CN107202973A - 基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线测距定位技术领域，尤其涉及一种基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，该定位方法利用了UWB无线电定位技术，具有高精度、低成本、抗多径干扰、穿透能力强等特点，可以实现多径、多金属环境、有遮挡的海上作业平台环境下的高精度测距定位，从而为海上油区人员安全提供保障。基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，包括有如下步骤：由安置在待定位人员身上的定位标签发送UWB信号，由定位基站接收定位标签发射出的UWB信号；定位基站对接收到的UWB信号进行小波包分解；根据分解所得小波包系数构造得到能量谱特征向量；定位基站中设置的神经网络根据能量谱特征向量，计算得到定位标签与定位基站之间的距离。
Description
技术领域
本发明涉及无线测距定位技术领域，尤其涉及一种基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，能源问题日益突出，同时由于我国陆上石油资源日益枯竭，海上石油开发已成为能源发展的战略重点。然而海上生产环境受天气、海浪等外界因素影响，易遇到突发性、灾难性气候，如遇人员落水等情况，则需投入大量人力、物力进行拉网式搜索，并且搜救过程及效率亦会收到外界因素影响，导致搜救周期长、搜救效果不理想。因此随着海上作业日益频繁，对施工人员进行准确定位成为了海上油区安全亟待解决的一项技术难题。
而现有的无线定位技术例如：GPS（Global Positioning System，全球定位系统）和BDS（BeiDou Navigation Satellite System，北斗卫星导航系统），虽然在室外理想情况下可以实现小于10米的定位，但其通信信号容易受遮挡或受限于多径衰减等因素的影响，因此无法完成复杂情况下的精确定位，基于上述情况现有无线定位技术在海上作业平台上基本无法正常使用。
发明内容
本发明提供了一种基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，该定位方法利用了UWB（Ultra-WideBand，超宽带）无线电定位技术，具有高精度、低成本、抗多径干扰、穿透能力强等特点，可以实现多径、多金属环境、有遮挡的海上作业平台环境下的高精度测距定位，从而为海上油区人员安全提供保障。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，所述定位方法包括有如下步骤：
步骤1：由安置在待定位人员身上的定位标签发送UWB信号，由定位基站接收定位标签发射出的UWB信号；
步骤2：定位基站对接收到的UWB信号进行小波包分解；
步骤3：根据分解所得小波包系数构造得到能量谱特征向量；
步骤4：定位基站中设置的神经网络根据能量谱特征向量，计算得到定位标签与定位基站之间的距离。
进一步的，所述定位方法还包括有：
步骤5：服务器收集多个定位基站计算得到测距结果，并基于多个定位基站之间的距离差，利用双曲线无线定位算法完成对待定位人员的定位。
较为优选的，所述步骤2中对UWB信号进行小波包分解的过程具体可描述为：
其中，d为小波包分解得到的系数，j为小波包分解的层数，为小波包分解后在第j层上节点的序号，为第j层上第n个节点的系数序列，为接收到的UWB信号，h和g分别为由小波类型决定的低通和高通滤波器。
较为优选的，所述步骤3根据分解所得小波包系数构造得到能量谱特征向量具体可描述为：
第j层每个节点的能量满足，；
第j层UWB信号的总能量E满足，；
第j层每个节点能量与第j层UWB信号总能量的比满足，；
UWB信号的能量谱特征向量满足，。
本发明提供了一种基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，该定位方法利用了UWB（Ultra-WideBand，超宽带）无线电定位技术，包括有定位基站对接收到的UWB信号进行小波包分解、构造得到能量谱特征向量、计算得到定位标签与定位基站之间的距离、收集多个定位基站计算得到测距结果，完成对待定位人员的定位等步骤。具有上述步骤的定位方法具有着在多径、多金属环境、有遮挡等恶劣工况条件下高精度测距定位的技术效果，从而为海上油区人员的安全提供精度优于其他常用定位方法的保障。
附图说明
图1为本发明提供的基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法的流程示意图；
图2为UWB信号3层小波包分解树；
图3为信号经小波包分解后各节点能量与总能量的比值；
图4为利用本发明提供定位方法测距结果与传统方法测距结果的对照图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，该定位方法利用了UWB（Ultra-WideBand，超宽带）无线电定位技术，具有高精度、低成本、抗多径干扰、穿透能力强等特点，可以实现多径、多金属环境、有遮挡的海上作业平台环境下的高精度测距定位，从而为海上油区人员安全提供保障。
下面结合下述附图对本发明实施例做详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，该定位方法包括有如下步骤：
步骤1：由安置在待定位人员身上的定位标签发送UWB信号，由定位基站接收定位标签发射出的UWB信号；
本发明所述定位方法利用的是UWB无线通信技术。具体的，以采用的波形为二阶高斯脉冲、调制方式采用为PPM-TH-UWB、采样频率是50GHz的UWB信号为例进行描述。
值得注意的是，UWB无线通信技术作为一种新兴的高速、低成本、低功耗、高带宽无线通信技术，与目前传统的无线定位技术相比具有以下几个特点：
（1）、定位精度高：由于UWB采用纳秒级窄脉冲，其持续时间远小于多径传播时延，所以在接收端多径信号能有效分离，从而具有较高的多径分辨率，可以实现厘米级别的高精度的测距和定位。
（2）、穿透能力强：由于UWB信号具有丰富的低频分量，所以具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，从而可以实现室内和地下的精确定位。
