基于無線傳感網(wǎng)的無源非合作目標(biāo)定位方法與技術(shù)研究.pdf

1、位置信息如今已成為軍事行動和日常生活中所必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，在許多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。在室外借助GPS等設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航已成為人們出行的常用手段，但隨著城市建筑物密度不斷增大，傳統(tǒng)的GPS定位由于其固有的穿透性問題在室內(nèi)和城市峽谷等地方往往無法正常工作。同時，大眾對自己獲取位置信息的精確程度要求也在不斷提高，因而近年來涌現(xiàn)出許多基于民用通信設(shè)施的無線定位技術(shù)，如無線局域網(wǎng)定位、蜂窩網(wǎng)定位和無線傳感網(wǎng)(WirelessSensor N

2、etworks，WSN)定位等。然而以上定位系統(tǒng)都存在一個共同的缺點(diǎn)，即要求被定位目標(biāo)攜帶與其系統(tǒng)相匹配的定位裝置。當(dāng)這樣的要求在一些應(yīng)急情況或者保密環(huán)境下不能被滿足時，現(xiàn)有的定位手段都隨之失效。為了克服上述定位技術(shù)的不足，最近基于電磁波陰影衰落特性的無設(shè)備目標(biāo)定位（Device-free Localization，DFL）技術(shù)被提出來。該定位技術(shù)采用低成本的WSN節(jié)點(diǎn)組建定位系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)之間通過兩兩通信獲得對應(yīng)鏈路的信號接收強(qiáng)度值(Re

3、ceived Signal Strength，RSS)，根據(jù)目標(biāo)對無線鏈路的影響來獲得目標(biāo)的位置信息。該技術(shù)不僅可以克服大多數(shù)現(xiàn)有定位系統(tǒng)要求定位目標(biāo)攜帶定位裝置的弊端，而且與現(xiàn)有的超寬帶雷達(dá)、紅外以及視頻攝像頭等非合作定位技術(shù)相比，具有成本低、精度高等優(yōu)勢，并且可以在黑暗或煙霧等有遮擋環(huán)境中使用?，F(xiàn)有研究已表明DFL技術(shù)在人質(zhì)解救，入侵者檢測，老人監(jiān)護(hù)和呼吸率監(jiān)測等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　盡管近幾年DFL技術(shù)得到飛速發(fā)展，

4、但由于RSS值在實(shí)際測量中容易受到環(huán)境因素的影響，具有時變特征，因此現(xiàn)有DFL技術(shù)的定位精度還不夠高，可靠性還不足。針對這些問題，本文中從搭建軟硬件實(shí)驗(yàn)定位平臺入手，詳細(xì)研究了室內(nèi)外多種環(huán)境下的靜態(tài)定位算法和動態(tài)跟蹤算法，具體包括以下3個部分:
　　1、自主設(shè)計(jì)和構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)用定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Texas Instruments公司所研發(fā)的Zigbee芯片CC2530為基礎(chǔ)，自行設(shè)計(jì)了CC2530的外圍電路，通過布局優(yōu)化把串口功能、

5、燒錄功能、供電電路集合在一個電路系統(tǒng)中。軟件方面，以令牌網(wǎng)機(jī)制為基礎(chǔ)通過設(shè)計(jì)和修改Z-stack協(xié)議棧的介質(zhì)訪問控制層、硬件虛擬層和應(yīng)用層讓所有節(jié)點(diǎn)能夠快速輪詢發(fā)送定位消息，定位消息中包含了先前收到的消息相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號以及RSS值，協(xié)調(diào)器記錄下這些RSS值并通過串口傳送給電腦以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
　　2、靜態(tài)目標(biāo)定位算法研究。由于RSS值在實(shí)際測量中十分敏感，易受到其它同頻段電磁波、溫度、濕度等客觀因素的影響，使得許多基于RSS值的D

6、FL定位結(jié)果不理想。針對此問題，本文應(yīng)用基于混合高斯模型的背景學(xué)習(xí)算法進(jìn)行DFL定位，通過背景學(xué)習(xí)區(qū)分出背景RSS影響和前景目標(biāo)位置，使RSS的波動對定位成像的影響大幅減小。為實(shí)現(xiàn)更高的DFL定位精度，本文進(jìn)一步采用頻率分集技術(shù)，根據(jù)多信道測量值來提高成像質(zhì)量。
　　3、移動目標(biāo)動態(tài)跟蹤算法研究。本文借助Zigbee模塊良好的收發(fā)性能，同時在軟件上修改協(xié)議棧以改善其冗余度，使一次輪詢采樣能夠控制在毫秒級別，從而完全滿足對慢速移動的