
其中表示返回具有最大Mn值的网格编号nmax，即是目标中心位置的粗估计，是网格nmax的中心坐标；
步骤2.2：利用空域特性检测链路并删除干扰链路得到阴影衰落链路集合L′D，方法如下：
如果衰减链路集合LD中的链路l满足下式则判定该链路是阴影衰落链路：
其中是由步骤2.1.2得到的目标位置的粗估计到衰减链路集合LD中链路l的距离，Rth是距离阈值且Rth取值大于R；则得到阴影衰落链路的集合：
步骤2.3：利用加权最小二乘算法定位目标，包括如下步骤：
步骤2.3.1：建立阴影衰落链路集合L′D中链路l的直线方程：
如果由无线节点ω∈{1,2,...,K}和β∈{1,2,...,K}构成的链路l是阴影衰落链路l∈L′D，并且假设目标中心在监测区域中的位置坐标为(x,y)，无线节点ω和β的坐标分别为(xω，yω)和(xβ，yβ)，则目标中心坐标必须满足下面的方程：
即：
如果定义al和bl是阴影衰落链路集合L′D中构成第l链路的两个节点的y坐标之差及x坐标之差，el是这两个节点的y坐标与x坐标之间的运算，即al＝yβ-yω，bl＝xω-xβ和el＝xωyβ-xβyω，上述方程可以写为：
alx+bly＝el
这是L′D中阴影衰落链路l的直线方程，假设在阴影衰落链路集合L′D中有N′D条链路，则根据此式得到N′D条链路的直线方程；
步骤2.3.2：根据如上阴影衰落链路集合L′D中的N′D条链路的直线方程，建立关于目标中心位置的目标函数：
其中是步骤1.3给出的链路l的基于多频点的衰减估计值，作为阴影衰落链路集合L′D中链路l误差项的加权因子；这个目标函数的解就是目标位置估计；
步骤2.3.3：求解步骤2.3.2中的目标函数获得目标中心位置的估计值，所述目标函数的解为：
其中H＝[a,b]，是目标中心位置坐标的估计值，
作为优选，各节点广播发送信号的帧结构包括四个组成部分：FLAG标志位、CID、NID、DATA；其中，
FLAG标识该帧是命令帧还是数据帧，FLAG＝0表示该帧为数据帧，每个节点通过数据帧将其存储在DATA中的与其他K-1个节点之间的RSS测量值进行广播；FLAG＝1表示该帧为频点切换命令帧，此时DATA为空；令第1个节点负责发送命令帧，当一个频点上的所有链路的RSS值测量结束之后，第1个节点广播发送命令帧通知其他节点切换到下一个频点；
CID是信道序号即频点编号；
NID是当前发送信号的节点的ID；
DATA是当前节点的K-1个接收信号强度RSS。
进一步地，作为优选的技术方案，每个频点下的每条链路的RSS值测量多次，各条链路的RSS值取多次测量的平均值，然后再统一切换到下一个频点进行测量。
作为优选，所述第1个节点的工作方法如下：
假设每个频点下的每条链路的RSS值需要测量N次，当前测量次数为Num；当第1个节点接收到数据帧之后判断在当前CID给出的频点下是否完成了全部测量：
如果完成了这N次测量即Num＝N，则判断当前CID是否等于最后一个频点编号，如果是，则表示完成了所有频点上所有链路的RSS值测量，测量结束；否则第1个节点广播发送切换频点的命令帧，将命令帧中CID加1，同时将FLAG置1，Num置0，然后开始在CID+1频点上的第一轮测试，第1个节点发送数据帧，同时将FLAG置0且NID＝1，此时Num＝1；
如果在当前CID频点上没有完成这N次测量即Num＜N，则判断当前接收数据帧中的NID是否等于最大的节点ID号，如果接收数据帧中的NID等于最大的节点ID号，则令Num加1，开始新一轮的测量，即第1个节点发送数据帧，同时将FLAG置0且NID＝1；如果当前收数据帧中的NID不等于最大的节点ID号，则轮到节点ID号为NID+1的节点发送数据帧，第1个节点接收数据帧，更新自身和当前发送节点之间链路的RSS值到自身数据帧中DATA部分。
进一步地，第1个节点还包括一个定时器；在第1个节点接收数据帧过程中启动该定时器，如果在定时器预设时间内第1个节点没有收到其他节点发送的数据帧，则NID置1，由第1个节点重新发送数据帧并且重置定时器，即重新开始该轮的测量。
作为优选，对于除了第1个节点之外的其他节点，当节点接收到信号帧之后首先判断该帧是数据帧还是命令帧：
如果FLAG＝1，则表示接收的是命令帧，该节点将工作频点切换到命令帧中CID指定的频点；
如果FLAG＝0，则表示接收的是数据帧，判断NID+1是否等于该节点的自身ID号，如果NID+1等于节点的自身ID号，表示轮到该节点发送信号，将该节点发送的数据帧FLAG置0且令NID等于自身ID；如果NID+1不等于该节点的自身ID号，表示没有轮到该节点发送信号，该节点只负责接收数据帧，并更新自身和当前发送节点之间链路的RSS值到自身数据帧中DATA部分。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，该方法通过测量链路的RSS值在多个频点上的变化量检测衰减链路，与单频点下衰减链路检测相比基于多频点的衰减链路检测在室内多径环境中有更好的检测性能。另外本发明提出鲁棒无源被动目标定位方法，该定位方法通过目标粗定位删除干扰链路获得阴影衰落链路集合，然后根据阴影衰落链路，利用WLS方法对目标精确定位。能够很大程度地提高监测区域内目标的检测性能和定位精度。
