CN114895239A - 毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法、装置及系统 - Google Patents

毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法、装置及系统，该方法包括：毫米涡旋波束发射子系统发射预先调制的毫米涡旋波束；毫米涡旋波束接收子系统接收毫米涡旋波束，以及根据光强频域增强法匹配对准测距，确定与毫米涡旋波束发射子系统之间的距离；根据空间交会原理，得到毫米涡旋波束接收子系统的初始位置；根据分数阶卡尔曼滤波算法确定毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。本发明实施例中涡旋波定位系统采用光强频域增强法匹配对准测距，根据空间交会原理，进行定位，短时间内达到亚米级定位精度，数据在传输过程中信息是加密的，采用分数阶卡尔曼滤波定位算法实时定位，有较好的滤波能力，提高了定位精度。

Description

毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及定位技术领域，具体而言，涉及一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法、装置及系统。
背景技术
现有定位技术中最为常用的是全球卫星导航定位系统(Global NavigationSatellite System)定位，但是GNSS定位在室外遮蔽区域的接收信号弱，甚至无法接收信号，导致无法完成高精度定位，无法满足人们日常需求。
现有定位技术容易受到其他信号及环境干扰影响导致定位精度不足，且信号私密性不强，容易被截获后用于定位。
发明内容
本发明解决的是现有定位技术定位精度不足以及信号私密性不强的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法，应用于毫米涡旋波束定位系统，所述毫米涡旋波束定位系统包括毫米涡旋波束发射子系统和毫米涡旋波束接收子系统，所述方法包括：所述毫米涡旋波束发射子系统发射预先调制的毫米涡旋波束；所述毫米涡旋波束接收子系统接收所述毫米涡旋波束，以及根据光强频域增强法匹配对准测距，确定与所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离；根据所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离，根据空间交会原理，确定所述毫米涡旋波束接收子系统的初始位置；根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。
可选地，所述根据光强频域增强法匹配对准测距，确定所述毫米涡旋波束接收子系统与毫米涡旋波束发射子系统之间的距离，包括：根据接收到的所述毫米涡旋波束处理得到光强图像；根据图像配准算法对所述光强图像进行频域增强法预处理，以及使用傅里叶变换将预处理后的所述光强图像从图像空间转换到频域空间；在频域空间对所述光强图像进行增强，以及利用傅里叶反变换将增强后的所述光强图像从频域空间转换到图像空间，得到图像空间的增强光强图像；根据所述图像空间的增强光强图像，确定所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离。
可选地，所述根据所述图像空间的增强光强图像确定所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统的距离，包括：显示相位全息图，以及根据所述相位全息图确定多台所述毫米涡旋波束发射子系统发射毫米涡旋波束的传输距离。
可选地，设Xk＝[xk,yk,zk,vx,k,vy,k,vz,k]T，xk,yk,zk为k时刻毫米涡旋波束接收子系统在x，y，z轴上的坐标，vx,k,vy,k,vz,k为对应轴上毫米涡旋波束接收子系统的速度，
Figure BDA0003576702890000021
为估计值，Ad为k-1到k时刻的系统状态转移矩阵，Ad＝A-I，I是单位阵，Bk为系统在k时刻的系数输入矩阵，Qk为定位过程中的系统噪声矩阵，H是量测矩阵，vk为观测噪声矩阵，
Figure BDA0003576702890000022
为量测向量；
Figure BDA0003576702890000023
Figure BDA0003576702890000024
Figure BDA0003576702890000025
Figure BDA0003576702890000026
