CN110996261A - 一种采用无线能量收集的定位追踪系统及方法 - Google Patents

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须成忠
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Abstract

本发明涉及移动定位技术领域，公开了一种采用无线能量收集的定位追踪系统及方法，该系统包括能量发射装置、无源锚节点和追踪目标；所述能量发射装置发送无线能量至无源锚节点；所述无源锚节点将接收到的无线能量信号作为供电电源，形成测距信号并发送至追踪目标；所述测距信号中包括无源锚节点的编号、位置信息和发送功率；所述追踪目标根据所述测距信号进行定位，并得到其与无源锚节点之间的距离。本发明采用无线能量传输的方式进行供电，保证系统能够长时间进行工作，并解决其中的功率分配问题，以达到系统最优的定位精度和最小功率。

Description

一种采用无线能量收集的定位追踪系统及方法
技术领域
本发明涉及移动定位技术领域，更具体的说，特别涉及一种采用无线能量收集的定位追踪系统及方法。
背景技术
基于位置的服务(LBS)是无线网络的一个重要应用，如跟踪仓库中的货物、医院中的医疗保健和救生任务的救援工作。在当前移动定位系统中，物联网定位系统因其可以广泛部署，尤其是在GPS信号无法到达的室内、山洞、丛林、工厂等地方，获得了广泛的应用。由于其无法穿透障碍物探测，与全球定位系统(GPS)相比，物联网定位系统在恶劣环境中最受欢迎，如建筑物、城市峡谷、树冠下或洞穴中。物联网系统具有规模大、实施速度快、成本效益高、定位精度高、测距技术简单等优点。
传统上，基于无线网络的定位系统是能量受限的，例如传感器网络，由固定电池供电，使用寿命有限。为了延长使用寿命，必须更换或重新充电电池，这可能会造成不便、昂贵或危险。另一种解决方案是从环境中获取能量，因为它可能为无线网络或物联网设备提供无限的电源。特别是，通过周围辐射的无线电信号作为无线能量收集的新来源。使用射频(RF)信号为设备供电，这些设备甚至可以在没有电池的情况下工作，用于低功率应用，可以为物联网系统提供无限的能量。
然而，物联网节点的能量供给始终制约着系统的寿命。采用电池供电的方式，经过一段时间后，要对大量的物联网重新配备电池或充电，使得人工维护成本过高。虽然有很多节能的物联网技术，但都无法保证物联网系统可以持续的工作。尤其是对于物联网定位系统，单个节点因电池耗尽而失效就会导致定位精度的下降，甚至系统无法正常工作。因此，能量成为了制约物联网定位系统的瓶颈。
目前针对物联网的能量供给技术，分为两个方面，一方面是节能技术，另一个方面是采用无线充电技术。目前有大量的物联网节能技术，除了采用电力线供电以外，没有、也不可能保证物联网节点能够永远持续的工作。而无线充电技术为物联网设备充电目前也有很多技术，例如采用磁感应技术、磁耦合技术和微波无线充电技术，但没有看到直接针对物联网定位系统的技术，更没有看到针对无线充电定位系统的资源和能量分配方法的技术。
当前，有很多针对定位系统的节能技术，例如如何降低采样频率、如何降低信号发射功率等方式，在保证一定定位精度的前提下，尽可能的降低系统的总的能耗。然而这种方法的固有缺点是电池的容量始终是一个下降的过程，无论采用何种节能技术，最终电池仍然会被耗尽，仍然需要重新充电或更换电池。微波无线充电技术可以为无线传感器或低功耗物联网设备进行充电，同时通过无线电能功率的调节，可以最大化的提升无线节点或物联网设备的数据传输速率。然而该技术的缺点是没有针对定位系统的具体应用需求进行有针对性的功率分配设计。因为定位系统在定位精度上的需求和数据传输速率不同，仅仅提升数据速率不能达到提高定位精度的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种采用无线能量收集的定位追踪系统及方法，采用无线能量传输的方式进行供电，保证系统能够长时间进行工作，并解决其中的功率分配问题，以达到系统最优的定位精度和最小功率。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