附图说明
图1：多径环境的示意图；
图2：基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法流程图；
图3：目标位置粗略估计的网格示意图；
图4：发送信号的帧结构；
图5：第1个节点的工作流程图；
图6：其他节点的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果。本发明提出的基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法的流程图如图2所示，具体包括如下实施步骤：
步骤一：利用链路在多频点上的RSS变化量检测衰减链路集合LD；
步骤1.1：配置节点：
监测区域为2维xoy平面，o为坐标原点；将K个工作在相同频段且支持相同通信协议的无线节点部署在监测区域周围且K≥4，所有节点都位于同一个xoy坐标平面上，且每个节点被分配一个唯一的ID号作为标识；K个无线节点的坐标是已知的，并记第α个节点的坐标为(xα,yα),α＝1,...,K；
所述K个无线节点共构成L＝K(K-1)/2条无线链路，这些节点的工作频率为C个不同的频点，在同一时刻这些节点工作于同一个频点上；各节点在同一个频点上依次发送信号，当一个节点发送信号时其他的节点接收信号并且得到相应链路在该频点上的无线信号接收信号强度即RSS值；当所有链路的RSS值测量完成后，所有节点共同切换到下一个频点并再次依次发送和接收信号，当完成所有链路在全部频点上的RSS值测量后，所有节点同时切换到第一个频点进行新的测量；
作为优选，所述的K个无线节点均支持IEEE802.15.4协议；
进一步地，所述的K个无线节点是CC2530节点；
或者，作为优选，所述的K个无线节点是UWB超宽带节点；
作为优选，所有节点放置的高度相同。
作为优选，各节点按照令牌环的方式按序依次发送和接收信号。
步骤1.2：在监测区域内无目标和有目标两种情况下测量各链路在各频点上的RSS值：
当监测区域内无目标时，第l条链路在第c个频点上的RSS值为l＝1,2,...,L，c＝1,2,...,C；
当目标存在于监测区域内时，第l条链路在第c个频点上的RSS为Pc,l，l＝1,2,...,L，c＝1,2,...,C；其中和Pc,l的单位是mW；
由于目标的存在会影响监测区域的无线环境，比如目标会吸收，反射或者散射无线信号，造成第l条链路在第c个频点上的RSS即的改变。
步骤1.3：根据步骤1.2测得的和Pc,l判断各链路是否为衰减链路，从而获得衰减链路集合LD，判断方法如下：
当目标遮挡路径时功率会发生很大的衰减，如果链路l满足下面公式就判定这条链路是衰减链路：
其中是链路l基于多频点的衰减估计值，γth是衰减阈值，γth的选值来自系统对虚警概率和漏检概率的要求，优选值一般为1dB至5dB。从而得到衰减链路集合为：
步骤二：进行鲁棒无源被动目标定位，方法如下；
步骤2.1：利用对干扰链路不敏感的定位算法即粗定位方法得到目标中心的粗略位置估计，包括如下步骤：
步骤2.1.1：
由于非LOS路径遮挡链路的存在会造成很大的定位误差，因此需要我们找到一种对干扰链路不敏感的定位算法获得目标位置的粗略估计，然后根据目标的粗略位置估计删除干扰链路得到阴影衰落链路集合，最后利用阴影衰落链路获得目标位置的精确定位，从而提高目标的定位精度，因此本发明提出了粗定位方法来获得目标位置的粗略估计。在监测区域中真正被目标遮挡的链路几乎相交于一个相对集中的小区域，而干扰链路则随机的分布于监测区域。因此，即便是有干扰链路我们依然可以推断出目标的位置，即大部分的链路穿过的区域，因此粗定位方法对非LOS路径遮挡链路即干扰链路不敏感。
将监测区域划分成边长为Δ的正方形网格，N1和N2是每行和每列包含的网格的个数，因此监测区域共被分为N＝N1×N2个网格，对这些网格依次编号并用(un,vn)表示第n个网格的中心坐标，n＝1,2,....,N1×N2；用Tn,l表示衰减链路集合LD中的链路l是否穿过第n个网格；则Tn,l和(un,vn)之间的关系是：
其中Tn,l＝1表示链路l穿过第n个网格，Tn,l＝0表示链路l没有穿过第n个网格；dn,l表示从第n个网格的中心到链路l的距离，R是目标的半径(目标可假设为圆柱模型)，R的优选值一般为0.3m～0.5m；
网格n的中心到链路l的距离dn,l和目标的半径R之间的关系示意图如图3所示；
步骤2.1.2：
计算衰减链路集合LD中穿过每个网格的链路的总数，链路穿过最多的网格即为目标位置的粗估计；令网格n被衰减链路集合LD中的链路穿过的总的次数为：
其中ND是衰减链路集合LD中链路的数目，考虑到每条链路衰减的不同，求取各网格的Mn值，第n个网格的Mn值采用加权形式表示为：
其中ND是衰减链路集合LD中链路的数目，将Mn值最大的网格的中心坐标作为目标位置的粗估计，如下式所述：
其中表示返回具有最大Mn值的网格编号nmax，即是目标中心位置的粗估计，是网格nmax的中心坐标；
步骤2.2：利用空域特性检测链路并删除干扰链路得到阴影衰落链路集合L′D，方法如下：