Figure BDA0003576702890000027
Pk+1＝(I-KkH)Pk (6)
Kk＝PkHT(HkPkHT+Rk)-1 (7)
其中，
Figure BDA0003576702890000028
所述根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置，包括：
(1)初始化系统状态方程(1)和(2)的状态矩阵Ad，初始化参数B，Q，
Figure BDA0003576702890000031
P0，uk，初始化量测矩阵H；
(2)计算毫米涡旋波束接收子系统先验状态值
Figure BDA0003576702890000032
及先验误差协方差Pk；
(3)预测目标在k+1时刻的状态值
Figure BDA0003576702890000033
及其误差协方差Pk+1；
(4)更新状态矩阵Ad；
(5)判断状态估计值
Figure BDA0003576702890000034
是否达到收敛，若未达到则继续执行步骤(2)。
可选地，所述毫米涡旋波束发射子系统发射预先调制的毫米涡旋波束包括：
通过调制器将已映射为轨道角动量、幅度或相位的变化的信号调制到毫米波上，使用发射天线阵将毫米波辐射形成毫米涡旋波束。
可选地，所述毫米涡旋波束定位系统包括毫米涡旋波束接收子系统及多台毫米涡旋波束发射子系统，所述方法还包括：选定毫米涡旋波束发射子系统中的一台为毫米涡旋波束发射主子系统，以便于确定时间同步参考基准；所述毫米涡旋波束发射子系统接收所述毫米涡旋波束发射主子系统发射的毫米涡旋波束，以及根据光强频域增强法匹配对准测距确定与所述毫米涡旋波束发射主子系统之间的距离；根据空间交会原理，确定各台其他毫米涡旋波束发射子系统的位置，用于对毫米涡旋波束发射子系统位置校准；校准所述毫米涡旋波束发射子系统位置后，进行所述毫米涡旋波束接收子系统初始位置确定；根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。
可选地，利用束腰半径反推出毫米涡旋波束的传输距离，所述束腰半径w与传输距离z的关系如下：
Figure BDA0003576702890000035
其中，
Figure BDA0003576702890000036
为瑞利距离，λ为波长，w0为发射光束的束腰半径。
本发明提供了一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位装置，应用于毫米涡旋波束定位系统，所述毫米涡旋波束定位系统包括毫米涡旋波束发射子系统和毫米涡旋波束接收子系统，所述装置包括：发射模块，用于发射预先调制的毫米涡旋波束；距离确定模块，用于接收子系统接收所述毫米涡旋波束，以及根据光强频域增强法匹配对准测距，确定与所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离；定位模块，用于根据所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离，根据空间交会原理，确定所述毫米涡旋波束接收子系统的初始位置；跟踪模块，用于根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。
可选地，所述距离确定模块具体用于：根据接收到的所述毫米涡旋波束处理得到光强图像；根据图像配准算法对所述光强图像进行频域增强法预处理，以及使用傅里叶变换将预处理后的所述光强图像从图像空间转换到频域空间；在频域空间对所述光强图像进行增强，以及利用傅里叶反变换将增强后的所述光强图像从频域空间转换到图像空间，得到图像空间的增强光强图像；根据所述图像空间的增强光强图像确定所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离。
本发明提供了一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位系统，所述系统用于执行上述毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法。
本发明实施例中涡旋波定位系统采用光强频域增强法匹配对准测距，根据空间交会原理，进行定位，可以短时间内达到亚米级定位精度，由于涡旋波的特点，数据在传输过程中信息是加密的；以及采用分数阶卡尔曼滤波定位算法实时定位，相较于整数阶卡尔曼滤波得到较为理想的输出值，最优估计出该系统的状态，有较好的滤波能力，提高了定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中毫米涡旋波束定位系统在短距离通信范围内，易在信号接收端接收到信号，受大气湍流、雨雾等传播环境造成的多径效应环境因素影响较小。
