专利名称：无线电干涉定位中基于素数序列的测量频率选择方法
技术领域：
本发明涉及无线电干涉定位中的测距技术，特别涉及无线电干涉测距中基于素数序列的测量频率选择方法。
背景技术：
无线网络中的定位包括两大类基于测距的方法和非测距的方法。非测距方法利用节点间的连接信息定位，不需要额外的硬件设备，但一般精度不高。基于测距方法通过测量信号的幅度、相位或频率来测量位置已知节点和待定位节点间的距离、距离差或方向信息。测量信号包括声波、超声波、红外和无线电信号。测距方法包括到达时间测距(TOA)、到达时间差测距(TDOA)、到达角测距(AOA)、接收信号能量测距(RSS) 和无线电干涉测距(RIPS)。在测距范围上，声波、超声波或红外信号测距范围在几米到几十米，而无线电信号测距范围则从几公里到几万公里。除接收信号能量测距外，基于测距的定位方法普遍精度较高，但需要较昂贵的硬件。在无线网络定位中，定位精度、定位范围和成本是评价定位系统优劣三个重要标准。昂贵的硬件成本限制了测距类定位方法在大范围布设网络中的应用。无线电干涉测距技术出现，解决了定位精度和节点成本间的矛盾。无线电干涉定位系统(Radio Interferometric Positioning System RIPS)中， 两个源节点A、B同时发射频率相近，分别为f\、f2的高频正弦波信号，两正弦信号在接收节点C、D产生干涉现象。C、D节点将高频干涉信号倍频处理，然后低通滤波取出干涉信号的低频包络，计算包络相位听、妙》两个接收节点包络相位的差ito=幹-吟，对应着一个四元距离组合dABCD = cU-dBD+dBC-dAC，并称d侧为四元组ABCD对应的干涉距离。其中，dXY(X，Y e {A, B，C，D})表示节点X、Y的距离，如图1所示。在干涉定位系统中，首先利用测量伙,,估计CIabqi，进而根据不同节点组合的干涉距离估计待定位节点的位置。无线电干涉定位技术具有以下优点1.对时钟同步要求低发射端不需要同步；而接收端仅需要微秒级的同步精度， 通过网络的时间同步协议即可完成节点的同步。2.硬件成本低由于接收端仅需对几百赫兹低频包络信号进行采样并计算相位， 对A/D采样器件和相应硬件电路要求低，硬件成本低。3.定位精度高现有的无线电干涉定位系统的定位精度可达厘米级。4.测距范围可控测距范围受到频率间隔控制，可达几百米。因此，与现有的其他测距类定位方法相比，无线电干涉定位技术具有极大的技术优势。但是，无线电干涉定位技术采用干涉测距，而干涉测距属于相位测距的范畴，整周�：�(即节点距离的估计值中所包含的未知整波长数)是其面临的本质问题。为此，只能通过限定定位系统的布设范围(测距范围)来限制节点之间的距离，使其小于整周模糊解的周期，从而排除奇异解。现有的干涉定位系统普遍采用等间隔选取测量频率的方法，在其它条件一定时，该方法的整周�：庵芷谟肫德始涓舫煞幢�。另一方面，频率间隔减�。� 测距误差将迅速增大，如图3所示。这就导致了测距精度与测距范围之间产生不可调和的矛盾。因此，该方法的弊端在于在测量的频点和带宽一定时，增加测距精度必然以牺牲测距范围为代价；反之亦然。由于整周�：侍獾拇嬖冢钟械燃涓舾缮娌饩喾椒ㄖ胁饩嗑群筒饩喾段岩约婀瞬⑽薹ń饩�。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述缺陷，提供一种无线电干涉定位中基于素数序列的测量频率选择方法。本发明的技术方案是无线电干涉定位中基于素数序列的测量频率选择方法，其主要技术步骤在于(1)发射和接收节点的设置一次干涉测量包括三个位置已知的锚节点和一个待定位节点，将两个锚节点设置为发射节点，另一个锚节点和待定位节点设置为接收节点；(2)发射节点频率校准对两个发射节点的频率进行校准，消除它们的标称发射