首先讨论衰减和目标位置的关系，一般而言，链路的衰减依赖于目标到该链路的距离，目标距离该链路距离越近引起的衰减就会越大，反之引起的衰减就会越小。当从目标到链路l的距离小于步骤2.1.1中提出的目标圆柱模型的半径即0≤dl＜R时目标开始遮挡该链路l，当dl≥R时该链路l不受目标的遮挡。因此在得到目标位置的粗略估计之后，本发明利用空域特性检测阴影衰落链路，空域检测只需要将目标到链路的距离和距离阈值Rth进行比较即可，因此如果衰减链路集合LD中的链路l满足下式则判定该链路是阴影衰落链路：
其中是由步骤2.1.2得到的目标位置的粗估计到衰减链路集合LD中链路l的距离，Rth是距离阈值且Rth取值大于R，通常其取值比目标模型半径R稍大，优选值一般为0.4m～0.6m；则得到阴影衰落链路的集合
步骤2.3：利用加权最小二乘(WLS)算法定位目标，包括如下步骤：
步骤2.3.1：建立阴影衰落链路集合L′D中链路l的直线方程：
如果由无线节点ω∈{1,2,...,K}和β∈{1,2,...,K}构成的链路l是阴影衰落链路l∈L′D，并且假设目标中心在监测区域中的位置坐标为(x,y)，则目标中心坐标必须满足下面的方程：
即：
如果定义al和bl是阴影衰落链路集合L′D中构成第l链路的两个节点的y坐标之差及x坐标之差，el是这两个节点的y坐标与x坐标之间的运算，即al＝yβ-yω，bl＝xω-xβ和el＝xωyβ-xβyω，上述方程可以写为：
alx+bly＝el
这是L′D中阴影衰落链路l的直线方程，假设在阴影衰落链路集合L′D中有N′D条链路，则根据此式得到N′D条链路的直线方程；
步骤2.3.2：根据如上阴影衰落链路集合L′D中的N′D条链路的直线方程，建立关于目标中心位置的目标函数：
关于目标中心坐标的目标函数为：
其中dl为从目标中心到阴影衰落链路l的距离；链路RSS的衰减越大表示目标在该条链路上的可能性越大。因此关于目标位置的目标函数可以改写为：
其中是步骤1.3给出的链路l的基于多频点的衰减估计值，作为阴影衰落链路集合L′D中链路l误差项的加权因子；这个目标函数的解就是目标位置估计；
步骤2.3.3：求解步骤2.3.2中的目标函数获得目标中心位置的估计值：
下面的矩阵形式能够更直观的表示上述目标函数：
对目标函数关于[x,y]T求导并令该导数为0，可以得到目标函数的解为：
其中H＝[a,b]，是目标中心位置坐标的估计值，
下面结合具体实验对本发明做详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本实验采用的硬件平台为完全兼容IEEE802.15.4协议的TICC2530节点，其最大发射功率为4.5dBm。共16个节点，每个节点都安装有全向天线，因此当某个节点发送信号时在通信范围中的其他节点都可以接收信号。本实施例中，这些节点可以工作在2.4GHz频段的11频点到26频点共16个频点上，并能提供量化的RSS值，量化范围为0-255。
为了快速的得到所有链路在不同频点上的RSS值，这些节点支持的协议的基本思想是所有的节点工作在一个频点上来测量这个频点上所有链路的RSS值，当所有节点均发送过一轮信号之后，所有的节点同时切换到下一个频点。在相同的频点上，所有的节点以令牌环的方式循环发送信号，当一个节点发送信号时其他的节点接收信号并且得到相应链路的RSS值。因此，在所有的节点完成一次信号发送后就可以得到所有链路在一个频点上的RSS值。然后所有的节点切换到下一个频点并且重复上一个频点RSS的测量过程。
为了保证所有的节点工作在这样一种方式，各节点广播发送信号的帧结构设计如图4所示(所述的发送测量信号就是发送帧)。所述帧结构包括四个组成部分：FLAG标志位、CID、NID、DATA。前三部分的长度都是一个字节。
FLAG标识该帧是命令帧还是数据帧，FLAG＝0表示该帧为数据帧，每个节点通过数据帧将自己与其他K-1个节点之间的RSS测量值进行广播，因此在数据帧的DATA部分有K-1个RSS值；FLAG＝1表示该帧为频点切换命令帧，此时DATA为空。
CID是信道序号即频点编号；本实施例中CID取11～26；
NID是当前发送信号的节点的ID，每一个无线节点都被分配了一个唯一的ID号；本实施例中NID取1～16；
DATA是当前节点的K-1个接收信号强度RSS。一般按照每个RSS的发送节点的ID递增+1的顺序存储。即每个节点相对于某个节点的RSS在该节点的帧数据中都以其ID号的顺序进行递增排列，不包括自身节点的位置。比如对于节点3来说，它的K-1个RSS值对应的K-1条链路按顺序分别为1—3，2—3，4—3，5--3，...，K—3。
当一个节点接收到其他节点广播的数据帧时，它更新自身和发送节点之间链路的RSS值；每个节点提取接收到的数据帧中的NID并与自身的ID进行比较，以确定是否轮到自身发送数据帧信号，当最后一个节点完成信号发送后NID重新置1，第1个节点重新开始发送信号。
当一个节点接收到一个命令帧时，它切换到CID指定的频点上。
例如令第1个节点负责发送命令帧。当一个频点上的所有链路的RSS值测量结束之后，第1个节点广播发送命令帧通知其他节点切换到下一个频点。在测量RSS的过程中，为了避免由于丢包而造成的测量中断，第1个节点与比其他节点多了一项重启测量的功能。第1个节点包括一个暂停时间为TOUT＝100ms的定时器，如果在该暂停时间内第1个节点没有收到其他节点发送的数据帧，则第1个节点重新发送数据帧并且重置定时器，即重新开始该轮的测试。为了减少来自环境的干扰对RSS测量的影响，每个频点下的每条链路的RSS值测量Num＝100次取它们的平均值，即在每个频点下，都要完成100轮的测试才切换到下一个频点。