在本发明实施例中，毫米涡旋波束定位系统包括毫米涡旋波束发射子系统(通常需要至少4台)和一台毫米涡旋波束接收子系统组成，毫米涡旋波束发射子系统的位置已知，毫米涡旋波束接收子系统位置未知。
毫米涡旋波束发射子系统中的电磁波源发出电磁波束，由透镜傅立叶变换后，到达同轴计算全息图获得轨道角动量，通过计算机编程把要传输的信息数据以轨道角动量编码的形式载入电磁波束中，再经准光学望远镜扩束后发射出去，在自由空间中传播。示例性地，毫米涡旋波束发射子系统包括：
(1)电磁波源：当采用不同的波段进行通信时，所对应的电磁波产生器就为相应的波源，不同的波段主要针对不同的通信目的。可选地，采用毫米波波段可以防止大气扰动比较严重，电磁波产生器为毫米波源，其置于透镜前焦平面。
(2)透镜：目的是对电磁波束进行傅立叶变换。
(3)同轴计算全息图：由空间光调制器显示，这样可实时再现相息图，无需经过以往对胶片的显影和漂白等麻烦的工艺。相息图只能产生零级和级共线性的衍射，零级产生的仍为不带角动量的波束，用来对系统的排列进行校准。计算机预先以轨道角动量值的形式设定好信息的编码值，对相息图一级衍射产生的角动量值进行控制。要放置于透镜的后焦平面之后，紧贴后焦平面的位置。
(4)准光学望远镜：目的是对电磁波束进行扩束准直。
经大气传播后的电磁波束被毫米涡旋波束接收子系统中的准光学望远镜缩束准直后，由离轴计算全息图解码，再经透镜傅立叶变换到达焦平面成像系统，由计算机分析计算出角动量值，从而解码出信息，可以实现无线通信的目的。示例性地，毫米涡旋波束接收子系统包括：
(1)准光学望远镜：是一个倒置的扩束系统。
(2)离轴计算全息图：同时有水平和垂直方向，也由空间光调制器显示，其在远场的衍射图为一个的阵列形式，各波束之间的间隔由计算机控制。不能发生混叠。且要放置于透镜的前焦平面之前，紧贴前焦平面的位置。
(3)透镜：透镜的目的是对离轴计算全息图衍射出的电磁波束进行傅立叶变换。
(4)焦平面成像系统：焦平面成像系统放置于透镜的后焦平面，获取离轴计算全息图的阵列形式衍射图，除了中心用于校准的点中心始终为亮点外，在其余8个点中有一个点的中心也为亮点，由此可以知道对应的角动量值，再经高速处理器分析计算就可解码出发送的信息。
在本发明实施例中，各器件的中心要对准。毫米涡旋波束发射子系统向毫米涡旋波束接收子系统依照某频率发射具有初始相位信息的毫米波涡旋波信号，毫米涡旋波束发射子系统获取携带反射相位信息的涡旋波信号，进行移相处理，并对多台移相结果信息求和得到信号幅值，获得每一台毫米涡旋波束发射子系统与毫米涡旋波束接收子系统之间的距离，然后利用三维坐标中的距离公式，3台毫米涡旋波束发射子系统及一台毫米涡旋波束接收子系统，组成3个方程式，解得信号接收子系统的空间位置坐标。
由于毫米涡旋波束发射子系统与毫米涡旋波束接收子系统之间不可避免的存在时间误差，所以为了消除误差影响，至少还需要一台毫米涡旋波束发射子系统。
当毫米涡旋波束发射子系统与毫米涡旋波束接收子系统的时钟同步之后，整个系统不再需要其余的毫米涡旋波束发射子系统来差分消除时钟偏差，因为每一台毫米涡旋波束发射子系统都会自动与毫米涡旋波束发射主子系统进行时钟同步。一旦毫米涡旋波束发射子系统时钟同步之后，测量出的毫米涡旋波束接收子系统的位置精度可以达到亚米级，整个系统最主要的优势是时钟同步之后阵列内将不再存在时钟偏差。示例性地，毫米涡旋波束定位系统采用TimeLoc技术来使得所有的涡旋波束收发射器阵列时钟同步。
参见图1所示的一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法的流程示意图，该方法应用于上述毫米涡旋波束定位系统，该方法包括以下步骤：
S102，毫米涡旋波束发射子系统发射预先调制的毫米涡旋波束。
在开阔已知点布设若干发射子系统(数量大于等于4台)，可以保持这几台发射子系统之间相互通视。具体地，可以通过调制器将已映射为轨道角动量、幅度或相位的变化的信号调制到毫米波上，然后使用发射天线阵将毫米波辐射形成毫米涡旋波束。产生轨道角动量波束的器件有多种，例如圆形相控阵天线、螺旋相位板、螺旋抛物面天线、介质谐振天线等。
由于已知毫米涡旋波束发射主子系统的位置，以及多台其他毫米涡旋波束发射子系统的位置，毫米涡旋波束接收子系统的位置可以按照以下方式确定：毫米涡旋波束发射子系统(毫米涡旋波束发射子系统同时具有接收功能)接收毫米涡旋波束发射主子系统发射的毫米涡旋波束，以及根据光强频域增强法匹配对准测距确定与毫米涡旋波束发射主子系统之间的距离；根据空间交会原理，确定各台其他毫米涡旋波束发射子系统的位置，用于对毫米涡旋波束发射子系统位置校准。