频率偏差；(3)干涉测量频率间隔设计利用素数序列构造全体相邻测量频率之间的间隔， 即构造 Afi, Afi = fi+「fi ；(4)干涉测量频率间隔优化排列设计利用优化方法确定测量频率间隔的排序； 根据频率间隔的最优排序，确定最终一组N个测量频率fi; i = L...N；(5)发射、接收节点时间同步利用时钟同步协议来同步接收节点，使其在相同的时刻开始接收操作；(6)干涉包络相位差估计两个发射节点分别在一对频率上发射频率相近的正弦波，fL为固定低频信号，两个正弦波信号在两接收节点形成干涉信号；分别计算两个接收节点处干涉信号包络的相位，得到两包络相位的差识⑶；(7)干涉距离估计分别在多对频率上重复步骤⑵和(6)，测量得到多个柳,联合求解干涉距离dABm，单个dABm所确定的待定位节点的轨迹是一条双曲线；(8)节点位置估计使用不同的锚节点和待定位节点组合，得到不同CIabqi和双曲线，多条双曲线交点为待定位节点位置。本发明以无线电干涉测距技术为基�。ㄗ⒂谄渲胁饬科德实纳杓疲荚诮饩鱿钟械奈尴叩绺缮娌饩嗉际踔胁饩嗑群筒饩喾段е涞拿�。在测量可用的总带宽和测量频率数相同条件下，本发明给出了一种启发式的频率设计方法，构造了基于素数的优化频率间隔，同时得到了频率间隔的最优排列顺序，最后给出了一个具体而详细的用素数选取测量频率的示例。本发明与以往方法具体差别在于1.本发明以无线电干涉测距系统RIPS为基�。饩隽似渲写嬖诘牟饩喾段Ш筒饩嗑认嗝芪侍�。2.本发明与GPS定位系统中相位测距方法不同之处在于(a)GPS利用载频的相位而不是干涉信号的相位来测距，解决相位测距中的整周模糊问题需要利用额外信息，如伪码测距提供的粗估计；(b)GPS系统只在固定的频率上发射测距信号，不涉及到测量频率的选取问题。3.本发明与连续波雷达中相位测距方法不同之处在于，无线电干涉测距系统中可以直接测量得到单个载频上的相位信息，而连续波雷达测量两两载频上相位差，在测量频率个数相同时，由于雷达中相位测距方法不能获取单个载频上的相位信息，包含的信息少于RIPS方法，因此测距精度要低于RIPS方法；连续波雷达中设计各个频率与一个参考频率之间的间隔来对付整周�：侍猓痉⒚魃杓葡嗔诓饬科德始涓簦徊慰计德使潭ê螅ɡ状镏懈鞲霾饬科德嗜范ǎ痉⒚髟谄德始涓羧范ê螅饬科德嗜杂形耷钪肿楹希抢谜庖惶匦裕痉⒚髟诠乖炱德始涓粲糜谙苣：耐保杓屏瞬饬科德始涓舻淖钣抛楹�。即本发明特点可归纳为本发明应用于RIPS测距系统，在总带宽受限条件下，利用素数序列，构造相邻测量频率间隔，使之充分利用测量带宽，同时优化频率间隔排列次序，最终达到消除整周�：夂吞岣卟饩嗑人啬勘�。本发明运用仿真来揭示所发明方法的性能。结果表明，本发明达到预期效果，不增加硬件成本的前提下，解决了干涉测距中测距精度和范围矛盾的难题，同时新的干涉测距方法实现简单。在相同的可用测量宽度和测量频点的条件下，本发明方法的测距范围大大扩展的同时，测距精度甚至高于等间隔方法。值得一提是，等间隔测距方法本身就有较高的测距精度，因此本发明中方法同时也是一种高精度测距方法。