同时为了保证所有节点都能收到频点切换命令，第1个节点每次将频点切换命令帧发送5次。第1个节点的工作流程图如图5所示，当第1个节点接收到数据帧之后判断在该频点下完成了几轮测试，如果完成了100轮即Num＝100，则判断CID是否等于26，即判断当前频点是否是26频点，如果当前频点是26频点，则表示完成了所有频点上所有链路的RSS值测量，测量结束；否则第1个节点发送切换频点的命令帧，命令帧的各部分取值为CID＝CID+1，同时将FLAG置1，Num置0，开始在该频点上的第一轮测试。如果在当前频点上没有完成100轮测试，即Num＜100，则判断接收数据帧中的NID是否等于最大的节点ID号，如果接收数据帧中的NID等于最大的节点ID号，则Num＝Num+1，开始新一轮的测量，第1个节点发送数据帧，同时将FLAG置0且NID＝1。如果当前收数据帧中的NID不等于最大的节点ID号，则轮到节点ID号为NID+1的节点发送数据帧，第1个节点接收数据帧，更新自身和当前发送节点之间链路的RSS值到自身数据帧中DATA部分。在第1个节点接收信号过程中启动定时器，如果在定时器预设时间内第1个节点没有收到其他节点发送的数据帧，则NID置1，第1个节点重新发送数据帧并且重置定时器，即重新开始该轮的测试。
除第1个节点外，其他节点的功能都是相同的，他们的工作流程图如图6所示。当节点接收到信号帧之后首先判断该帧是数据帧还是命令帧：
如果FLAG＝1，则表示接收的是命令帧，该节点将工作频点切换到命令帧中CID指定的频点；
如果FLAG＝0，则表示接收的是数据帧，判断NID+1是否等于该节点的自身ID号，如果NID+1等于节点的自身ID号，表示轮到该节点发送信号，将该节点发送的数据帧FLAG置0且令NID等于自身ID；如果NID+1不等于该节点的自身ID号，表示没有轮到该节点发送信号，该节点只负责接收数据帧，并更新自身和当前发送节点之间链路的RSS值到自身数据帧中DATA部分。
除了测量节点外，还有一个基站节点。基站节点只负责接收数据包，并将数据包中的RSS数据提取出来通过串口发给数据处理系统。
实验环境为一个大小为3.6m*4.2m的办公室。它的一侧为双层结构的石膏墙，一侧为玻璃墙，另外两侧为砖墙，其中一面砖墙上有两扇窗户，玻璃墙上有一扇木门。办公室内有办公桌，椅子，电脑，柜子等其他办公用品，是一个比较复杂的多径环境。实验所用的16个节点距离地面高度为1.2m。其中9个节点放在室外，节点之间的间距为0.9m。7个节点放在室内，节点之间的间距为0.8m。因此室内和室外节点之间的通信必须穿过至少一面墙。为了衡量本发明提出方法的有效性，我们设置14个测试位置，实验结果表明和基于单频点以及加权最小二乘定位方法的室内目标定位相比，本发明提出的基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法能够提高监测区域内目标的检测性能和定位精度，并且可以降低系统的虚警概率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换和替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：利用链路在多频点上的RSS变化量检测衰减链路集合LD；
步骤1.1：配置节点：
监测区域为2维xoy平面，o为坐标原点；将K个工作在相同频段且支持相同通信协议的无线节点部署在监测区域周围且K≥4，所有节点都位于同一个xoy坐标平面上，且每个节点被分配一个唯一的ID号作为标识；K个无线节点的坐标是已知的，并记第α个节点的坐标为(xα,yα),α＝1,...,K；
所述K个无线节点共构成L＝K(K-1)/2条无线链路，这些节点的工作频率为C个不同的频点，在同一时刻这些节点工作于同一个频点上；各节点在同一个频点上依次发送信号，当一个节点发送信号时其他的节点接收信号并且得到相应链路在该频点上的无线信号接收信号强度即RSS值；当所有链路的RSS值测量完成后，所有节点共同切换到下一个频点并再次依次发送和接收信号，当完成所有链路在全部频点上的RSS值测量后，所有节点同时切换到第一个频点进新的测量；
步骤1.2：在监测区域内无目标和有目标两种情况下测量各链路在各频点上的RSS值：
当监测区域内无目标时，第l条链路在第c个频点上的RSS值为l＝1,2,...,L，c＝1,2,...,C；
当目标存在于监测区域内时，第l条链路在第c个频点上的RSS为Pc,l，l＝1,2,...,L，c＝1,2,...,C；其中和Pc,l的单位是mW；
步骤1.3：根据步骤1.2测得的和Pc,l判断各链路是否为衰减链路，从而获得衰减链路集合LD，判断方法如下：
如果链路l满足下面公式就判定这条链路是衰减链路：