S104，毫米涡旋波束接收子系统接收毫米涡旋波束，以及根据光强频域增强法匹配对准测距，确定与毫米涡旋波束发射子系统之间的距离。
毫米涡旋波束接收子系统追踪并捕获到从毫米波涡旋波束信号，使用解调单元将涡旋电磁波信号移相处理得到信号幅值，使用光强频域增强法匹配对准测距，根据空间交会原理测得毫米涡旋波束接收子系统的初始位置。示例性地，可以按照以下方式执行：
首先，根据接收到的毫米涡旋波束处理得到光强图像。
其次，根据图像配准算法对光强图像进行频域增强法预处理，以及使用傅里叶变换将预处理后的光强图像从图像空间转换到频域空间。
然后，在频域空间对光强图像进行增强，以及利用傅里叶反变换将增强后的光强图像从频域空间转换到图像空间，得到图像空间的增强光强图像。
然后，根据图像空间的增强光强图像确定毫米涡旋波束接收子系统与多台毫米涡旋波束发射子系统之间的距离。具体地，可以显示相位全息图，以及根据相位全息图确定多台毫米涡旋波束发射子系统发射的毫米涡旋波束的传输距离，还可以给出接收的传输数据。具体地，传输距离可以按照以下方式确定：利用束腰半径反推出毫米涡旋波束的传输距离，束腰半径w与传输距离z的关系如下：
Figure BDA0003576702890000081
其中，
Figure BDA0003576702890000082
为瑞利距离，λ为波长，w0为发射光束的束腰半径。
S106，根据毫米涡旋波束接收子系统与多台毫米涡旋波束发射子系统之间的距离，根据空间交会原理，确定毫米涡旋波束接收子系统的初始位置。
其中，也可以利用同一带宽内传播不同的本征值的涡旋波，从而利用低价的温控晶振代替昂贵的原子钟来获取时钟同步。在有同步时钟源的情况下，可以获取恒温晶振提供的基准频率的实际频率，以及每秒内的脉冲次数；并按照顺序，每设定秒数计算设定秒数内的脉冲次数的和值，记为β值，并将得到的各和值依次存入到缓冲区队列中；当失去同步时钟源时，对得到的β值进行相应的处理，得到恒温晶振的频率补偿值，以实现对恒温品振的频率的变化进行预测；最后，根据频率补偿值产生守时秒脉冲，实现时间同步装置的守时。
S108，根据分数阶卡尔曼滤波算法确定毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。
在得到毫米涡旋波束接收子系统的初始位置后，若其处于移动状态，可以根据分数阶卡尔曼滤波算法对其进行定位跟踪，提高定位精度。
其中，设Xk＝[xk,yk,zk,vx,k,vy,k,vz,k]T，xk,yk,zk为k时刻毫米涡旋波束接收子系统在x，y，z轴上的坐标，vx,k,vy,k,vz,k为对应轴上毫米涡旋波束接收子系统的速度，
Figure BDA0003576702890000099
为估计值，Ad为k-1到k时刻的系统状态转移矩阵，Ad＝A-I，I是单位阵，Bk为系统在k时刻的系数输入矩阵，Qk为定位过程中的系统噪声矩阵，H是量测矩阵，vk为观测噪声矩阵，
Figure BDA0003576702890000091
为量测向量；
Figure BDA0003576702890000092
Figure BDA0003576702890000093
Figure BDA0003576702890000094
Figure BDA0003576702890000095
Figure BDA0003576702890000096
Pk+1＝(I-KkH)Pk (6)
Kk＝PkHT(HkPkHT+Rk)-1 (7)
其中，
Figure BDA0003576702890000097
根据分数阶卡尔曼滤波算法确定毫米涡旋波束接收子系统的实时位置，可以包括以下步骤：
(1)初始化系统状态方程(1)和(2)的状态矩阵Ad，初始化参数B，Q，
Figure BDA0003576702890000098
P0，uk，初始化量测矩阵H；
(2)计算毫米涡旋波束接收子系统先验状态值
Figure BDA0003576702890000101
及先验误差协方差Pk；
(3)预测目标在k+1时刻的状态值
Figure BDA0003576702890000102
及其误差协方差Pk+1；
(4)更新状态矩阵Ad；
(5)判断状态估计值
Figure BDA0003576702890000103
是否达到收敛，若未达到则继续执行步骤(2)。
其中
Figure BDA0003576702890000104
采用分数阶卡尔曼滤波算法进行确定信号接收子系统的位置，相较于整数阶卡尔曼滤波得到较为理想的输出值，最优估计出该系统的状态，有较好的滤波能力，提供定位精度。可以同时实现数据传输测距和实时定位。
