專利名稱：基于射頻信號(hào)的五維定位方法和系統(tǒng)的制作方法
基于射頻信號(hào)的五維定位方法和系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及定位技術(shù)，特別是涉及一種基于射頻信號(hào)的五維定位方法和系統(tǒng)。背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)物體或人的定位精度、識(shí)別速率等要求越來越高。目 前，定位的方法和可進(jìn)行定位的信號(hào)是多種多樣的。采用不同定位技術(shù)的定位系統(tǒng)種類 繁多，如利用衛(wèi)星無線射頻(Radio Frequency, RF)信號(hào)的GPS定位、利用紅外和激光 的光學(xué)定位、利用超聲和聲納的聲音定位、利用圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺的視覺定位、利用 陀螺原理的相對(duì)定位等等。其中，用于遠(yuǎn)距離定位，GPS是目前較為普遍的定位技術(shù)；但 是對(duì)室內(nèi)等小空間環(huán)境下的近距離定位，GPS的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。目前，室內(nèi)等小 空間局部區(qū)域的定位技術(shù)主要有基于射頻信號(hào)并結(jié)合各種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如ZigBee，超 寬帶(Ultra-ffideBand, UffB)， Wi-Fi,藍(lán)牙(Bluetooth)，射頻識(shí)別(Radio-frequency Identification, RFID)等定位技術(shù)。基于ZigBee的定位技術(shù)主要是采用接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received SignalStrength Indicator, RSSI)來實(shí)現(xiàn)，目前ZigBee已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍 事、醫(yī)療等領(lǐng)域。由于單純的使用RSSI的ZigBee定位系統(tǒng)精度有限，一般在3 5米。超寬帶UWB，根據(jù)FCC的定義，只要信號(hào)在-IOdB處的絕對(duì)帶寬大于0. 5GHz或者 相對(duì)帶寬大于20%，并且中心頻率大于500MHz，那么這一信號(hào)就是超寬帶?；赨WB的定 位主要是通過到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival, T0A)或者到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival, TD0A)來實(shí)現(xiàn)的?；赨WB的TDOA方法，應(yīng)用于人員定位、倉儲(chǔ)物流、軍事、安防 預(yù)警等，定位精度可到15厘米以內(nèi)。基于RFID的定位技術(shù)是通過射頻識(shí)別標(biāo)簽(tags)或者無線收發(fā)器 (transponders)來存儲(chǔ)和非接觸地發(fā)送數(shù)據(jù)來進(jìn)行自動(dòng)身份辨認(rèn)的技術(shù)。RFID應(yīng)用于定 位主要分為兩種方式一種是位置感知(location-aware)方式，另一種是基于RSSI方式。 在位置感知方式下，可以通過對(duì)跟蹤對(duì)象安裝RFID標(biāo)簽，然后將RFID標(biāo)簽讀取器(RFID tag reader)放置在預(yù)設(shè)位置的地方，當(dāng)跟蹤對(duì)象進(jìn)入到RFID標(biāo)簽讀取器感知范圍內(nèi)時(shí)， 就可以檢測到跟蹤對(duì)象的位置了?；赗SSI的RFID定位在一定程度上與ZigBee的定位 方法類似。但是，由于射頻信號(hào)的傳播速度相當(dāng)快，為了實(shí)現(xiàn)Im的定位精度，系統(tǒng)至少要能 分辨出3ns的時(shí)間，這個(gè)很難實(shí)現(xiàn)，因此TOA和TDOA的實(shí)現(xiàn)比較困難?；诘竭_(dá)角度的定 位基本上沒有被采用，這主要是因?yàn)锳OA定位的實(shí)現(xiàn)要通過天線陣列來感知信號(hào)的到達(dá)方 向，實(shí)現(xiàn)起來成本很高，所以很少采用。而其它的無線定位技術(shù)，如Wi-Fi (IEEE 802. 11)和藍(lán)牙(Bluetooth)是目前較為 常用的兩種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；赪i-Fi和藍(lán)牙的無線定位也主要是根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度來實(shí) 現(xiàn)的。綜上所述的定位方法，基于RSSI或者根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度的定位模型，其依靠的是 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，信?hào)的傳播受各種環(huán)境因素很大，定位精度不高依舊是最為突出的問題。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種精確高的基于射頻信號(hào)的五維定位方法。