<mrow> <msub> <mover> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>l</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>10</mn> <msub> <mi>log</mi> <mn>10</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>C</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>c</mi> <mo>,</mo> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>C</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>C</mi> </munderover> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>c</mi> <mo>,</mo> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>C</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mo>,</mo> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>C</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>C</mi> </munderover> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mo>,</mo> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mrow>
其中是链路l基于多频点的衰减估计值，γth是衰减阈值，γth的选值来自系统对虚警概率和漏检概率的要求，从而得到衰减链路集合为：
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>D</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>{</mo> <mi>l</mi> <mo>:</mo> <msub> <mover> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>l</mi> </msub> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> <mo>}</mo> </mrow>
步骤二：进行鲁棒无源被动目标定位，方法如下；
步骤2.1：利用粗定位方法得到目标中心的粗略位置估计，包括如下步骤：
步骤2.1.1：将监测区域划分成边长为Δ的正方形网格，N1和N2是每行和每列包含的网格的个数，因此监测区域共被分为N＝N1×N2个网格，对这些网格依次编号并用(un,vn)表示第n个网格的中心坐标，n＝1,2,....,N1×N2；用Tn,l表示衰减链路集合LD中的链路l是否穿过第n个网格；则Tn,l和(un,vn)之间的关系是：
其中Tn,l＝1表示链路l穿过第n个网格，Tn,l＝0表示链路l没有穿过第n个网格；dn,l表示从第n个网格的中心到链路l的距离，R是目标的半径；
步骤2.1.2：求取各网格的Mn值，第n个网格的Mn值采用加权形式表示为：
<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>D</mi> </msub> </munderover> <msub> <mover> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>l</mi> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>l</mi> </mrow> </msub> </mrow>
其中ND是衰减链路集合LD中链路的数目，将Mn值最大的网格的中心坐标作为目标位置的粗估计，如下式所述：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>n</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>arg</mi> <munder> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mi>n</mi> </munder> <msub> <mi>M</mi> <mi>n</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> </mrow> </msub> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>n</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中表示返回具有最大Mn值的网格编号nmax，即是目标中心位置的粗估计，是网格nmax的中心坐标；
