專(zhuān)利名稱：一種基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定位和追蹤系統(tǒng)，尤其涉及一種基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
定位技術(shù)改變著人類(lèi)生活的方方面面。GPS系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到普通人生活中，汽車(chē)導(dǎo)航、GPS定位地圖應(yīng)用及GPS的各類(lèi)衍生應(yīng)用層出不窮。但是GPS由于自身系統(tǒng)的限制作用，無(wú)法在建筑物內(nèi)使用。且民用級(jí)GPS的定位精度較差，不適應(yīng)于小范圍的精確定位應(yīng)用。由此在市場(chǎng)中出現(xiàn)了諸多室內(nèi)和小范圍的定位系統(tǒng)，這些系統(tǒng)應(yīng)用多種形式信號(hào)進(jìn)行定位，諸如超聲波信號(hào)、紅外線信號(hào)、433MHz電磁波信號(hào)、900MHz電磁波信號(hào)、2.4GHz電磁波信號(hào)以及應(yīng)用UWB技術(shù)的寬頻電磁波信號(hào)。這些系統(tǒng)各具特點(diǎn)，但都有一個(gè)共同的技術(shù)缺陷，這些系統(tǒng)的定位效果很大程度上受制于視距問(wèn)題(line of sight)。而低頻電磁波由于頻率較低，在靠近輻射源的近場(chǎng)區(qū)域能夠形成穩(wěn)定的具有穿透性的磁場(chǎng)信號(hào)，因此在應(yīng)用低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)中，通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)在理論上已經(jīng)解決了視距問(wèn)題，使得區(qū)域定位系統(tǒng)更靠近實(shí)際中的應(yīng)用環(huán)境。以有源RFID為代表的使用2.4GHz電磁波信號(hào)的定位系統(tǒng)，通過(guò)能量檢測(cè)的方式進(jìn)行定位測(cè)量，其定位·結(jié)果具有很大的誤差，即使使用了先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)其精度也無(wú)法滿足實(shí)際定位應(yīng)用，僅能應(yīng)用在需要存在檢測(cè)的場(chǎng)合。同時(shí)使用這些技術(shù)會(huì)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本上升，不利于大規(guī)模使用。Microsoft開(kāi)發(fā)的RADAR系統(tǒng)就是采用的該種方式，但該系統(tǒng)僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)階段，并沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模推廣。由于紅外線信號(hào)極好的方向特性，使用紅外信號(hào)進(jìn)行定位的系統(tǒng)，僅能判定待定位物體與發(fā)射源之間的方向關(guān)系。并且由于紅外線較差的穿透特性，當(dāng)發(fā)射源和目標(biāo)物體之間存在一定材質(zhì)的障礙物時(shí)，系統(tǒng)將失去作用。市面上現(xiàn)有的利用低頻電磁波信號(hào)的定位系統(tǒng)，嚴(yán)格意義上無(wú)法稱之為定位和追蹤系統(tǒng)，其實(shí)際是一個(gè)單點(diǎn)定位系統(tǒng)。美國(guó)和前蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代曾使用低頻電磁波進(jìn)行全球性的導(dǎo)航應(yīng)用，但是通過(guò)建立超大規(guī)模的鐵塔從而發(fā)射低頻電磁波信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)低頻電磁波信號(hào)的相位判斷距離，其使用的頻段低于80kHz。市面上現(xiàn)有應(yīng)用低頻電磁波的系統(tǒng)采用模擬芯片進(jìn)行信號(hào)處理，且只是用來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度觸發(fā)判斷物體是否進(jìn)入某一個(gè)固定區(qū)域，并不是對(duì)該物體在區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)進(jìn)行確定。公開(kāi)號(hào)為CN101029931A的專(zhuān)利文獻(xiàn)提供了一種超聲波定位裝置和定位方法，該專(zhuān)利中系統(tǒng)容量較低，并受限的系統(tǒng)定位范圍，不適合長(zhǎng)時(shí)間的不更換電池應(yīng)用，且由于超聲波是物理波，因此其應(yīng)用嚴(yán)重的受到視距的限制。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)在有障礙物時(shí)定位不準(zhǔn)確甚至無(wú)法使用的問(wèn)題。
一種基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)，包括:發(fā)射端，固定在特定的位置，用于發(fā)出低頻電磁波；接收端，固定在目標(biāo)上，用于接收所述的低頻電磁波經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后計(jì)算出該低頻電磁波的強(qiáng)度；服務(wù)器，根據(jù)發(fā)射端所發(fā)出的低頻電磁波的強(qiáng)度和接收端所接收到的低頻電磁波的強(qiáng)度，計(jì)算出發(fā)射端與接收端之間的距離，再結(jié)合發(fā)射端的位置，完成對(duì)目標(biāo)的定位和追
足示O作為優(yōu)選的，所述的發(fā)射端包括:第一處理器,按一定的時(shí)序和格式產(chǎn)生低頻信號(hào)；低頻電磁波發(fā)射模塊，將第一處理器產(chǎn)生的低頻信號(hào)以低頻電磁波的形式發(fā)射；第一無(wú)線收發(fā)模塊，用于與所述接收端實(shí)現(xiàn)通信。

第一無(wú)線收發(fā)模塊用于與接收端實(shí)現(xiàn)通信，用于采集接收端的第二無(wú)線收發(fā)模塊所發(fā)出的數(shù)據(jù)，并以有線或無(wú)線的方式將該數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的低頻電磁波發(fā)射模塊為I 3個(gè)。本發(fā)明對(duì)低頻電磁波發(fā)射模塊的數(shù)量并無(wú)限制，作為優(yōu)選的，低頻電磁波發(fā)射模塊可以為I 3個(gè)，其中，發(fā)射端在完成定位和追蹤應(yīng)用時(shí)應(yīng)至少配置3個(gè)低頻電磁波發(fā)射模塊，發(fā)射端在完成區(qū)域估計(jì)應(yīng)用時(shí)應(yīng)至少配置2個(gè)低頻電磁波發(fā)射模塊，同時(shí)，發(fā)射端在完成測(cè)距應(yīng)用時(shí)，可以至使用一個(gè)低頻電磁波發(fā)射模塊。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的低頻電磁波發(fā)射模塊由驅(qū)動(dòng)電路以及低頻電磁波發(fā)射器組成。低頻電磁波發(fā)射模塊的數(shù)量越多，目標(biāo)的定位精確度越高，可根據(jù)實(shí)際情況，來(lái)增減低頻電磁波發(fā)射模塊的數(shù)量。所述的接收端包括:低頻電磁波接收模塊，接收所述發(fā)射端發(fā)出的低頻電磁波；第二處理器，計(jì)算所述低頻電磁波接收模塊所接收的低頻電磁波的強(qiáng)度；第二無(wú)線收發(fā)模塊，用于向第一無(wú)線收發(fā)模塊輸出所述第二處理器計(jì)算得到的低頻電磁波的強(qiáng)度。接收端和服務(wù)器之間通過(guò)無(wú)線連接，接收端與發(fā)射端之間也通過(guò)無(wú)線連通，發(fā)射端和服務(wù)器之間可以采用無(wú)線連接，也可以使用有線連接。作為優(yōu)選的，所述的低頻電磁波接收模塊由依次連接的磁性天線、電容、調(diào)節(jié)電阻、緩沖放大器、電容電阻網(wǎng)絡(luò)和電壓放大器組成。該磁性天線由三路互相垂直的低頻接收天線組成，分別接收并放大空間中互相垂直的三個(gè)方向上的磁場(chǎng)。本發(fā)明發(fā)射端和服務(wù)器可采用菊花鏈方式連接，也可以采用星形連接方式連接，可以采用其他的連接方式。本發(fā)明還提供了一種基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤方法，包括以下步驟:I)發(fā)射端放置在特定的位置，并發(fā)出80kHz 150kHz頻率的低頻電磁波，該低頻電磁波被固定在目標(biāo)上的接收端所采集，接收端帶有三路互相垂直的低頻接收天線，分別對(duì)每路低頻接收天線所接受的低頻電磁波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，得到相應(yīng)的低頻電磁波強(qiáng)度，然后根據(jù)三路低頻接收天線接受的低頻電磁波強(qiáng)度計(jì)算出總體低頻電磁波強(qiáng)度；
2)根據(jù)發(fā)射端所發(fā)出的低頻電磁波的強(qiáng)度和所述的總體低頻電磁波強(qiáng)度，計(jì)算出發(fā)射端與接收端之間的距離，再結(jié)合發(fā)射端所在的位置，完成對(duì)目標(biāo)的定位和追蹤。所述的總體低頻電磁波強(qiáng)度:I2=Ix2+Iy2+Iz2其中，Ix=Icos αIy=Icos βIz=Icos Y式中，α、β、Y為三路低頻接收天線與空間磁場(chǎng)方向的夾角，Ix、Iy、和Iz表示三路低頻接收天線分別接收的低頻電磁波強(qiáng)度，I為總體低頻電磁波強(qiáng)度。所述數(shù)字處理的過(guò)程包括:ADC采樣:對(duì)低頻電磁波信號(hào)進(jìn)行ADC采樣得到采樣信號(hào)，采樣率至少為低頻電磁波信號(hào)載頻或帶寬的2倍；數(shù)字濾波處理:采用Q值不小于240的帶通濾波器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，濾除帶外噪聲； 強(qiáng)度提取:使用數(shù)字方法提取經(jīng)數(shù)字濾波處理的信號(hào)的低頻電磁波強(qiáng)度。設(shè)每路低頻接收天線所接收的低頻電磁波強(qiáng)度為A:
權(quán)利要求
1.一種基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)，其特征在于，包括: 發(fā)射端(1)，固定在特定的位置，用于發(fā)出低頻電磁波； 接收端(2)，固定在目標(biāo)上，用于接收所述的低頻電磁波并通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算出該低頻電磁波的強(qiáng)度； 服務(wù)器(3)，根據(jù)發(fā)射端(I)所發(fā)出低頻電磁波的強(qiáng)度和接收端(2)所接收的低頻電磁波的強(qiáng)度，計(jì)算出發(fā)射端(I)與接收端(2)之間的距離，再結(jié)合發(fā)射端(I)所在的位置，完成對(duì)目標(biāo)的定位和追蹤。
