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一種基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法

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一種基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法,具體按照以下步驟進(jìn)行:步驟一,場(chǎng)景設(shè)置;步驟二,定位信號(hào)的產(chǎn)生;步驟三,定位信號(hào)接收與定位角度的確定;步驟四,根據(jù)三個(gè)信標(biāo)保存的子信道序號(hào),確定信標(biāo)對(duì)應(yīng)的定向天線的角度信息,從而確定移動(dòng)目標(biāo)的位置。該方法能夠僅根據(jù)目標(biāo)移動(dòng)對(duì)信標(biāo)發(fā)送頻率的多普勒影響,來(lái)確定目標(biāo)相對(duì)于對(duì)于三個(gè)信標(biāo)方向,在被動(dòng)式定位場(chǎng)景中完成單個(gè)移動(dòng)目標(biāo)的定位,同時(shí)使用較少的定位設(shè)備以及與定位時(shí)間成本,同時(shí)提高了對(duì)于移動(dòng)被動(dòng)式目標(biāo)定位的效果。
【專利說(shuō)明】一種基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域,具體涉及一種被動(dòng)式定位方法,特別是涉及一種基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002]與主動(dòng)式定位的方法(如全球定位系統(tǒng)(GPS)、射頻識(shí)別(RFID)、基于FM的定位方法)相比,無(wú)設(shè)備被動(dòng)式定位已經(jīng)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)很多應(yīng)用中成為一個(gè)熱點(diǎn)。例如,將其應(yīng)用在安全與入侵檢測(cè)系統(tǒng)、野生動(dòng)物檢測(cè)、購(gòu)物與零售習(xí)慣分析、老年或殘障人士的援助中。在這些場(chǎng)景中,定位目標(biāo)回避攜帶或者不方便攜帶任何設(shè)備。目前,對(duì)于目標(biāo)被動(dòng)式定位的研究方法較多,大體分為以下三類:
[0003]第一種,基于非無(wú)線電信號(hào)定位的方法:這種方法包括光學(xué)視頻、紅外傳感器等定位方法,目前在軍事和安全領(lǐng)域應(yīng)用有所應(yīng)用。與基于無(wú)線電信號(hào)的方法,該方法不能對(duì)于不在視線范圍的室外環(huán)境或者是充滿濃煙的建筑屋里使用。另外,非無(wú)線電信號(hào)也會(huì)因?yàn)楸O(jiān)視區(qū)域的限制,而不適用于移動(dòng)目標(biāo)的定位。
[0004]第二種,基于RSS固定鏈路數(shù)定位方法:這種方法與第三類都屬于無(wú)線電信號(hào)定位方法。它的主要思想是首先在單鏈路的菲涅爾區(qū)內(nèi)收集目標(biāo)在不同位置時(shí)的繞射信號(hào)強(qiáng)度,組成RSS的數(shù)據(jù)地圖。其次建立定位單元,通過定位單元內(nèi)的RSS數(shù)據(jù)與先前建立的數(shù)據(jù)地圖比較,估計(jì)出目標(biāo)的位置。部署區(qū)域被這些單元覆蓋就可獲得目標(biāo)的位置。由于RSS數(shù)據(jù)容易受環(huán)境因素影響,大量定位單元部署在環(huán)境不同的區(qū)域顯然對(duì)于定位精度會(huì)產(chǎn)生很大影響,同時(shí),移動(dòng)目標(biāo)的定位需要頻繁的RSS數(shù)據(jù)獲取。因此,這種定位方式更加適合長(zhǎng)期的固定場(chǎng)景下靜態(tài)目標(biāo)的檢測(cè),并不適合臨時(shí)場(chǎng)景的移動(dòng)目標(biāo)定位。
[0005]第三種,基于RSS非固定鏈路數(shù)定位方法:與基于RSS固定鏈路數(shù)定位方法不同,這種定位方法的主要思想是將大量的定位設(shè)備部署成一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),然后收集從設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的多鏈路散射或繞射信息,通常體現(xiàn)在RSS值不同。最終,利用這些多鏈路信息使用不同的算法去實(shí)現(xiàn)定位。然而,移動(dòng)目標(biāo)會(huì)造成對(duì)于更多鏈路產(chǎn)生影響,這不但會(huì)影響定位精度,還會(huì)增加定位的時(shí)間成本。因此這種定位方式同樣不適合移動(dòng)目標(biāo)或是需求較少設(shè)備的情況。