步骤2.2：利用空域特性检测链路并删除干扰链路得到阴影衰落链路集合L′D，方法如下：
如果衰减链路集合LD中的链路l满足下式则判定该链路是阴影衰落链路：
<mrow> <msub> <mover> <mi>d</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>l</mi> </msub> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mrow>
其中是由步骤2.1.2得到的目标位置的粗估计到衰减链路集合LD中链路l的距离，Rth是距离阈值且Rth取值大于R；则得到阴影衰落链路的集合：
<mrow> <msubsup> <mi>L</mi> <mi>D</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mo>{</mo> <mi>l</mi> <mo>:</mo> <msub> <mover> <mi>d</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>l</mi> </msub> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <mi>l</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>D</mi> </msub> <mo>}</mo> <mo>;</mo> </mrow>
步骤2.3：利用加权最小二乘算法定位目标，包括如下步骤：
步骤2.3.1：建立阴影衰落链路集合L′D中链路l的直线方程：
如果由无线节点ω∈{1,2,...,K}和β∈{1,2,...,K}构成的链路l是阴影衰落链路l∈L′D，并且假设目标中心在监测区域中的位置坐标为(x,y)，无线节点ω和β的坐标分别为(xω,yω)和(xβ,yβ)，则目标中心坐标必须满足下面的方程：
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>&amp;omega;</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>y</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>&amp;omega;</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>y</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
即：
如果定义al和bl是阴影衰落链路集合L′D中构成第l链路的两个节点的y坐标之差及x坐标之差，el是这两个节点的y坐标与x坐标之间的运算，即al＝yβ-yω，bl＝xω-xβ和el＝xωyβ-xβyω，上述方程可以写为：
alx+bly＝el
这是L′D中阴影衰落链路l的直线方程，假设在阴影衰落链路集合L′D中有N′D条链路，则根据此式得到N′D条链路的直线方程；
步骤2.3.2：根据如上阴影衰落链路集合L′D中的N′D条链路的直线方程，建立关于目标中心位置的目标函数：
<mrow> <munder> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> </munder> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msubsup> <mi>N</mi> <mi>D</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> </munderover> <msub> <mover> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>l</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>a</mi> <mi>l</mi> </msub> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>b</mi> <mi>l</mi> </msub> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow>
其中是步骤1.3给出的链路l的基于多频点的衰减估计值，作为阴影衰落链路集合L′D中链路l误差项的加权因子；这个目标函数的解就是目标位置估计；
步骤2.3.3：求解步骤2.3.2中的目标函数获得目标中心位置的估计值，所述目标函数的解为：