另外，還有必要提供一種精度高的基于射頻信號(hào)的五維定位系統(tǒng)。一種基于射頻信號(hào)的五維定位方法，包括以下步驟設(shè)定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有接收天線且設(shè)置在預(yù)設(shè)位置，所述 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有發(fā)射天線且設(shè)置在待定目標(biāo)位置；所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為N個(gè)，N大于或等于5個(gè)；所述發(fā)射天線發(fā)射射頻信號(hào)，所述接收天線接收所述射頻信號(hào)并建立感應(yīng)電壓模 型；根據(jù)所述感應(yīng)電壓模型，利用非線性定位算法獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置值。優(yōu)選地，所述感應(yīng)電壓模型為V =sinecosa其中，R為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離；θ為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離矢量與 發(fā)射天線面的夾角；α為接收天線的電場強(qiáng)度矢量與接收天線面的夾角；I通過發(fā)射天線 的有效電流值；it為發(fā)射天線的長度；L為接收天線的長度；β相位常數(shù)；η為介質(zhì)的特性常數(shù)。
優(yōu)選地，所述接收天線和發(fā)射天線為偶極子天線。 優(yōu)選地，所述射頻信號(hào)的頻率為設(shè)定的固定值。 優(yōu)選地，所述發(fā)射天線定時(shí)發(fā)送射頻信號(hào)。
優(yōu)選地，所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所處位置的電場至少包括Sin θ /R3、sin θ /R2和sin θ /R
項(xiàng)。


優(yōu)選地，所述非線性定位算法為LM算法。 優(yōu)選地，所述感應(yīng)電壓模型在考慮噪聲的情況下為
k (mo(xf-Xo)+n0{yt-y0)+Po(zi -zO))
ν,=」-^-
1
(m.(Xi -X0) + ^ ->>0) + Pi (Zi-Z0))
-+ ησ
Ri其中，令=發(fā)射天線的中心坐標(biāo)為Pt(X(1，yQ, Z。)，發(fā)射天線方向矢量為
4π
(m0,n0,p0),J.m02+n02+Po2 = l ；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為Ui, Zi)，接收天線方向矢量為Ov 叫化)，且一+<_+乂=1;1!。是滿足均值為零，標(biāo)準(zhǔn)方差為σ的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量。優(yōu)選地，在根據(jù)所述感應(yīng)電壓模型，利用非線性定位算法獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置值的 步驟之后還包括根據(jù)所述位置值與參考定位閾值比較，若大于所述參考定位閾值，則刪 除，然后采用初步定位方法對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步定位，再返回開始步驟進(jìn)行重新定位。優(yōu)選地，在根據(jù)所述感應(yīng)電壓模型，利用非線性定位算法獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置值的 步驟之后還包括將所述位置值作為下次對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的初值，進(jìn)行迭代運(yùn) 算獲得，對(duì)所述移動(dòng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位。另外，還有必要提供一種基于射頻信號(hào)的五維定位系統(tǒng)，包括
目標(biāo)模塊，用于發(fā)射射頻信號(hào)；信標(biāo)模塊，用于接收所述目標(biāo)模塊所發(fā)射的射頻信號(hào)；處理模塊，用于根據(jù)所述信標(biāo)模塊所接收到的射頻信號(hào)建立感應(yīng)電壓模型，且根 據(jù)感應(yīng)電壓模型進(jìn)行運(yùn)算，得到目標(biāo)模塊的位置值；所述感應(yīng)電壓模型為
βηΙΠV - ‘r sm ^cos α
AnR其中，R為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離；θ為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離矢量與 發(fā)射天線面的夾角；α為接收天線的電場強(qiáng)度矢量與接收天線面的夾角；I通過發(fā)射天線 的有效電流值；it為發(fā)射天線的長度；L為接收天線的長度；β相位常數(shù)；η為介質(zhì)的特性常數(shù)。優(yōu)選地，所述處理模塊進(jìn)一步用于在噪音情沉下根據(jù)所述信標(biāo)模塊所接收到的射 頻信號(hào)建立的感應(yīng)電壓模型，具體的為
.L (^0-Xo)+no{yi-yo)+Po(zi~zo)f π L {m,-χο)+{yt -y0)+Pi-ζο))2