（3）、发射功率低：由于UWB信号功率谱密度很低，所以所需平均功率很小。
（4）、安全性高：由于UWB信号功率谱密度很低，所以很难被检测到，所以安全性好，保密性高。
（5）、对其他系统干扰少：相对于其他通信系统，UWB信号所产生的干扰相当于宽带白噪声，这样可以使UWB系统与其他现有窄带通信系统共存，提高无线频谱资源的利用率，缓解海上作业平台日益紧张的无线频谱资源。
步骤2：定位基站对接收到的UWB信号进行小波包分解；
进一步的在完成步骤1的基础上，如图2所示，以定位基站使用“db6”小波方式对接收到的UWB信号进行3层小波包分解为例进行描述：
其中，具体分解满足公式（1）：
公式（1）
具体的，公式（1）中d为小波包分解得到的系数，j为小波包分解的层数，为小波包分解后在第j层上节点的序号，为第j层上第n个节点的系数序列，为接收到的UWB信号，h和g分别为由小波类型决定的低通和高通滤波器。在此，h、g分别可优选使用下列数组：[-0.0011,0.0048,0.0006,-0.0316,0.0275,0.0975,-0.1298,-0.2263,0.3153,0.7511,0.4946,0.1115]；以及[-0.1115,0.4946,-0.7511,0.3153,0.2263,-0.1298,-0.0975,0.0275,0.0316,0.0006,-0.0048,-0.0011]。
步骤3：根据分解所得小波包系数构造得到能量谱特征向量；
在完成步骤2的基础上，进一步利用“db6”小波包分解系数构造能量谱特征向量，其中根据分解小波包系数构造得到构造能量谱特征向量具体可描述为：
其一，计算第3层每个节点的能量，其中满足公式（2）：
公式（2）；（其中，j=3）；
再者，计算第3层UWB信号对应的总能量E满足，其中总能量E满足公式（3）：
公式（3）；（其中，j=3）；
再者，分别计算第3层每个节点能量与第3层UWB信号总能量的比以及UWB信号的能量谱特征向量；
其中，第3层每个节点能量与第3层UWB信号总能量的比满足公式（4）：
公式（4）；（其中，j=3）；
而UWB信号的能量谱特征向量满足公式（5）：
公式（5）；（其中，j=3）。
信号经小波包分解后各节点能量与总能量的比值可参照图3。
步骤4：定位基站中设置的神经网络根据能量谱特征向量，计算得到定位标签与定位基站之间的距离；
在完成步骤3的基础上，进一步利用定位基站中设置的神经网络计算定位标签与定位基站之间的距离。具体的可分为以下两个步骤完成：第一步，训练神经网络生成拟合公式以及相关参数。首先，在实际环境下进行多次试验（例如：试验次数不小于1000次），试验时将定位基站接收到的UWB信号能量谱特征向量作为神经网络的输入，将定位标签与定位基站的实际距离作为神经网络的输出。
第二步，在完成神经网络的训练后，将通过前述步骤计算所得构造的特征向量输入到已经训练好的神经网络中，通过神经网络的拟合公式以及相关参数计算得到定位标签与定位基站之间的距离，即定位标签的测距。
值得注意的是，如图4所示，图4中示出了通过神经网络计算测距结果与传统方法测距结果的对照图；可以发现，通过神经网络计算的测距结果较传统方法测距结果准确率更高。
而作为本发明的一种较为优选的实施方式，如图1所示，本发明提供的定位方法还包括有步骤5。
步骤5：服务器收集多个定位基站计算得到测距结果，并基于多个定位基站之间的距离差，利用双曲线无线定位算法完成对待定位人员的定位。
在完成步骤4的基础上，进一步通过服务器收集多个定位基站计算得到测距结果，完成对待定位人员的二维/三维定位。其中，若要实现二维定位效果则基站的数量不应少于3个，若要实现三维定位效果则基站的数量不应少于4个。
本发明提供了一种基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，该定位方法利用了UWB（Ultra-WideBand，超宽带）无线电定位技术，包括有定位基站对接收到的UWB信号进行小波包分解、构造得到能量谱特征向量、计算得到定位标签与定位基站之间的距离、收集多个定位基站计算得到测距结果，完成对待定位人员的定位等步骤。具有上述步骤的定位方法具有着在多径、多金属环境、有遮挡等恶劣工况条件下高精度测距定位的技术效果，从而为海上油区人员的安全提供精度优于其他常用定位方法的保障。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，其特征在于，所述定位方法包括有如下步骤：
步骤1：由安置在待定位人员身上的定位标签发送UWB信号，由定位基站接收定位标签发射出的UWB信号；
步骤2：定位基站对接收到的UWB信号进行小波包分解；
步骤3：根据分解所得小波包系数构造得到能量谱特征向量；
步骤4：定位基站中设置的神经网络根据能量谱特征向量，计算得到定位标签与定位基站之间的距离。
2.根据权利要求1所述的基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，其特征在于，所述定位方法还包括有：
步骤5：服务器收集多个定位基站计算得到测距结果，并基于多个定位基站之间的距离差，利用双曲线无线定位算法完成对待定位人员的定位。
3.根据权利要求1所述的基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，其特征在于，所述步骤2中对UWB信号进行小波包分解的过程具体可描述为：
其中，d为小波包分解得到的系数，j为小波包分解的层数，为小波包分解后在第j层上节点的序号，为第j层上第n个节点的系数序列，为接收到的UWB信号，h和g分别为由小波类型决定的低通和高通滤波器。
4.根据权利要求1所述的基于超宽带能量谱特征向量定位人员的方法，其特征在于，所述步骤3根据分解所得小波包系数构造得到能量谱特征向量具体可描述为：
第j层每个节点的能量满足，；
第j层UWB信号的总能量E满足，；
第j层每个节点能量与第j层UWB信号总能量的比满足，；
UWB信号的能量谱特征向量满足，。
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