一种采用无线能量收集的定位追踪系统，该系统包括能量发射装置、无源锚节点和追踪目标；
所述能量发射装置发送无线能量信号至无源锚节点；
所述无源锚节点将接收到的无线能量信号作为供电电源，形成测距信号并发送至追踪目标；
所述追踪目标根据所述测距信号进行定位，并得到其与无源锚节点之间的距离。
进一步地，所述能量发射装置设含有K个天线，并形成相互正交的信号向量x＝[x1,…,xK]T，T表示转置；其中每个信号的功率为
Figure BDA0002276773700000031
其中k指代第k个天线，k的取值为1～K，则信号的功率向量rx＝[rx 1,…,rx K]T。
进一步地，所述无源锚节点设有N个，从能量发射装置到无源锚节点的信道矩阵为G＝[g,…,gN]T，其中每个元素gN＝[G]kn表示从第k个天线到第n个无源锚节点的信道衰减系数，n的取值为1～N，则信道衰减系数向量为gn＝[g1n,…,gkn]；得到定义信道增益
Figure BDA0002276773700000032
为gkn的均方，信道增益向量
Figure BDA0002276773700000033
进一步地，采用克拉美罗下届作为系统定位精度的衡量标准，其中克拉美罗下届是费希尔矩阵的逆矩阵；根据所述信号的功率向量rx和信道增益向量
Figure BDA0002276773700000034
构建费希尔矩阵，具体表示为公式(1)：
Figure BDA0002276773700000035
其中，
Figure BDA0002276773700000036
为方向角矩阵，φ为第n个无源锚节点到达追踪目标的方向角，
Figure BDA0002276773700000037
为背景噪声的方差；dn为追踪目标到无源锚节点之间的距离，2β为信号传播的衰减因子。
进一步地，在给定信号功率的条件下，根据公式(1)构建半正定规划问题提升系统的定位精度，得到公式(2)：
Figure BDA0002276773700000038
其中，P0为发送信号的总功率。
进一步地，在给定定位误差需求条件下，将公式(2)进行如下描述得到系统最小的发送功率，得到公式(3)：
Figure BDA0002276773700000041
其中，ρ0为追踪目标的定位误差。
进一步地，构建矩阵不等式Je -1≤Z，进而构建
Figure BDA0002276773700000042
其中I为单位矩阵，Z为构建的矩阵，进而构建最高定位精度的半正定规划问题，得到公式(4)：
Figure BDA0002276773700000043
其中，P0为发送信号的总功率。
进一步地，根据公式(4)构建最小发送功率的半正定规划问题，得到公式(5)：
Figure BDA0002276773700000044
一种采用无线能量收集的定位追踪方法，该方法具体步骤如下：
步骤S1：搭建定位追踪系统，包括能量发射装置、无源锚节点和追踪目标，其中能量发射装置发送无线能量信号至无源锚节点进行供电；无源锚节点形成测距信号并发送至追踪目标；追踪目标根据接收到的测距信号进行自主定位，得到其与无源锚节点之间的距离；
步骤S2：获取能量发射装置发送信号的功率向量rx，及能量发射装置和无源锚节点之间的信道增益向量
Figure BDA0002276773700000051
步骤S3：根据所述信号的功率向量rx和信道增益向量
Figure BDA0002276773700000052
构建费希尔矩阵，将所述费希尔矩阵的逆矩阵作为克拉美罗下届，并将克拉美罗下届作为系统定位精度的衡量标准；
步骤S4：在给定能量发射装置发送信号总功率的条件下，根据所述费希尔矩阵构建半正定规划问题，提升系统的定位精度；
步骤S5：在给定追踪目标定位误差需求条件下，将所述半正定规划问题进行转换，得到系统的最小发送功率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的系统采用能量发射装置、无源锚节点和追踪目标，即基于微波无线能量传输的方式，为物联网定位系统进行供电，解决了电池瓶颈问题。为了提高定位精度，构建半正定规划问题优化能量分配方式，实现在给定传输功率受限的条件下，最大化的提升定位精度。进一步地，对半正定规划问题进行转换，实现了在给定定位精度要求条件下，使得传输功率最小化。
附图说明
图1为本发明采用无线能量收集的定位追踪系统的原理图。
图2为本发明采用无线能量收集的定位追踪方法的流程图。
附图标记说明：100-能量发射装置、200-无源锚节点、300-追踪目标。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参阅图1所示，本申请实施例提供一种采用无线能量收集的定位追踪系统，该系统包括能量发射装置100(E-AP)、无源锚节点200和追踪目标300。
所述能量发射装置100发送无线能量信号至无源锚节点200。
所述无源锚节点200将接收到的无线能量信号作为供电电源，形成测距信号并发送至追踪目标300，所述测距信号中包括无源锚节点的编号、位置信息和发送功率。
所述追踪目标300根据所述测距信号进行自主定位，并得到其与无源锚节点200之间的距离。
进一步地，所述能量发射装置100具有无线能量发射和反馈数据接收功能，设其含有K个天线，并形成相互正交的信号向量x＝[x1,…,xK]T，T表示转置；其中每个信号的功率为
Figure BDA0002276773700000061
其中k指代第k个天线(k的取值为1～K)，则信号的功率向量rx＝[rx 1,…,rx K]T。
所述无源锚节点200为不含有任何电源或电池设备的物联网无线节点，设有N个无源锚节点200，从E-AP100到无源锚节点200的信道矩阵为G＝[g,…,gN]T，其中每个元素gN＝[G]kn表示从第k个天线到第n个无源锚节点200的信道衰减系数，n的取值为1～N。那么第k个天线到达第n个无源锚节点200的信道衰减系数向量为gn＝[g1n,…,gkn]。进而得到定义信道增益
Figure BDA0002276773700000062
为gkn的均方，信道增益向量
Figure BDA0002276773700000063
本申请实施例中，采用克拉美罗下届作为系统定位精度的衡量标准，其中克拉美罗下届是费希尔矩阵的逆矩阵。根据所述信号的功率向量rx和信道增益向量
Figure BDA0002276773700000064
构建费希尔矩阵，具体可以表示参阅公式(1)：
Figure BDA0002276773700000065
其中，
Figure BDA0002276773700000071
为方向角矩阵，φ为第n个无源锚节点到达追踪目标的方向角，
Figure BDA0002276773700000072
为背景噪声的方差；dn为追踪目标到无源锚节点之间的距离，2β为信号传播的衰减因子，自由空间中一般设置为2。
进一步地，以上述费希尔矩阵EFIM为基础，采用半正定规划方法优化能量分配方式，实现在给定传输功率受限的条件下，最大化的提升定位精度。根据公式(1)构建半正定规划问题，参阅公式(2)所示：
Figure BDA0002276773700000073
其中，P0为发送信号的总功率。
假设系统对于追踪目标定位的误差需求为ρ0，则公式(2)可以描述如公式(3)：
Figure BDA0002276773700000074
上述公式(2)和(3)属于典型的半正定规划问题，并可以用很多半正定规划方法求解，例如内点法等。公式(2)构建的半正定规划问题在给定E-AP发送功率的条件下，能够实现系统最高的定位精度。公式(3)构建的半正定规划问题在给定定位误差需求条件下，能够实现系统最小的发送功率。
本申请的另一实施例中，利用其它半正定规划方法进行功率分配，构建矩阵不等式Je -1≤Z，进而构建
Figure BDA0002276773700000075
其中I为单位矩阵，Z为构建的矩阵即所求矩阵，进而构建最高定位精度的半正定规划问题，参阅公式(4)：
Figure BDA0002276773700000076
根据公式(4)构建最小发送功率的半正定规划问题，参阅公式(5)：
Figure BDA0002276773700000081
本申请实施例中，所述能量发射装置100也可以直接发送定位信号给追踪目标300，让追踪目标300根据接收到的定位信号进行定位。但相比经过无源锚节点200进行定位，直接通过追踪目标300接收信号并定位，其定位效果较差。
参阅图2所示，本申请实施例还提供一种采用无线能量收集的定位追踪方法，该方法具体步骤如下：