k ψ--wT^
------化其中，令A(yù)r = ^^發(fā)射天線的中心坐標(biāo)為Pt (Χ(1，y0, Ztl)，發(fā)射天線方向矢量為
4π
(m0,n0,p0),J.m02+n02+Po2 = l ；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為Ui, Zi)，接收天線方向矢量為Ov 叫…^，且一+乂+乂^??；！^是滿足均值為零，標(biāo)準(zhǔn)方差為σ的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量。優(yōu)選地，所述處理模塊進(jìn)一步用于對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)模塊進(jìn)行定位。優(yōu)選地，還包括矯正模塊，用于對(duì)設(shè)定的參考定位閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié) 果對(duì)所述目標(biāo)模塊位置值進(jìn)行矯正。在至少5個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有接收天線且設(shè)置在預(yù)設(shè)位置，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有發(fā)射天線且 設(shè)置在待定目標(biāo)位置，通過發(fā)射天線所發(fā)射的射頻信號(hào)并建立感應(yīng)電壓模型，然后利用非 線性算法獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置，即能夠提供三維位置和二維方向的定位，而且精度更高，達(dá) 到毫米級(jí)。接收天線和發(fā)射天線采用偶極子天線，能夠更快、更方便的建立感應(yīng)電壓模型。
同時(shí)，還提供了在噪音情況下的感應(yīng)電壓模型，能夠在不同環(huán)境下進(jìn)行定位。當(dāng)出現(xiàn)大于述參考定位閾值，則重新進(jìn)行定位，進(jìn)一步的提高其精度。對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)能夠跟蹤、定位，豐富了定位的功能。

圖1為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的流程圖；圖2為另一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的流程圖；圖3為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的偶極子天線的輻射場；圖4為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的接收天線與發(fā)射天線的示意 6
圖5為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位系統(tǒng)的邏輯圖；圖6為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的具體實(shí)施例的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和目 標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置；圖7為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的具體實(shí)施例噪聲強(qiáng)度變化時(shí) 的位置誤差與信噪比的關(guān)系圖；圖8為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的具體實(shí)施例噪聲強(qiáng)度變化時(shí) 的角度誤差與信噪比的關(guān)系圖；圖9為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的具體實(shí)施例目標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情 況時(shí)的跟蹤定位圖；圖10為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的具體實(shí)施例中固定目標(biāo)解的 111，11，2，然后變化^7的分析圖；圖11為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的具體實(shí)施例中固定目標(biāo)解的 x，y，z，然后變化m，n的分析圖；圖12為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的具體實(shí)施例中固定目標(biāo)解的 y，z，n，然后變化x，m的分析圖；圖13為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的具體實(shí)施例中固定目標(biāo)解的 y，m，n，然后變化x，z的分析圖；圖14為一實(shí)施列的基于射頻信號(hào)的五維定位方法的具體實(shí)施例中固定目標(biāo)解的 x，y，n，然后變化z，m的分析圖。