图1——现有技术中无线电干涉定位收发节点配置图。图2——本发明中无线电干涉定位原理方框示意图。图3——现有技术中等间隔测距，测量频点数及频点间隔对测距精度影响示意图。图4——本发明中不同测距方法整周�：恼艹な疽馔迹渲校�(a)为q_range =200m, N = 41，等间隔方法 Af = O. IMHz ； (b)为 q_range = 200m, N = 41，等间隔方法 Af = O. 5MHz ； (c)为q_range = 200m, N = 41，基于素数频率选择方法；图5——本发明中基于素数优化方法的实施方框示意图。图6——本发明中偏差搜索函数主次峰关系示意图。图7——本发明中不同频点时等间隔和基于素数优化设计方法测距精度比较示意图。图8——本发明中不同带宽时等间隔和基于素数优化设计方法测距精度比较示意图。
具体实施例方式下面将分几个部分详细阐述本发明。包括本发明选择方法的具体实现步骤以及新方法的性能，新方法的性能主要以测距精度和测距范围来衡量。新方法解决了无线电干涉测距精度和范围之间存在矛盾。下面进一步阐述本发明主要技术步骤。
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如图2所示步骤(1).发射和接收节点的设置无线电干涉定位中一次干涉测量包括四个节点，即两个发射节点A、B和两个接收节点C、D，测量得到的干涉距离dABm是四元距离组合，即d_ = dAD-dBD+dBC-dAC。为了便于位置解算，一次干涉测量包括三个锚节点和一个待定位节点，其中两个锚节点设置为发射节点，另一个锚点和待定位节点设置为接收节点；这样一个干涉距离对应一条双曲线，使用多条双曲线即可确定待定位节点的位置。见公式(9)。此外，考虑到定位中的⑶OP(Geometric Dilution of Precision)问题，两发射节点距离不能太近，此外选择测量的锚节点时，尽量避免锚节点和待定位节点在一条直线上。步骤(2).发射节点频率校准当两个发射节点同时发射频率相近的正弦波信号时，接收端形成干涉信号，且所形成的干涉信号的拍频为干涉源信号的频率之差。计算干涉信号包络的相位时，将其通过低通滤波器后对信号强度进行采样。产生好的干涉信号关键是干涉源节点能够精确发射指定频率的正弦波。如果发射节点的晶振的稳定度不够高，使得发射信号的实际频率与指定频率不符，此时可采用频率校准的方法。干涉测距中，频率校准的目的使得两个发射节点的频率差为精确可控值。本发明以低成本节点Mica2传感器节点为例，Mica2采用的CC1000芯片内部的温补晶振易受环境因素的影响而产生频率偏移。为此，在干涉测量过程前须进行频率调整以降低干涉源节点频率的差值。干涉源信号的频率计算公式为f = 430. 1+0. 526Xchannel+65 · ICT6Xtuning (MHz) (1)式中channel——当前测量的频段序号；tuning——相应频段上的频率调整值。此处，430. IMHz为CC1000电台的基准频率，0. 526MHz为相邻测量频段的间隔， 65Hz为频率调整的基本单位。在调整过程中，一个干涉源节点的频率保持不变，不断改变另外一个源节点的频率调整值，接收节点测量干涉信号包络的频率，当包络的频率接近零时， 接收节点选择出相应的最优校准值并报告给发射节点，后者依据接收到的校准值对自身频率寄存器的设置进行调整，频率校准过程结束。步骤(3).干涉测量频率间隔设计本发明提供了一种基于素数的优化频率间隔选择方法。优化频率间隔选择方法重点考虑测量频率间隔的选择而不是测量频率本身的设计。