<mrow> <msub> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mrow> <mi>R</mi> <mi>W</mi> <mi>L</mi> <mi>S</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>H</mi> <mi>T</mi> </msup> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>H</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <msup> <mi>H</mi> <mi>T</mi> </msup> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>e</mi> </mrow>
其中H＝[a,b]，是目标中心位置坐标的估计值，
2.根据权利要求1所述基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，其特征在于，各节点按照令牌环的方式按序依次发送和接收信号；所述的K个无线节点均支持IEEE802.15.4协议，或者所述的K个无线节点是UWB超宽带节点。
3.根据权利要求1所述基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，其特征在于，步骤1.3中的γth取值为1dB至5dB。
4.根据权利要求1所述基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，其特征在于，各节点广播发送信号的帧结构包括四个组成部分：FLAG标志位、CID、NID、DATA；其中，
FLAG标识该帧是命令帧还是数据帧，FLAG＝0表示该帧为数据帧，每个节点通过数据帧将其存储在DATA中的与其他K-1个节点之间的RSS测量值进行广播；FLAG＝1表示该帧为频点切换命令帧，此时DATA为空；令第1个节点负责发送命令帧，当一个频点上的所有链路的RSS值测量结束之后，第1个节点广播发送命令帧通知其他节点切换到下一个频点；
CID是信道序号即频点编号；
NID是当前发送信号的节点的ID；
DATA是当前节点的K-1个接收信号强度RSS。
5.根据权利要求4所述基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，其特征在于，每个频点下的每条链路的RSS值测量多次，各条链路的RSS值取多次测量的平均值，然后再统一切换到下一个频点进行测量。
6.根据权利要求5所述基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，其特征在于，所述第1个节点的工作方法如下：
假设每个频点下的每条链路的RSS值需要测量N次，当前测量次数为Num；当第1个节点接收到数据帧之后判断在当前CID给出的频点下是否完成了全部测量：
如果完成了这N次测量即Num＝N，则判断当前CID是否等于最后一个频点编号，如果是，则表示完成了所有频点上所有链路的RSS值测量，测量结束；否则第1个节点广播发送切换频点的命令帧，将命令帧中CID加1，同时将FLAG置1，Num置0，然后开始在CID+1频点上的第一轮测试，第1个节点发送数据帧，同时将FLAG置0且NID＝1，此时Num＝1；
如果在当前CID频点上没有完成这N次测量即Num＜N，则判断当前接收数据帧中的NID是否等于最大的节点ID号，如果接收数据帧中的NID等于最大的节点ID号，则令Num加1，开始新一轮的测量，即第1个节点发送数据帧，同时将FLAG置0且NID＝1；如果当前收数据帧中的NID不等于最大的节点ID号，则轮到节点ID号为NID+1的节点发送数据帧，第1个节点接收数据帧，更新自身和当前发送节点之间链路的RSS值到自身数据帧中DATA部分。
7.根据权利要求4所述基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，其特征在于，第1个节点还包括一个定时器；在第1个节点接收数据帧过程中启动该定时器，如果在定时器预设时间内第1个节点没有收到其他节点发送的数据帧，则NID置1，由第1个节点重新发送数据帧并且重置定时器，即重新开始该轮的测量。
8.根据权利要求4所述基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，其特征在于，第1个节点每次将频点切换命令帧发送5次。
9.根据权利要求6所述基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，其特征在于，对于除了第1个节点之外的其他节点，当节点接收到信号帧之后首先判断该帧是数据帧还是命令帧：
如果FLAG＝1，则表示接收的是命令帧，该节点将工作频点切换到命令帧中CID指定的频点；
如果FLAG＝0，则表示接收的是数据帧，判断NID+1是否等于该节点的自身ID号，如果NID+1等于节点的自身ID号，表示轮到该节点发送信号，将该节点发送的数据帧FLAG置0且令NID等于自身ID；如果NID+1不等于该节点的自身ID号，表示没有轮到该节点发送信号，该节点只负责接收数据帧，并更新自身和当前发送节点之间链路的RSS值到自身数据帧中DATA部分。
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