基于无线传感网的无源非合作目标定位方法与技术研究

摘要

位置信息如今已成为军事行动和日常生活中所必须的基础数据信息，在许多领域发挥着越来越重要的作用。在室外借助GPS等设备进行导航已成为人们出行的常用手段，但随着城市建筑物密度不断增大，传统的GPS定位由于其固有的穿透性问题在室内和城市峡谷等地方往往无法正常工作。同时，大众对自己获取位置信息的精确程度要求也在不断提高，因而近年来涌现出许多基于民用通信设施的无线定位技术，如无线局域网定位、蜂窝网定位和无线传感网(WirelessSensor Networks，WSN)定位等。然而以上定位系统都存在一个共同的缺点，即要求被定位目标携带与其系统相匹配的定位装置。当这样的要求在一些应急情况或者保密环境下不能被满足时，现有的定位手段都随之失效。为了克服上述定位技术的不足，最近基于电磁波阴影衰落特性的无设备目标定位（Device-free Localization，DFL）技术被提出来。该定位技术采用低成本的WSN节点组建定位系统，节点之间通过两两通信获得对应链路的信号接收强度值(Received Signal Strength，RSS)，根据目标对无线链路的影响来获得目标的位置信息。该技术不仅可以克服大多数现有定位系统要求定位目标携带定位装置的弊端，而且与现有的超宽带雷达、红外以及视频摄像头等非合作定位技术相比，具有成本低、精度高等优势，并且可以在黑暗或烟雾等有遮挡环境中使用。现有研究已表明DFL技术在人质解救，入侵者检测，老人监护和呼吸率监测等方面有着广阔的应用前景。
　　尽管近几年DFL技术得到飞速发展，但由于RSS值在实际测量中容易受到环境因素的影响，具有时变特征，因此现有DFL技术的定位精度还不够高，可靠性还不足。针对这些问题，本文中从搭建软硬件实验定位平台入手，详细研究了室内外多种环境下的静态定位算法和动态跟踪算法，具体包括以下3个部分:
　　1、自主设计和构建了实验用定位系统。该系统以Texas Instruments公司所研发的Zigbee芯片CC2530为基础，自行设计了CC2530的外围电路，通过布局优化把串口功能、烧录功能、供电电路集合在一个电路系统中。软件方面，以令牌网机制为基础通过设计和修改Z-stack协议栈的介质访问控制层、硬件虚拟层和应用层让所有节点能够快速轮询发送定位消息，定位消息中包含了先前收到的消息相应的节点号以及RSS值，协调器记录下这些RSS值并通过串口传送给电脑以便进行数据处理。
　　2、静态目标定位算法研究。由于RSS值在实际测量中十分敏感，易受到其它同频段电磁波、温度、湿度等客观因素的影响，使得许多基于RSS值的DFL定位结果不理想。针对此问题，本文应用基于混合高斯模型的背景学习算法进行DFL定位，通过背景学习区分出背景RSS影响和前景目标位置，使RSS的波动对定位成像的影响大幅减小。为实现更高的DFL定位精度，本文进一步采用频率分集技术，根据多信道测量值来提高成像质量。
　　3、移动目标动态跟踪算法研究。本文借助Zigbee模块良好的收发性能，同时在软件上修改协议栈以改善其冗余度，使一次轮询采样能够控制在毫秒级别，从而完全满足对慢速移动的人或物进行动态跟踪的采样要求。本文在研究卡尔曼滤波算法和粒子滤波算法的基础上，融合2种算法的优点，利用基于扩展卡尔曼滤波的粒子滤波算法来改善传统粒子滤波中粒子退化问题，并利用线性重采样粒子滤波技术来克服传统粒子滤波中重采样带来的粒子多样性减少的问题，使得跟踪性能得到大幅提高。
　　最后，本文对于现有工作中存在的不足进行了总结归纳，并针对其不足提出了相应的改进意见，以便在今后研究中做出改善，同时对于未来的研究方向进行了展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 有设备目标定位的国内外研究现状

1．2．1 移动网络辅助的GPS定位(AGPS)

1．2．2 完全由移动通信网络计算位置的定位技术

1．3 无设备目标定位的国内外发展现状

1．3．1 指纹匹配(Fingerprint Matching，FM)定位法

1．3．2 覆盖定位法

1．3．3 射频层析成像(Radio Tomographic Imaging，RTI)定位法

1．4 无线定位技术的性能评价

1．5 论文的主要研究工作和内容安排

第2章 硬件平台与软件平台设计与研发

2．1 Zigbee硬件技术背景

2．1．1 CC2530芯片介绍

2．1．2 CC2591芯片介绍

2．2 Zigbee协议技术架构

2．2．1 802．15．4物理层PHY

2．2．2 802．15．4介质接入控制层MAC层

2．2．3 Zigbee与IEEE802．15．4标准的不同

2．3 硬件设计

2．3．1 串口通信电路

2．3．2 软件烧写电路

2．3．3 硬件电路布局

2．4 软件设计

2．4．1 MAC层的程序设计

2．4．2 HAL层的程序设计

2．4．3 APP层的程序设计

2．5 本章小结

第3章 基于RSS值的射频层析成像定位

3．1 引言

3．2 无线电层析成像的定位原理

3．2．1 无线层析成像的可行性分析

3．2．2 无线电层析成像理论分析

3．3 基于多信道测量的RTI

3．3．1 多信道下测量的RTI的可行性分析

3．3．2 多信道下测量的RTI的原理

3．4 本文中的定位算法

3．5 实验过程及结果

3．5．1 室内定位

3．5．2 穿墙定位

3．5．3 空旷环境下的定位

3．5．4 静态定位误差统计

3．6 本章小结

第4章 基于改进粒子滤波算法的动态跟踪

4．1 扩展卡尔曼滤波

4．2 粒子滤波算法

4．3 本文的跟踪算法

4．3．1 基于EKF的扩展粒子滤波

4．3．2 线性优化重采样粒子滤波算法

4．4 实验结果

4．4．1 室内跟踪结果

4．4．2 室外跟踪结果

4．4．3 动态跟踪误差统计

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 研究工作和成果总结

5．2 研究展望

5．2．1 软件部分的改进

5．2．2 硬件部分的改进

5．2．3 算法部分的改进

参考文献

致谢