由于等频率间隔是产生整周�：脑颍⑶艺艿闹艹ぶ苯佑善德始涓羧范ǎ恐制德始涓舳杂σ桓稣�。从这种直观中可得到启示，如果使用多个不同的频率间隔，偏差搜索函数中，每种频率间隔对应的整周长尽可能不在同一个位置重合(除了正确的干涉距离q_range外)，即除了真实干涉距离上， 其他整周�：恢蒙系姆逯挡换岢鱿值有Ч�。本发明将提供一种方法尽量避免非真实位置上峰值的叠加。为了描述方便，首先做如下定义。将所有相邻测量频点间隔构成的集合记为AF， (其中每个元素=同时定义一个整周�：恼艹ぜ蟂q，集合中每个元素 Sq⑴均为正整数，并且和集合AF中的元素一一对应，Sq(i) = c/Δ ^。
集合Sq中元素按如下原则设计对任意i，j < N，i ≠ j，如果 Sq(i) · m = Sq(J) · n，则要求m = k · Sq(j), η = k ‘ Sq(i)(2)其中k为任意正整数，N为集合中元素的个数.按上述准则设计的整周长集合Sq，其中任意ρ个元素Sq(I)，...Sq (ρ)对应ρ种不同整周长的�：猓恐帜：庥形耷疃喔觯釶种�：飧髯远懒ⅲ鼋鲈谔乇鹞恢蒙系有纬捎胝媸蹈缮婢嗬肷峡杀饶獾姆逯担庑┨乇鹞恢梦�
权利要求
1.无线电干涉定位中基于素数序列的测量频率选择方法，其步骤在于(1)发射和接收节点的设置一次干涉测量包括三个位置已知的锚节点和一个待定位节点，将两个锚节点设置为发射节点，另一个锚节点和待定位节点设置为接收节点；(2)发射节点频率校准对两个发射节点的频率进行校准，消除它们的标称发射频率偏差；(3)干涉测量频率间隔设计利用素数序列构造全体相邻测量频率之间的间隔，即构造 Afi, Afi = f^rfj ；(4)干涉测量频率间隔优化排列设计利用优化方法确定测量频率间隔的排序；根据频率间隔的最优排序，确定最终一组N个测量频率fi; i = L...N；(5)发射、接收节点时间同步利用时钟同步协议来同步接收节点，使其在相同的时刻开始接收操作；(6)干涉包络相位差估计两个发射节点分别在一对频率上发射频率相近的正弦波，fL为固定低频信号，两个正弦波信号在两接收节点形成干涉信号；分别计算两个接收节点处干涉信号包络的相位，得到两包络相位的差辟》;(7)干涉距离估计分别在多对频率上重复步骤(2)和(6)，测量得到多个料。，联合求解干涉距离dABm，单个dABm所确定的待定位节点的轨迹是一条双曲线；(8)节点位置估计使用不同的锚节点和待定位节点组合，得到不同dABm和双曲线，多条双曲线交点为待定位节点位置。
2.根据权利要求1所述的无线电干涉定位中基于素数序列的测量频率选择方法，其特征在于所述的步骤(3)，将干涉测距中频率间隔设计问题转化为整周长序列设计问题，构成整周长序列的数需要满足任意两两之间最大公约数为1的条件。
3.根据权利要求1、2所述的无线电干涉定位中基于素数序列的测量频率选择方法，其特征在于所述的步骤(3)，整周长集合的产生方法为产生K个按照升序排列的素数集合，并从K个集合中进行L倍抽�。创蛹现忻扛鬖 个元素取出一个元素，以增大素数间的差异，得到K/L个素数作为整周长候选集合Pr。其中，整数K远大于干涉测距的测量频点数，本发明中整数L取值L = 2。
4.根据权利要求1所述的无线电干涉定位中基于素数序列的测量频率选择方法，其特征在于所述的步骤(3)，测量频率间隔的构造方法从整周长候选集合Pr中选择N+1个连续的素数构成素数子集合Sq = {Pr(i), Pr(i+1)，. . . