CN105353643A - 一种复杂环境中运动目标快速定位的方法 - Google Patents

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李家林
孙程光
张一明
邵维
王秉中
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Abstract

本发明公开一种复杂环境中运动目标快速定位的方法，涉及无线定位技术领域。所述快速定位方法包括至少三个时间反演镜，其坐标位置已知且固定；至少一个运动目标，每个目标有唯一的识别编码；以及后台运算控制中心。所述快速定位方法基于时间反演技术，利用其特有的时空聚焦特性减小环境对定位结果的影响，目标的定位精度高；引入时间反演镜，与常用的无线定位方法相比，成本低；采用后台控制运算中心，通过电磁仿真，可实现对运动目标的实时定位。本发明可应用于复杂电磁环境中的各种目标定位。

Description

一种复杂环境中运动目标快速定位的方法
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域，具体涉及一种基于时间反演电磁学的适用于复杂电磁环境中运动目标快速定位的方法。
背景技术
随着无线通信服务业的不断发展，无线定位技术在近些年来受到了越来越广泛的关注。目前，用于无线定位的方法主要有以下几种：
第一种是基于接收信号强度(ReceivedSignalStrength,RSS)定位方法，通过测量参考目标的接收信号与未知目标的发射信号之间的信号强度或功率的关系来计算两者之间的距离。此方式对硬件要求不高，比较容易实现，但信号强度容易受到环境影响，如障碍物、反射与折射、温度、多径传播、天线增益等，因此定位精度较低。
第二种是基于到达角度(AngleofArrival,AOA)的定位方法，通过计算参考目标与未知目标之间的相对位置或角度，再根据三角测量等方法确定目标位置。此方法需要对每个目标配备价格昂贵的天线阵列或多个无线接收装置，体积大，硬件成本高，不适合大规模的无线定位系统。
第三种是基于到达时间(TimeofArrival,TOA)的定位方法，通过信号在参考目标和未知目标之间传输的时间差以及信号的传输速度来估算两者之间的距离。由于无线信号的传输速度快，微小的时间误差值会造成测量结果的较大误差，所以此方法目标点之间需要保持精确的时间同步，对节点的硬件和功耗要求较高。
第四种是基于到达时间差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)的定位方法，参考目标发射两种不同速率的无线信号(如无线射频信号和超声波信号)，通过两种信号到达未知目标的时间差和速率计算两者之间的距离。由于需要发射不同的信号，因此对目标点的硬件要求更高，另外超声波的传输容易受非视距的影响。
上述几种常用的无线定位方法仍然存在许多弊端，因此如何降低目标点的硬件成本，摆脱客观环境等因素对定位精度的影响，是目前亟需解决的问题。时间反演技术由于其可实现电磁信号的时间-空间同步聚焦特性，已广泛用于高分辨率目标探测和成像、高速无线通信等领域。在接收端将发送端发射的电磁信号接收并进行时间反演，再重新发射，重新发射的电磁信号就会在原发射点附近实现空间和时间的同步聚焦，寻找聚焦点就可以实现对未知目标的定位。时间反演技术通过对信号的反演可实现空间匹配滤波，补偿环境对信号产生的影响，因此基于该技术的定位方法可以在复杂环境中实现对未知目标的精确定位。
发明内容
针对现有技术和问题，本发明的目的在于提供一种基于时间反演电磁学的适用于复杂电磁环境中运动目标的快速定位方法。通过合理设计方案，使之能够确定区域内任意运动目标的空间坐标位置。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于时间反演电磁学的适用于复杂电磁环境中运动目标的快速定位方法，主要包括以下步骤：
初始化：在实际场景中布置至少三个时间反演镜，其坐标位置已知且固定；至少一个运动目标，每个目标有唯一的识别编码；以及存储有每个目标识别编码的后台运算控制中心，如图1所示；
步骤1、运动目标发送带其识别编码的信号r(t)给区域内的所有运动目标和时间反演镜，所有时间反演镜同步记录接收到的信号ri’(t)(i＝1,2,3…分别对应第1、2、3....个时间反演镜)；
步骤2、由后台控制运算中心将时间反演镜同步接收到的信号ri’(t)分别进行时间反演获得相应反演信号，同时在计算机中构建对应于实际场景的仿真界面，在每个时间反演镜处以相应反演信号ri’(-t)(i＝1,2,3…)作为虚拟发射信号，在计算机中模拟虚拟发射信号在实际场景中的传播过程；
步骤3、所有反演镜发射的反演信号在传播过程中会自动的出现时间-空间同步聚焦，则该聚焦点即为运动目标的当前位置；
重复执行步骤1至步骤3即可在后台控制运算中心处实现运动目标的即时定位。
上述方法为被动寻的类型，即当运动目标发送信号至时间反演镜后，后台控制运算中心被动的获得相应信息并进行目标定位；进一步的，若后台控制运算中心希望主动进行运动目标的定位即主动寻的，则在上述方法完成初始化且执行步骤1之前，还包括如下操作：由后台控制运算中心控制时间反演镜发射带运动目标编码的探测信号d(t)，运动目标接收到探测信号后发送带运动目标编码的信号r(t)给区域内的所有目标，即此时信号r(t)为探测信号d(t)的应答信号。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述快速定位方法采用时间反演技术，避免了环境对定位结果的影响，可有效提高目标的定位精度；
(2)本发明所述快速定位方法引入时间反演镜，与常用的无线定位方法相比，降低了目标点的硬件成本；
(3)本发明所述快速定位方法采用后台控制运算中心，通过电磁仿真，实现了对运动目标的实时定位。
附图说明
图1本发明所述复杂电磁环境中目标快速定位方法的初始化示意图。
图2本发明所述复杂电磁环境中目标快速定位方法主动寻的步骤1的示意图。
图3本发明所述复杂电磁环境中目标快速定位方法主动寻的步骤2的示意图。
图4本发明所述复杂电磁环境中目标快速定位方法主动寻的流程图。
图5本发明所述复杂电磁环境中目标快速定位方法被动寻的步骤1的示意图。
图6本发明所述复杂电磁环境中目标快速定位方法被动寻的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步的说明。
基于时间反演电磁学的适用于复杂电磁环境中运动目标的快速定位方法，其实施区域如图1所示。包括时间反演镜TRM1、TRM2、TRM3，坐标位置已知且固定；运动目标A、B、C、D，每个目标有唯一的识别编码；后台运算控制中心。所述时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3的结构相同，所述运动目标A、B、C和D位置任意且未知。
实施例1
如图4所示，主动寻的定位方法的步骤如下：
步骤1、如图2所示，设需要确定运动目标A的位置，由后台控制运算中心控制时间反演镜TRM1发射带运动目标A编码的探测信号d(t)；
步骤2、如图3所示，运动目标A收到探测信号d(t)后，发送带运动目标A编码的应答信号r(t)给区域内的所有目标(包括运动目标B、C、D和时间反演镜TRM1、TRM2、TRM3)，时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3同步记录收到的信号ri’(t)(i＝1,2,3分别对应三个时间反演镜)；
步骤3、由后台控制运算中心将时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3同步接收到的信号ri’(t)(i＝1,2,3)分别进行时间反演，同时在计算机中构建对应于实际场景的仿真界面，在时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3处以反演信号ri’(-t)(i＝1,2,3)作为虚拟发射信号，在计算机中模拟其在实际场景中的传播过程；
步骤4、时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3发射的反演信号在传播过程中会自动的出现时间-空间同步聚焦，从而确定聚焦点，该聚焦点即为目标位置；
重复进行上述四个步骤，在后台控制运算中心的计算机上进行电磁仿真，则可在计算机界面上动态显示反演聚焦过程，聚焦点即为目标点位置。
实施例2
如图6所示，被动寻的定位方法的步骤如下：
步骤a、如图5所示，运动目标A发送带其编码的信号r(t)给区域内的所有目标(包括运动目标B、C、D和时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3)，时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3同步记录接收到的信号ri’(t)(i＝1,2,3分别对应三个时间反演镜)；
步骤b、由后台控制运算中心将时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3同步接收到的信号ri’(t)(i＝1,2,3)分别进行时间反演，同时在计算机中构建对应于实际场景的仿真界面，在时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3处以反演信号ri’(-t)(i＝1,2,3)作为虚拟发射信号，在计算机中模拟其在实际场景中的传播过程；
步骤c、时间反演镜TRM1、TRM2和TRM3发射的反演信号在传播过程中会自动的出现时间-空间同步聚焦，从而确定聚焦点，该聚焦点即为目标位置；
重复进行上述三个步骤，在后台控制运算中心的计算机上进行电磁仿真，则可在计算机界面上动态显示反演聚焦过程，聚焦点即为目标点位置。
上述两个实施例适用于微波各频段的复杂环境中运动目标的快速定位，频率可根据需要确定。