2.如權(quán)利要求1所述的基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述的發(fā)射端(I)包括: 第一處理器(11)，按一定的時(shí)序和格式產(chǎn)生低頻信號(hào)； 低頻電磁波發(fā)射模塊(13)，將第一處理器(11)產(chǎn)生的低頻信號(hào)以低頻電磁波的形式發(fā)射； 第一無(wú)線收發(fā)模塊(12)，用于與所述接收端(2)實(shí)現(xiàn)通信。
3.如權(quán)利要求2所述的基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述的低頻電磁波發(fā)射模塊(13)為I 3個(gè)。
4.如權(quán)利要求2所述的基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述的低頻電磁波發(fā) 射模塊(13)由驅(qū)動(dòng)電路以及低頻電磁波發(fā)射器組成。
5.如權(quán)利要求2所述的基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述的接收端(2)包括: 低頻電磁波接收模塊(23)，接收所述發(fā)射端(I)發(fā)出的低頻電磁波； 第二處理器(21)，用于計(jì)算所述低頻電磁波接收模塊(23)所接收的低頻電磁波的強(qiáng)度； 第二無(wú)線收發(fā)模塊(22)，用于向第一無(wú)線收發(fā)模塊(12)輸出所述第二處理器(21)計(jì)算得到的低頻電磁波的強(qiáng)度。
6.如權(quán)利要求5所述的基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述的低頻電磁波接收模塊(23 )由依次連接的磁性天線(231)、電容(232 )、調(diào)節(jié)電阻(233 )、緩沖放大器(234)、電容電阻網(wǎng)絡(luò)(235)和電壓放大器(236)組成。
7.一種基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)發(fā)射端放置在特定的位置，并發(fā)出80kHz 150kHz頻率的低頻電磁波，該低頻電磁波被固定在目標(biāo)上的接收端所采集，接收端帶有三路互相垂直的低頻接收天線，分別對(duì)每路低頻接收天線所接受的低頻電磁波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，得到相應(yīng)的低頻電磁波強(qiáng)度，然后根據(jù)三路低頻接收天線接受的低頻電磁波強(qiáng)度計(jì)算出總體低頻電磁波強(qiáng)度； 2)根據(jù)發(fā)射端所發(fā)出的低頻電磁波的強(qiáng)度和所述的總體低頻電磁波強(qiáng)度，計(jì)算出發(fā)射端與接收端之間的距離，再結(jié)合發(fā)射端所在的位置，完成對(duì)目標(biāo)的定位和追蹤。
8.如權(quán)利要求7所述的基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤方法，其特征在于，所述的總體低頻電磁波強(qiáng)度:I2=Ix2+Iy2+Iz2 其中，Ix=IcosαIy=IcosβIz=Icos Y 式中，α、β、Υ為三路低頻接收天線與空間磁場(chǎng)方向的夾角，Ιχ、Iy、和Iz表示三路低頻接收天線分別接收的低頻電磁波強(qiáng)度，I為總體低頻電磁波強(qiáng)度。
9.如權(quán)利要求8所述的基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤方法，其特征在于，所述數(shù)字處理的過(guò)程包括: ADC采樣:對(duì)低頻電磁波信號(hào)進(jìn)行ADC采樣得到采樣信號(hào)，采樣率至少為低頻電磁波信號(hào)載頻或帶寬的2倍； 數(shù)字濾波處理:采用Q值不小于240的帶通濾波器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，濾除帶外噪聲； 強(qiáng)度提取:使用數(shù)字方法提取經(jīng)數(shù)字濾波處理的信號(hào)的低頻電磁波強(qiáng)度。
10.如權(quán)利要求9所述的基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤方法，其特征在于，設(shè)每路低頻接收天線所接收的低頻電磁波強(qiáng)度為A:
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤系統(tǒng)，包括發(fā)射端，固定在特定的位置，用于發(fā)出低頻電磁波；接收端，固定在目標(biāo)上，用于接收所述的低頻電磁波并通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算出該低頻電磁波的強(qiáng)度；服務(wù)器，根據(jù)發(fā)射端所發(fā)出的低頻電磁波的強(qiáng)度和接收端所接收到的低頻電磁波的強(qiáng)度，計(jì)算出發(fā)射端與接收端之間的距離，再結(jié)合發(fā)射端所在的位置，完成對(duì)目標(biāo)的定位和追蹤。本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于低頻電磁波的目標(biāo)定位和追蹤方法。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)在有障礙物時(shí)定位不準(zhǔn)甚至失效的問(wèn)題，并且通過(guò)系統(tǒng)擴(kuò)展的方法能夠使得系統(tǒng)滿足更大范圍的定位需求。
文檔編號(hào)G01S11/00GK103217682SQ201310128580
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者任陽(yáng), 付濤, 成東峻, 林賢德, 徐雪旻 申請(qǐng)人:杭州華韻天略電子科技有限公司