[0006]第四種:基于多普勒頻移定位方法:目前多普勒頻移主要應(yīng)用于軍事用途以及手勢(shì)識(shí)別領(lǐng)域,該定位方法主要與到達(dá)方向(Direct1n of Arriva, D0A)或到達(dá)時(shí)間差(TimeDifference of Arriva, TDOA)的方法相結(jié)合,用于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位,例如定位飛機(jī)。與前者結(jié)合的目的是測(cè)向,主要是利用雷達(dá)與飛機(jī)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的多普勒頻移,根據(jù)目標(biāo)移動(dòng)方向?qū)Χ嗥绽疹l移的影響,判定目標(biāo)的方向。與后者結(jié)合的目的是測(cè)距,主要是獲得移動(dòng)目標(biāo)反射的信號(hào)在雷達(dá)不同天線之間的相位差(或者信號(hào)發(fā)射到接收的時(shí)間差),推算出飛機(jī)與雷達(dá)之間的距離。然而這樣的定位方法并不適用于人體等低速目標(biāo)定位。首先,飛機(jī)等高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)可以引起的多普勒頻移范圍更廣,而低速移動(dòng)目標(biāo)頻移范圍小,檢測(cè)難度更大。其次,獲得相位差等信息對(duì)于硬件設(shè)備的成本要求較高,現(xiàn)有的雷達(dá)設(shè)備還面臨著功率高、體積大、成本高等問題,因此現(xiàn)有的雷達(dá)定位方法并不適合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中低速移動(dòng)目標(biāo)的定位?,F(xiàn)有基于多普勒頻移的手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用中,對(duì)于移動(dòng)目標(biāo)定位的相關(guān)討論還未完全展開。
[0007]綜上,現(xiàn)有的被動(dòng)式定位方法不能很好的應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)被動(dòng)式定位的場(chǎng)景中,尤其是對(duì)于低速目標(biāo)的定位,定位精度也不能夠很好的保證,因此,研究一種適用于低速移動(dòng)目標(biāo),定位精度高、通信開銷小的被動(dòng)式定位方法是很有必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足,本發(fā)明的目的在于,提供一種基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法(簡(jiǎn)稱DEIL算法),該方法能夠在被動(dòng)式定位場(chǎng)景中完成單個(gè)移動(dòng)目標(biāo)的定位,同時(shí)使用較少的定位設(shè)備以及與定位時(shí)間成本。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù),本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0010]一種基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法,具體按照以下步驟進(jìn)行:
[0011]步驟一,場(chǎng)景設(shè)置:
[0012]步驟Sll:在一個(gè)無(wú)遮擋的待測(cè)區(qū)域中設(shè)置,待測(cè)區(qū)域內(nèi)除了定位目標(biāo)以外均為靜止物體。待測(cè)區(qū)域由多個(gè)正方形的定位單元組成,每個(gè)定位單元中設(shè)置有三個(gè)已知位置的信標(biāo),在水平方向上,每?jī)蓚€(gè)相鄰的定位單元有一個(gè)信標(biāo)是共用的,在豎直方向上的定位單元之間沒有共用信標(biāo);每個(gè)定位單元中的三個(gè)信標(biāo)依次記為信標(biāo)X、信標(biāo)A、信標(biāo)Y,三個(gè)信標(biāo)間距d相等,每個(gè)信標(biāo)含有f個(gè)定向天線,N表示子信道數(shù)量;
[0013]待測(cè)區(qū)域中的每個(gè)定位單元的定位步驟完全相同,每個(gè)定位單元中的信標(biāo)與其相鄰的定位單元中的信標(biāo)工作在不同頻率或工作在不同時(shí)刻;以下步驟為單個(gè)定位單元的定位步驟;
[0014]步驟二,定位信號(hào)的產(chǎn)生
[0015]步驟S21:待測(cè)區(qū)域中的所有信標(biāo)均基于FMT傳輸協(xié)議發(fā)送信號(hào);該定位單元中的每個(gè)信標(biāo)周期性產(chǎn)生一組固定的符號(hào);對(duì)每組符號(hào)進(jìn)行IFFT變換為一組共N個(gè)調(diào)制符號(hào),IFFT變換的具體計(jì)算如下式所示:

【權(quán)利要求】
1.一種基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法,其特征在于,包括以下步驟: 步驟一,場(chǎng)景設(shè)置: 步驟Sll:在一個(gè)無(wú)遮擋的待測(cè)區(qū)域中設(shè)置,待測(cè)區(qū)域內(nèi)除了定位目標(biāo)以外均為靜止物體;待測(cè)區(qū)域由多個(gè)正方形的定位單元組成,每個(gè)定位單元中設(shè)置有三個(gè)已知位置的信標(biāo),在水平方向上,每?jī)蓚€(gè)相鄰的定位單元有一個(gè)信標(biāo)是共用的,在豎直方向上的定位單元之間沒有共用信標(biāo);每個(gè)定位單元中的三個(gè)信標(biāo)依次記為信標(biāo)X、信標(biāo)A、信標(biāo)Y,三個(gè)信標(biāo)間距d相等,每個(gè)信標(biāo)含有*個(gè)定向天線,N表示子信道數(shù)量; 待測(cè)區(qū)域中的每個(gè)定位單元 的定位步驟完全相同,每個(gè)定位單元中的信標(biāo)與其相鄰的定位單元中的信標(biāo)工作在不同頻率或工作在不同時(shí)刻;以下步驟為單個(gè)定位單元的定位步驟; 步驟二,定位信號(hào)的產(chǎn)生: 步驟S21:待測(cè)區(qū)域中的所有信標(biāo)均基于FMT傳輸協(xié)議發(fā)送信號(hào);該定位單元中的每個(gè)信標(biāo)周期性產(chǎn)生一組固定的符號(hào);對(duì)每組符號(hào)進(jìn)行IFFT變換為一組共N個(gè)調(diào)制符號(hào),IFFT變換的具體計(jì)算如下式所示:
式中: N表示子信道數(shù)量; k表示序列數(shù); η表示調(diào)制符號(hào)序列數(shù); Xk表示第k個(gè)子信道中調(diào)制比特; xn表示FMT信號(hào)在時(shí)域調(diào)制符號(hào); 步驟S22:每個(gè)信標(biāo)將產(chǎn)生的每組Xn均按照如下方式向定位單元發(fā)送:每個(gè)調(diào)制符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)子信道,從每組Xn的第O個(gè)到第N-1個(gè)調(diào)制符號(hào)對(duì)應(yīng)的子信道依次兩兩分段,共得到I段,將每段通過一個(gè)定向天線發(fā)送,共使用$個(gè)定向天線; 步驟三,定位信號(hào)接收與定位角度的確定: 步驟S31:三個(gè)信標(biāo)實(shí)時(shí)接收信號(hào),且僅接收如式2所示的時(shí)間以內(nèi)的信號(hào),如果接收到有信號(hào),則保存,執(zhí)行步驟S32 ;否則,對(duì)于未接收到的子信道,將步驟S22中每個(gè)信標(biāo)發(fā)送的相應(yīng)子信道補(bǔ)償?shù)浇邮招盘?hào)中,并執(zhí)行步驟S32 ;
式中: Tk表示每個(gè)子信道的接收時(shí)間,單位:秒; Ik表示第k個(gè)子信道在一個(gè)定位單元內(nèi)能夠達(dá)到的最遠(yuǎn)距離,單位:米;C表不光速; 步驟S32:當(dāng)每個(gè)信標(biāo)保存的信號(hào)達(dá)到兩組時(shí),則該信標(biāo)通過下式對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行2FFT變換:
式中: N表示子信道數(shù)量; k表示序列數(shù); η表示調(diào)制符號(hào)序列數(shù); Xk表示第k個(gè)子信道中調(diào)制比特; xn表示FMT信號(hào)在時(shí)域調(diào)制符號(hào); 步驟S33:三個(gè)信標(biāo)分別檢測(cè)多普勒頻移,并保存發(fā)生多普勒頻移的子信道序號(hào);否則三個(gè)均未檢測(cè)到多普勒頻移認(rèn)為此時(shí)不存在目標(biāo),并執(zhí)行步驟S32 ; 步驟四,根據(jù)三個(gè)信標(biāo)保存的子信道序號(hào),確定信標(biāo)對(duì)應(yīng)的定向天線的角度信息,從而確定移動(dòng)目標(biāo)的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法,其特征在于,所述步驟一中的三個(gè)信標(biāo)間距d取I~4米。
3.如權(quán)利要求1所述的基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法,其特征在于,所述步驟一中的子信道數(shù)量N為2η, η為4、5或6。
4.如權(quán)利要求1所述的基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法,其特征在于,所述步驟一中,在每個(gè)定位單元的極坐標(biāo)系下,信標(biāo)X中的用于該定位單元的定向天線所覆蓋的方向范圍為O到y(tǒng),信標(biāo)A用于該定位單元的定向天線的所覆蓋方向范圍為O到,信標(biāo)Y用于該定位單元的定向天線的方向所覆蓋范圍為y到π。
5.如權(quán)利要求1所述的基于多普勒頻移的被動(dòng)式移動(dòng)目標(biāo)定位方法,其特征在于,所述步驟四的信標(biāo)聯(lián)合定位的具體步驟如下: 步驟S41:根據(jù)三個(gè)信標(biāo)保存的子信道序號(hào),確定信標(biāo)對(duì)應(yīng)的定向天線的角度信息,具體分為以下幾種情況對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位; 第I種:當(dāng)獲取α、β時(shí),根據(jù)下式獲得移動(dòng)目標(biāo)位置信息:
式中: a表示信標(biāo)A與檢測(cè)到目標(biāo)的距離,單位:米; d表示定位單元內(nèi)任意兩個(gè)相鄰信標(biāo)的距離,單位:米; α表示信標(biāo)X保存的子信道序號(hào)對(duì)應(yīng)的定向天線的角度; β表示信標(biāo)A保存的子信道序號(hào)對(duì)應(yīng)的定向天線的角度; 移動(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo)為:
式中:χτ為移動(dòng)目標(biāo)的橫坐標(biāo);。為移動(dòng)目標(biāo)的縱坐標(biāo);第2種:當(dāng)獲取β、Y時(shí),根據(jù)下式獲得移動(dòng)目標(biāo)位置信息:
式中:a表示信標(biāo)A與檢測(cè)到目標(biāo)的距離,單位:米;d表示定位單元內(nèi)任意兩個(gè)相鄰信標(biāo)的距離,單位:米;β表示信標(biāo)A保存的子信道序號(hào)對(duì)應(yīng)的定向天線的角度;Y表示信標(biāo)Y保存的子信道序號(hào)對(duì)應(yīng)的定向天線的角度;移動(dòng)目標(biāo)的橫軸坐標(biāo)為:
式中:XT為移動(dòng)目標(biāo)的橫坐標(biāo);。為移動(dòng)目標(biāo)的縱坐標(biāo);第3種:當(dāng)獲取α、Y或者α、β、Y時(shí),根據(jù)以下公式獲得移動(dòng)目標(biāo)位置信息:
式中:b表示信標(biāo)X與檢測(cè)到移動(dòng)目標(biāo)的距離,單位:米;d表示定位單元內(nèi)任意兩個(gè)相鄰信標(biāo)的距離,單位:米;α表示信標(biāo)A保存的子信道序號(hào)對(duì)應(yīng)的定向天線的角度;Y表示信標(biāo)Y保存的子信道序號(hào)對(duì)應(yīng)的定向天線的角度;移動(dòng)目標(biāo)的橫軸坐標(biāo)為:
式中:XT為移動(dòng)目標(biāo)的橫坐標(biāo);。為移動(dòng)目標(biāo)的縱坐標(biāo);(xT,yT)即為移動(dòng)目標(biāo)的位置坐標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01S13/50GK104076349SQ201410234822
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】趙康, 陳曉江, 聶衛(wèi)科, 王舉, 房鼎益, 張遠(yuǎn), 任宇輝, 邢天璋, 王亮 申請(qǐng)人:西北大學(xué)
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