Claims (2)

1.一种复杂环境中运动目标快速定位的方法，主要包括以下步骤：
初始化：在实际场景中布置至少三个时间反演镜，其坐标位置已知且固定；至少一个运动目标，每个目标有唯一的识别编码；以及存储有每个目标识别编码的后台运算控制中心；
步骤1、运动目标发送带其识别编码的信号r(t)给区域内的所有运动目标和时间反演镜，所有时间反演镜同步记录接收到的信号ri’(t)(i＝1,2,3…分别对应第1、2、3….个时间反演镜)；
步骤2、由后台控制运算中心将时间反演镜同步接收到的信号ri’(t)分别进行时间反演获得相应反演信号，同时在计算机中构建对应于实际场景的仿真界面，在每个时间反演镜处以相应反演信号ri’(-t)(i＝1,2,3…)作为虚拟发射信号，在计算机中模拟其在实际场景中的传播过程；
步骤3、所有反演镜发射的反演信号在传播过程中会自动的出现时间-空间同步聚焦，则该聚焦点即为运动目标的当前位置；
重复执行步骤1至步骤3即可在后台控制运算中心处实现运动目标的实时定位。
2.根据权利要求1所述的复杂环境中运动目标快速定位的方法，其特征在于，在上述方法完成初始化且执行步骤1之前，还包括如下操作：
由后台控制运算中心控制时间反演镜发射带运动目标编码的探测信号d(t)，运动目标接收到探测信号后发送带运动目标编码的信号r(t)给区域内的所有目标，即此时信号r(t)为探测信号d(t)的应答信号。
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