例如，在室外树荫遮蔽区域，周围的开阔场景布设若干信号发射子系统，行人手持着信号接收器，用于接收信号，根据上述描述的测距原理和步骤进行测距定位，准确获得行人的位置信息，随着行人的行走，便能够获得行人的轨迹信息。
本发明实施例提供的毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法，涡旋波定位系统采用光强频域增强法匹配对准测距，根据空间交会原理，进行定位，短时间内达到亚米级定位精度，由于涡旋波的特点，数据在传输过程中信息是加密的；以及采用分数阶卡尔曼滤波定位算法实时定位，相较于整数阶卡尔曼滤波得到较为理想的输出值，最优估计出该系统的状态，有较好的滤波能力，提高了定位精度。
本发明实施例提出的上述利用毫米涡旋波对信息编码的定位方法，可广泛应用于应急灾害定位、地下场景定位、煤矿人员定位等城市环境场景，具有容量大，安全性高，成本低，灵活方便等优势。上述定位系统利用了毫米涡旋波的穿透性与测距性能，能够短时间内达到亚米级定位精度；可以同时实现数据传输和测距实时定位，且在信号传播过程中信号处于保密状态，具有传输数据容量大，防窃听的特点，即使有其他的信号接收到部分信号，也不能完成定位功能。
本发明实施例还提供了一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位装置，应用于毫米涡旋波束定位系统，所述毫米涡旋波束定位系统包括毫米涡旋波束发射子系统和毫米涡旋波束接收子系统。图2为本发明实施例中一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位装置的结构示意图，所述装置包括：
发射模块201，用于发射预先调制的毫米涡旋波束；
距离确定模块202，用于接收子系统接收所述毫米涡旋波束，以及根据光强频域增强法匹配对准测距，确定与所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离；
定位模块203，根据所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离，根据空间交会原理，确定所述毫米涡旋波束接收子系统的初始位置。
跟踪模块204，用于根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。
本发明实施例提供的毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位装置，涡旋波定位系统采用光强频域增强法匹配对准测距，根据空间交会原理，短时间内达到亚米级定位精度，由于涡旋波的特点，数据在传输过程中信息是加密的；以及采用分数阶卡尔曼滤波定位算法实时定位，相较于整数阶卡尔曼滤波得到较为理想的输出值，最优估计出该系统的状态，有较好的滤波能力，提高了定位精度。
可选地，所述距离确定模块具体用于：根据接收到的所述毫米涡旋波束处理得到光强图像；根据图像配准算法对所述光强图像进行频域增强法预处理，以及使用傅里叶变换将预处理后的所述光强图像从图像空间转换到频域空间；在频域空间对所述光强图像进行增强，以及利用傅里叶反变换将增强后的所述光强图像从频域空间转换到图像空间，得到图像空间的增强光强图像；根据所述图像空间的增强光强图像确定所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离。
可选地，所述定位模块具体用于：显示相位全息图，以及根据所述相位全息图确定多台所述毫米涡旋波束发射子系统发射毫米涡旋波束的传输距离。
可选地，设Xk＝[xk,yk,zk,vx,k,vy,k,vz,k]T，xk,yk,zk为k时刻毫米涡旋波束接收子系统在x，y，z轴上的坐标，vx,k,vy,k,vz,k为对应轴上毫米涡旋波束接收子系统的速度，
Figure BDA0003576702890000121
为估计值，Ad为k-1到k时刻的系统状态转移矩阵，Ad＝A-I，I是单位阵，Bk为系统在k时刻的系数输入矩阵，Qk为定位过程中的系统噪声矩阵，H是量测矩阵，vk为观测噪声矩阵，
Figure BDA0003576702890000122
为量测向量；
Figure BDA0003576702890000123
Figure BDA0003576702890000124
Figure BDA0003576702890000125
Figure BDA0003576702890000126
Figure BDA0003576702890000127
Pk+1＝(I-KkH)Pk (6)
Kk＝PkHT(HkPkHT+Rk)-1 (7)
其中，
Figure BDA0003576702890000128
所述跟踪模块具体用于：
(1)初始化系统状态方程(1)和(2)的状态矩阵Ad，初始化参数B，Q，
Figure BDA0003576702890000129
P0，uk，初始化量测矩阵H；
(2)计算毫米涡旋波束接收子系统先验状态值
Figure BDA00035767028900001210
及先验误差协方差Pk；
(3)预测目标在k+1时刻的状态值
Figure BDA00035767028900001211
及其误差协方差Pk+1；
(4)更新状态矩阵Ad；
(5)判断状态估计值
Figure BDA00035767028900001212
是否达到收敛，若未达到则继续执行步骤(2)。
可选地，所述发射模块具体用于：通过调制器将已映射为轨道角动量、幅度或相位的变化的信号调制到毫米波上，使用发射天线阵将毫米波辐射形成毫米涡旋波束。
可选地，所述毫米涡旋波束定位系统包括毫米涡旋波束发射主子系统及多台其他毫米涡旋波束发射子系统；所述定位模块还用于：所述毫米涡旋波束发射子系统接收所述毫米涡旋波束发射主子系统发射的毫米涡旋波束，以及根据所述毫米涡旋波束确定与所述毫米涡旋波束发射主子系统之间的距离；根据空间交会原理，确定各台其他毫米涡旋波束发射子系统的位置，用于对毫米涡旋波束发射子系统位置校准，校准所述毫米涡旋波束发射子系统位置后，进行所述毫米涡旋波束接收子系统初始位置确定；根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。
可选地，利用束腰半径反推出毫米涡旋波束的传输距离，所述束腰半径w与传输距离z的关系如下：
Figure BDA0003576702890000131
其中，
Figure BDA0003576702890000132
为瑞利距离，λ为波长，w0为发射光束的束腰半径。
本发明实施例提供了一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位系统，所述系统用于执行上述毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法，其特征在于，应用于毫米涡旋波束定位系统，所述毫米涡旋波束定位系统包括毫米涡旋波束发射子系统和毫米涡旋波束接收子系统，所述方法包括：
所述毫米涡旋波束发射子系统发射预先调制的毫米涡旋波束；
所述毫米涡旋波束接收子系统接收所述毫米涡旋波束，以及根据光强频域增强法匹配对准测距，确定与所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离；
根据所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离，根据空间交会原理，确定所述毫米涡旋波束接收子系统的初始位置；
根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据光强频域增强法匹配对准测距，确定所述毫米涡旋波束接收子系统与毫米涡旋波束发射子系统之间的距离，包括：
根据接收到的所述毫米涡旋波束处理得到光强图像；
根据图像配准算法对所述光强图像进行频域增强法预处理，以及使用傅里叶变换将预处理后的所述光强图像从图像空间转换到频域空间；
在频域空间对所述光强图像进行增强，以及利用傅里叶反变换将增强后的所述光强图像从频域空间转换到图像空间，得到图像空间的增强光强图像；
根据所述图像空间的增强光强图像确定所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述图像空间的增强光强图像确定所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统的距离，包括：
显示相位全息图，以及根据所述相位全息图确定多台所述毫米涡旋波束发射子系统发射毫米涡旋波束的传输距离。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设Xk＝[xk，yk，zk，vx，k，vy，k，vz，k]T，xk，yk，zk为k时刻毫米涡旋波束接收子系统在x，y，z轴上的坐标，vx，k，vy，k，vz，k为对应轴上毫米涡旋波束接收子系统的速度，
Figure FDA0003576702880000021
为估计值，Ad为k-1到k时刻的系统状态转移矩阵，Ad＝A-I，I是单位阵，Bk为系统在k时刻的系数输入矩阵，Qk为定位过程中的系统噪声矩阵，H是量测矩阵，vk为观测噪声矩阵，
Figure FDA0003576702880000022
为量测向量；
Figure FDA0003576702880000023