具體實(shí)施方式在感知區(qū)域內(nèi)布置已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，以及在待定目標(biāo)設(shè)置目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，且在該信標(biāo) 節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處均安裝有天線。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定時(shí)的發(fā)送射頻信號(hào)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的 射頻信號(hào)強(qiáng)度對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行五維定位運(yùn)算并求解，獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的精確位置?，F(xiàn)結(jié)合附 圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。參見圖1 4，為基于射頻信號(hào)的定位方法的一實(shí)施例，具體步驟如下步驟S100，設(shè)定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有接收天線且設(shè)置在預(yù)設(shè)位 置，該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有發(fā)射天線且設(shè)置在待定目標(biāo)位置。在一定的空間區(qū)域(例如室內(nèi))或射 頻RF信號(hào)感知區(qū)域內(nèi)布置已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為大于或等于五個(gè)；同時(shí)， 在待定目標(biāo)位置處設(shè)置目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)處安裝有接收天線并用于接收RF(射頻)信 號(hào)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處安裝有發(fā)射天線并用于發(fā)射RF信號(hào)。為了更容易的分析電磁波傳播衰落， 該接收天線和發(fā)射天線優(yōu)選地為偶極子天線。步驟S200，該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線發(fā)射RF信號(hào)，該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的接收天線接收到該 RF信號(hào)并建立感應(yīng)電壓模型。具體的，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線定時(shí)的發(fā)射RF信號(hào)，布置在RF 信號(hào)感知區(qū)域內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的接收天線接收到RF信號(hào)，該RF信號(hào)優(yōu)選地頻率為設(shè)定的固定值。當(dāng)發(fā)射天線與接收天線面正對(duì)時(shí)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的所處位置的電場至少包括sin θ /R3 和sin θ /R2(近場)，sin θ /R(遠(yuǎn)場)項(xiàng)，其中R為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，具體的， Pt(xt,yt,zt)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)上安裝的發(fā)射天線中點(diǎn)，已(^，υ》為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)上安裝的接收天線中點(diǎn)，及= xf，yr-yt, 。表示Pt到Pr的三維距離向量，θ為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信
標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離矢量與發(fā)射天線面的夾角。同時(shí)，接收天線的負(fù)載阻抗 ρ通過發(fā)射天線的有
效電流值I，啟是接收天線的中點(diǎn)已的電場，其幅度值E表示如下 RriIlE = ^sinO
AnR其中，It為發(fā)射天線的長度，R為及的幅度值，β相位常數(shù)，η為介質(zhì)的特性常數(shù)。當(dāng)接收天線的電場強(qiáng)度矢量云0與接收天線面的夾角為α?xí)r，則信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的接收 天線所接收到的感應(yīng)電壓模型為ν = El cosa = iUlli- sin θ cos ot
rAnR其中仁為接收天線的長度；同時(shí)，設(shè)發(fā)射天線的位置坐標(biāo)為(xt，yt，zt)，方向矢量 坐標(biāo) 為(mt，nt, pt)；接收天線的位置坐標(biāo)為Ur，yr, %)，方向矢量坐標(biāo)F為Ov nr, ρ》，利 用三角公式得
nmr (Xr _ \ ) + (Λ _ 只)+ Pr - ^ )
bill U — ~— 一 I,
R+(yr-y,)2+(^-^)2令A(yù); = ^iL ,則接收感應(yīng)電壓模型為
Απ