步骤S1：搭建定位追踪系统，包括能量发射装置100、无源锚节点200和追踪目标300，其中能量发射装置100发送无线能量信号至无源锚节点200进行供电；无源锚节点200形成测距信号并发送至追踪目标300；追踪目标300根据接收到的测距信号进行自主定位，得到其与无源锚节点200之间的距离。
步骤S2：获取能量发射装置发送能量的功率向量rx，及能量发射装置和无源锚节点之间的信道增益向量
Figure BDA0002276773700000082
本步骤S2中，设所述能量发射装置含有K个天线，并形成相互正交的信号向量x＝[x1,…,xK]T，T表示转置；其中每个信号的功率为
Figure BDA0002276773700000083
其中k指代第k个天线(k的取值为1～K)，则能量的功率向量rx＝[rx 1,…,rx K]T。
设有N个无源锚节点，从E-AP到无源锚节点的信道矩阵为G＝[g,…,gN]T，其中每个元素gN＝[G]kn表示从第k个天线到第n个无源锚节点的信道衰减系数，n的取值为1～N。那么第k个天线到达第n个无源锚节点的信道衰减系数向量为gn＝[g1n,…,gkn]。进而得到定义信道增益
Figure BDA0002276773700000084
为gkn的均方，信道增益向量
Figure BDA0002276773700000085
步骤S3：根据所述信号的功率向量rx和信道增益向量
Figure BDA0002276773700000086
构建费希尔矩阵，将所述费希尔矩阵的逆矩阵作为克拉美罗下届，并将克拉美罗下届作为系统定位精度的衡量标准。
本步骤S3中，所述费希尔矩阵具体可以表示参阅公式(1)：
Figure BDA0002276773700000091
其中，
Figure BDA0002276773700000092
为方向角矩阵，φ为第n个无源锚节点到达追踪目标的方向角，
Figure BDA0002276773700000093
为背景噪声的方差；dn为追踪目标到无源锚节点之间的距离，2β为信号传播的衰减因子，自由空间中一般设置为2。
步骤S4：在给定E-AP发送能量总功率的条件下，根据所述费希尔矩阵构建半正定规划问题，提升系统的定位精度。
本步骤S4中，根据公式(1)构建半正定规划问题，参阅公式(2)所示：
Figure BDA0002276773700000094
其中，P0发送信号的总功率。
步骤S5：在给定追踪目标定位误差需求条件下，将所述半正定规划问题进行转换，得到系统的最小发送功率。
本步骤S5中，将公式(2)进行转换，得到公式(3)参阅如下：
Figure BDA0002276773700000095
其中，ρ0为追踪目标定位误差。
本申请的另一实施例中，利用其它半正定规划方法进行功率分配，构建矩阵不等式Je -1≤Z，进而构建
Figure BDA0002276773700000096
其中I为单位矩阵，Z为构建的矩阵即所求矩阵，进而构建最高定位精度的半正定规划问题，参阅公式(4)：
Figure BDA0002276773700000097
Figure BDA0002276773700000101
根据公式(4)构建系统最小发送功率的半正定规划问题，参阅公式(5)：
Figure BDA0002276773700000102
本申请实施例提供的采用无线能量收集的定位追踪系统及方法，通过能量发射装置100(E-AP)、无源锚节点200和追踪目标300可以持续的为无线物联网定位系统提供能量，即将微波无线充电技术和物联网无线定位系统相结合，采用无线充电技术替代传统的电池供电，解决了电池瓶颈问题。同时针对定位系统的特定需求如定位精度和低能耗的需求，采用的功率分配方法，可以通过调节E-AP的信号功率的向量，进而可以控制系统定位的精度以及总体功耗，实现功率的按需分配，从而优化系统。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用无线能量收集的定位追踪系统，其特征在于：该系统包括能量发射装置、无源锚节点和追踪目标；
所述能量发射装置发送无线能量信号至无源锚节点；
所述无源锚节点将接收到的无线能量信号作为供电电源，形成测距信号并发送至追踪目标；
所述追踪目标根据所述测距信号进行定位，并得到其与无源锚节点之间的距离。
2.根据权利要求1所述的采用无线能量收集的定位追踪系统，其特征在于：所述能量发射装置设含有K个天线，并形成相互正交的信号向量x＝[x1,…,xK]T，T表示转置；其中每个信号的功率为
Figure FDA0002276773690000011
其中k指代第k个天线，k的取值为1～K，则信号的功率向量rx＝[rx 1,…,rx K]T。
3.根据权利要求2所述的采用无线能量收集的定位追踪系统，其特征在于：所述无源锚节点设有N个，从能量发射装置到无源锚节点的信道矩阵为G＝[g,…,gN]T，其中每个元素gN＝[G]kn表示从第k个天线到第n个无源锚节点的信道衰减系数，n的取值为1～N，则信道衰减系数向量为gn＝[g1n,…,gkn]；得到定义信道增益
Figure FDA0002276773690000012
为gkn的均方，信道增益向量
Figure FDA0002276773690000013
4.根据权利要求3所述的采用无线能量收集的定位追踪系统，其特征在于：采用克拉美罗下届作为系统定位精度的衡量标准，其中克拉美罗下届是费希尔矩阵的逆矩阵；根据所述信号的功率向量rx和信道增益向量
Figure FDA0002276773690000014
构建费希尔矩阵，具体表示为公式(1)：
Figure FDA0002276773690000015
其中，
Figure FDA0002276773690000016
为方向角矩阵，φ为第n个无源锚节点到达追踪目标的方向角，
Figure FDA0002276773690000017
为背景噪声的方差；dn为追踪目标到无源锚节点之间的距离，2β为信号传播的衰减因子。
5.根据权利要求4所述的采用无线能量收集的定位追踪系统，其特征在于：在给定信号功率的条件下，根据公式(1)构建半正定规划问题提升系统的定位精度，得到公式(2)：
Figure FDA0002276773690000021
其中，P0为发送信号的总功率。
6.根据权利要求5所述的采用无线能量收集的定位追踪系统，其特征在于：在给定定位误差需求条件下，将公式(2)进行如下描述得到系统最小的发送功率，得到公式(3)：
Figure FDA0002276773690000022
其中，ρ0为追踪目标的定位误差。
7.根据权利要求4所述的采用无线能量收集的定位追踪系统，其特征在于：构建矩阵不等式Je -1≤Z，并构建
Figure FDA0002276773690000025
其中I为单位矩阵，Z为构建的矩阵，进而构建最高定位精度的半正定规划问题，得到公式(4)：
Figure FDA0002276773690000023
其中，P0为发送信号的总功率。
8.根据权利要求7所述的采用无线能量收集的定位追踪系统，其特征在于：根据公式(4)构建最小发送功率的半正定规划问题，得到公式(5)：
Figure FDA0002276773690000024
9.一种基于权利要求1-8所述采用无线能量收集的定位追踪系统的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤S1：搭建定位追踪系统，包括能量发射装置、无源锚节点和追踪目标，其中能量发射装置发送无线能量信号至无源锚节点进行供电；无源锚节点形成测距信号并发送至追踪目标；追踪目标根据接收到的测距信号进行自主定位，得到其与无源锚节点之间的距离；
步骤S2：获取能量发射装置发送信号的功率向量rx，及能量发射装置和无源锚节点之间的信道增益向量
Figure FDA0002276773690000031
步骤S3：根据所述信号的功率向量rx和信道增益向量
Figure FDA0002276773690000032
构建费希尔矩阵，将所述费希尔矩阵的逆矩阵作为克拉美罗下届，并将克拉美罗下届作为系统定位精度的衡量标准；
步骤S4：在给定能量发射装置发送信号总功率的条件下，根据所述费希尔矩阵构建半正定规划问题，提升系统的定位精度；
步骤S5：在给定追踪目标定位误差需求条件下，将所述半正定规划问题进行转换，得到系统的最小发送功率。
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