Figure FDA0003576702880000024
Figure FDA0003576702880000025
Figure FDA0003576702880000026
Figure FDA0003576702880000027
Pk+1＝(I-KkH)Pk (6)
Kk＝PkHT(HkPkHT+Rk)-1 (7)
其中，
Figure FDA00035767028800000213
所述根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置，包括：
(1)初始化系统状态方程(1)和(2)的状态矩阵Ad，初始化参数B，Q，
Figure FDA0003576702880000029
P0，uk，初始化量测矩阵H；
(2)计算毫米涡旋波束接收子系统先验状态值
Figure FDA00035767028800000210
及先验误差协方差Pk；
(3)预测目标在k+1时刻的状态值
Figure FDA00035767028800000211
及其误差协方差Pk+1；
(4)更新状态矩阵Ad；
(5)判断状态估计值
Figure FDA00035767028800000212
是否达到收敛，若未达到则继续执行步骤(2)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述毫米涡旋波束发射子系统发射预先调制的毫米涡旋波束包括：
通过调制器将已映射为轨道角动量、幅度或相位的变化的信号调制到毫米波上，使用发射天线阵将毫米波辐射形成毫米涡旋波束。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述毫米涡旋波束定位系统包括毫米涡旋波束接收子系统及多台毫米涡旋波束发射子系统；所述方法还包括：
选定毫米涡旋波束发射子系统中的一台为毫米涡旋波束发射主子系统，以便于确定时间同步参考基准；所述毫米涡旋波束发射子系统接收所述毫米涡旋波束发射主子系统发射的毫米涡旋波束，以及光强频域增强法匹配对准测距确定与所述毫米涡旋波束发射主子系统之间的距离；
根据空间交会原理，确定各台其他毫米涡旋波束发射子系统的位置，用于对其他毫米涡旋波束发射子系统位置校准；
校准所述毫米涡旋波束发射子系统位置后，进行所述毫米涡旋波束接收子系统初始位置确定；
根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用束腰半径反推出毫米涡旋波束的传输距离，所述束腰半径w与传输距离z的关系如下：
Figure FDA0003576702880000031
其中，
Figure FDA0003576702880000032
为瑞利距离，λ为波长，w0为发射光束的束腰半径。
8.一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位装置，其特征在于，应用于毫米涡旋波束定位系统，所述毫米涡旋波束定位系统包括毫米涡旋波束发射子系统和毫米涡旋波束接收子系统，所述装置包括：
发射模块，用于发射预先调制的毫米涡旋波束；
距离确定模块，用于接收子系统接收所述毫米涡旋波束，以及根据光强频域增强法匹配对准测距，确定与所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离；
定位模块，用于根据所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离，根据空间交会原理，确定所述毫米涡旋波束接收子系统的初始位置；
跟踪模块，用于根据分数阶卡尔曼滤波算法确定所述毫米涡旋波束接收子系统的实时位置。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述距离确定模块具体用于：
根据接收到的所述毫米涡旋波束处理得到光强图像；
根据图像配准算法对所述光强图像进行频域增强法预处理，以及使用傅里叶变换将预处理后的所述光强图像从图像空间转换到频域空间；
在频域空间对所述光强图像进行增强，以及利用傅里叶反变换将增强后的所述光强图像从频域空间转换到图像空间，得到图像空间的增强光强图像；
根据所述图像空间的增强光强图像确定所述毫米涡旋波束接收子系统与多台所述毫米涡旋波束发射子系统之间的距离。
10.一种毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位系统，其特征在于，所述系统用于执行权利要求1-7任一项所述的毫米涡旋波束的分数阶卡尔曼滤波定位方法。
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