k L (m, {^-^ + ^{yr-y^ + P.^r-2,))2 {mr{xr-X,) + nr{yr-y,) + Pr{Zr-Z,)f y_ _—R2\ 一_R2
_ .R步驟S300，根據(jù)感應(yīng)電壓模型，利用非線性定位算法獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置值。確定天 線的結(jié)構(gòu)，根據(jù)電磁場理論所建立RF信號(hào)的感應(yīng)電壓模型，運(yùn)用非線性定位算法對(duì)目標(biāo)節(jié) 點(diǎn)的位置進(jìn)行定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位跟蹤、導(dǎo)航和控制。令發(fā)射天線的中心坐標(biāo)為Pt (X(l，y0, Z(1)，其發(fā)射天線方向矢量為Ov n0, ρ0), 其中mQ2+n(l2+pQ2 = 1 ；在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的周圍布置N(N>= 5)個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，第i(i為1、2、3、 4、5...)個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為(Xi，yi; Zi)，其接收天線方向矢量為Ov η” Pi)，其中 m) +nf +只2 二 1 ；同時(shí)接收天線測量獲得的感應(yīng)電壓模型Vi如下式所示
,Γ (rna (χ,++ P0(ζ, -Z0))2 Γ (χ, -X0) + η,(乃二y0)+ρ, (ζ, -ζ0))2
K . 1---U 1--若考慮噪聲的情況，同時(shí)測量的感應(yīng)電壓模型Vi如下式所示
8,j K-Xo)+^(yf-yo) + Po^,-^o))2nLi^i(x,U-^o)+Pi(^"zO))2
k J1--I^2
ν =— -------η0是滿足均值為零，標(biāo)準(zhǔn)方差為σ的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其概率分布密度
函數(shù)為/丨…="^^^ yJ2jra °根據(jù)感應(yīng)電壓模型，采用非線性定位算法，例如Powell，s算法、DownhillSimples
算法、DIRECT 算法、MCS(Multilevel Coordinate Search)算法。優(yōu)選地為 LM(Levenberg
Marquardt)算法，精度較高、計(jì)算速度快；借助MATLAB解得，具體如下
/ 2 , γ目標(biāo)函數(shù)min玄—C ,
η I尺約束條件:(x,y,z,m, η) e S,其中，《=ν(χ,-χ)2+(χ—7)2+(Α-ζ)2，dt = R^ -(m(xl-x) + n(yi-y) + p(zi- ζ))2 ,d; =R12- (w, (xt -x) + nt (yt -y) + pt (z, - z)f ,ρ = Vl-m2-n2 ；解得，S是解集，(Xi, Yi, Zi)是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，Ovrvpi)是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的方向矢量，(x,y, ζ)是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，(m，n，ρ)是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的方向矢量。此外，在其它實(shí)施方式中，本發(fā)明基于射頻信號(hào)的五維定位方法，還包括如下步 驟步驟S400，若步驟S300所獲得的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置值與參考定位閾值(例如之前的 歷史數(shù)據(jù)值，TDOA、ZigBee傳統(tǒng)定位方法獲得的位置值，或者經(jīng)驗(yàn)獲得的位置值)比較，若 大于該參考定位閾值，則刪除，然后采用初步定位方法(例如ZigBee、超寬帶UWB、射頻識(shí)別 RFID、T0A和TDOA的定位技術(shù))對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步定位，再返回開始步驟SlOO進(jìn)行重新 計(jì)算并定位。步驟S500，對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通過步驟300所獲得的位置值，然后將該位置值作 為下次對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的初值，具體的是將該位置值作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)至新位 置重新定位的初值(已知值)，然后進(jìn)行迭代運(yùn)算獲得，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤。在其它實(shí)施例中，本發(fā)明的方法還可以應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，例如對(duì)機(jī)器人的位置和 角度的定位；例如對(duì)應(yīng)用在人體內(nèi)的微型裝置(膠囊內(nèi)窺鏡)的位置和角度的多維定位。 本發(fā)明有很高的定位精度，達(dá)到毫米級(jí)的精度，易于推廣到各領(lǐng)域的應(yīng)用，提高各領(lǐng)域的設(shè) 備定位精度的提高?；谏鲜龅幕谏漕l信號(hào)的五維定位方法，還有必要提供一種基于射頻信號(hào)的五 維定位系統(tǒng)，現(xiàn)結(jié)合附圖5對(duì)該定位系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。
該基于射頻信號(hào)的五維定位系統(tǒng)包括目標(biāo)模塊，用于發(fā)射RF射頻信號(hào)；信標(biāo)模 塊，用于接收目標(biāo)模塊所發(fā)射的RF信號(hào)；處理模塊，用于根據(jù)信標(biāo)模塊所接收到的RF信號(hào) 建立感應(yīng)電壓模型，且根據(jù)感應(yīng)電壓模型進(jìn)行運(yùn)算，得到目標(biāo)模塊的位置值。目標(biāo)模塊，在一定的空間區(qū)域(例如室內(nèi))或射頻RF信號(hào)感知區(qū)域內(nèi)設(shè)置在待定 目標(biāo)位置處，并定時(shí)的發(fā)射RF信號(hào)，該RF信號(hào)的發(fā)射頻率為設(shè)定的固定值。
標(biāo)模塊，在目標(biāo)模塊的周圍布置至少5個(gè)信標(biāo)模塊，并接收目標(biāo)模塊所發(fā)射的
RF信號(hào)。處理模塊，根據(jù)接收到的RF信號(hào)，建立了感應(yīng)電壓模型
V = -
Jr . Λ(W, - χ,) + (H,) + 凡(Zr - ))2,{mr{Xr-X,) + nr{yr-y,) +Pr{Zr-Z,))2人i1 爐 iR2
R根據(jù)感應(yīng)電壓模型導(dǎo)入目標(biāo)模塊的中心坐標(biāo)為PtO^ytl，Ztl)和方向矢量為Ovrv P。)，其中mQ2+n(l2+pQ2 = 1 ；以及，信標(biāo)模塊的第i(i為1、2、3、4、5...)個(gè)信標(biāo)模塊的位置坐 標(biāo)為(U，Zi)，方向矢量為Ov叫，Pi)，其中2+Λ2=1 ；并通過非線性算法，優(yōu)選地為 LM算法，計(jì)算獲得目標(biāo)模塊位置的具體信息。該運(yùn)算模塊還進(jìn)一步的用于對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行跟蹤定位。在其它實(shí)施例中，該處理模塊進(jìn)一步用于在噪音情沉下根據(jù)信標(biāo)模塊所接收到的 射頻信號(hào)建立的感應(yīng)電壓模型，具體的為
k Jl-
(m0 (xt-x0) + na(yi-y0) + ρ0 (ζ. -z0))
R,1
1
,(叫(Xi-XXyi -ya) +Piizi-Z0))
1元其中，令 A: =
βν ι,Κ
Απ
,發(fā)射天線的中心坐標(biāo)為Pt(X(l，y。，ζο)，發(fā)射天線方向矢量為
(m0,n0,p0),J.m02+n02+Po2 = l ；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為Ui, Zi)，接收天線方向矢量為Ov ni;Pi)且％2+ ,2+只2=1>。是滿足均值為零，標(biāo)準(zhǔn)方差為。的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量。 另外，該處理模塊還進(jìn)一步用于對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)模塊進(jìn)行定位。矯正模塊，用于對(duì)設(shè)定的參考定位閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果對(duì)該目標(biāo)模塊 位置值進(jìn)行矯正。具體的，對(duì)大于設(shè)定的參考定位閾值的定位數(shù)據(jù)重新進(jìn)行初步定位，然后 再精確定位。參見圖6，現(xiàn)結(jié)合上述具體實(shí)施例，詳細(xì)闡述并驗(yàn)證射頻信號(hào)的五維定位方法的應(yīng) 用過程，具體的通過Matlab進(jìn)行仿真求解。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)固定且已知，隨機(jī)選取7個(gè)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置和方向信息(Xi， yt, Zi, mi; nt, Pi)分別為(1. 3，1. 5,0. 5,0. 3,0. 2,0. 93)，(1. 4，1. 7，1. 5,0. 6,0. 4,0. 69)， (1. 5，1. 2，1. 5,0. 2,0. 1,0. 97)，(0. 7，1. 4,0. 5,0. 5,0. 3,0. 81)，(0. 5，1. 8,0. 2,0. 8,0. 12， 0.59)，(1.6，1.3，1.5，0.6，0.3，0.74)以及(0. 4,0. 8,0. 4,0. 1,0. 7,0. 7) 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際
位置和方向信息(X(1，10，z0, m0, n0)為(l,l,l,V^/3,V^/3)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的布置如圖 4所示。
10
仿真結(jié)果如下噪聲強(qiáng)度變化時(shí)的位置誤差與信噪比的關(guān)系如圖7所示，由圖可見當(dāng)信噪比低于 25時(shí)，都可以得到小于Icm的定位精度。噪聲強(qiáng)度變化時(shí)的角度誤差與信噪比的關(guān)系如圖8所示，由圖可見當(dāng)信噪比低于 25時(shí)，都可以得到小于Icm的定位精度。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況時(shí)，其跟蹤定位如圖9所示。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)的跟蹤 定位情況，仿真結(jié)果中采用均勻分布一個(gè)平面的25個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在此情況下，信噪比低于 30時(shí)，可以得到小于0. 5cm的定位精度?？梢?，由仿真結(jié)果可以看出這一算法的可行性。即使在噪聲環(huán)境中，這一算法也能 有較好的表現(xiàn)。進(jìn)一步，為了研究初值對(duì)本發(fā)明的方法的影響，還通過仿真對(duì)感應(yīng)電壓模型的局 部極小值進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果如下固定目標(biāo)解的m，n，z，然后變化x，y，對(duì)可能解的誤差進(jìn)行分析得到的結(jié)果如圖10 所示；固定目標(biāo)解的x，y，z，然后變化m，n，對(duì)可能解的誤差進(jìn)行分析得到的結(jié)果如圖11所 示；固定目標(biāo)解的y，z，n，然后變化x，m，對(duì)可能解的誤差進(jìn)行分析得到的結(jié)果如圖12所示； 固定目標(biāo)解的y，m，n，然后變化x，z，對(duì)可能解的誤差進(jìn)行分析得到的結(jié)果如圖13所示；固 定目標(biāo)解的X，1，n，然后變化z，m，對(duì)可能解的誤差進(jìn)行分析得到的結(jié)果如圖14所示。該感應(yīng)電壓模型在特殊的情況下可能會(huì)出現(xiàn)較多的局部極小值，因此，可以通過 其中的精度較低的定位方式(例如ZigBee定位技術(shù))來實(shí)現(xiàn)初步定位，然后再使用本方法 進(jìn)行定位。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保 護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種基于射頻信號(hào)的五維定位方法，包括以下步驟設(shè)定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有接收天線且設(shè)置在預(yù)設(shè)位置，所述目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有發(fā)射天線且設(shè)置在待定目標(biāo)位置；所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為N個(gè)，N大于或等于5個(gè)；所述發(fā)射天線發(fā)射射頻信號(hào)，所述接收天線接收所述射頻信號(hào)并建立感應(yīng)電壓模型；根據(jù)所述感應(yīng)電壓模型，利用非線性定位算法獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻信號(hào)的五維定位方法，其特征在于，所述感應(yīng)電壓 模型為AnR其中，R為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離；θ為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離矢量與發(fā)射 天線面的夾角；α為接收天線的電場強(qiáng)度矢量與接收天線面的夾角；I通過發(fā)射天線的有 效電流值；it為發(fā)射天線的長度山為接收天線的長度；β相位常數(shù)；η為介質(zhì)的特性常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻信號(hào)的五維定位方法，其特征在于，所述接收天線 和發(fā)射天線為偶極子天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻信號(hào)的五維定位方法，其特征在于，所述射頻信號(hào) 的頻率為設(shè)定的固定值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻信號(hào)的五維定位方法，其特征在于，所述發(fā)射天線 定時(shí)發(fā)送射頻信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻信號(hào)的五維定位方法，其特征在于，所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn) 所處位置的電場至少包括sin θ/R3, sin θ /R2和sin θ /R項(xiàng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻信號(hào)的五維定位方法，其特征在于，所述非線性定 位算法為LM算法。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻信號(hào)的五維定位方法，其特征在于，所述感應(yīng)電壓 模型在考慮噪聲的情況下為k J1 (講O [^j -而)+ % (只-凡)+ P0 (z/ - zO ))2 1 (附( - )+ "i (X -凡)+ Pi (Zi 二fo ))2ΓΑ_ VR,11^2. 其中，令A(yù) = MlL ,發(fā)射天線的中心坐標(biāo)為Pt (x0, y0, Z0)，發(fā)射天線方向矢量為Ov IV 4πPo),5.m02+n02+Po2=l ；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為(Xyyi,、)，接收天線方向矢量為Ovrvpi)， 且w,2+Α2=1 ； η。是滿足均值為零，標(biāo)準(zhǔn)方差為σ的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻信號(hào)的五維定位方法，其特征在于，在根據(jù)所述感 應(yīng)電壓模型，利用非線性定位算法獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置值的步驟之后還包括根據(jù)所述位置 值與參考定位閾值比較，若大于所述參考定位閾值，則刪除，然后采用初步定位方法對(duì)目標(biāo) 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步定位，再返回開始步驟進(jìn)行重新定位。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻信號(hào)的五維定位方法，其特征在于，在根據(jù)所述感 應(yīng)電壓模型，利用非線性定位算法獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置值的步驟之后還包括將所述位置值 作為下次對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的初值，進(jìn)行迭代運(yùn)算獲得，對(duì)所述移動(dòng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位。
11.一種基于射頻信號(hào)的五維定位系統(tǒng)，其特征在于，包括 目標(biāo)模塊，用于發(fā)射射頻信號(hào)；信標(biāo)模塊，用于接收所述目標(biāo)模塊所發(fā)射的射頻信號(hào)；處理模塊，用于根據(jù)所述信標(biāo)模塊所接收到的射頻信號(hào)建立感應(yīng)電壓模型，且根據(jù)感應(yīng)電壓模型進(jìn)行運(yùn)算，得到目標(biāo)模塊的位置值；所述感應(yīng)電壓模型為 其中，R為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離；θ為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離矢量與發(fā)射 天線面的夾角；α為接收天線的電場強(qiáng)度矢量與接收天線面的夾角；I通過發(fā)射天線的有 效電流值；it為發(fā)射天線的長度山為接收天線的長度；β相位常數(shù)；η為介質(zhì)的特性常數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的基于射頻信號(hào)的五維定位系統(tǒng)，其特征在于，所述處理模 塊進(jìn)一步用于在噪音情沉下根據(jù)所述信標(biāo)模塊所接收到的射頻信號(hào)建立的感應(yīng)電壓模型， 具體的為
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的基于射頻信號(hào)的五維定位系統(tǒng)，其特征在于，所述處理模 塊進(jìn)一步用于對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)模塊進(jìn)行定位。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的基于射頻信號(hào)的五維定位系統(tǒng)，其特征在于，還包括矯正 模塊，用于對(duì)設(shè)定的參考定位閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果對(duì)所述目標(biāo)模塊位置值進(jìn)行 矯正。
全文摘要
一種基于射頻信號(hào)的五維定位方法，包括以下步驟設(shè)定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有接收天線且設(shè)置在預(yù)設(shè)位置，所述目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)有發(fā)射天線且設(shè)置在待定目標(biāo)位置；所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為N個(gè)，N大于或等于5個(gè)；所述發(fā)射天線發(fā)射射頻信號(hào)，所述接收天線接收所述射頻信號(hào)并建立感應(yīng)電壓模型，根據(jù)所述感應(yīng)電壓模型，利用非線性定位算法獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置值。采用本發(fā)明的定位方法，能夠得到三維的位置信息和兩維的方向信息，獲得更高的定位精度。
文檔編號(hào)G01S5/02GK101975938SQ201010273309
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者王魯佳, 田龍強(qiáng), 胡超 申請人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院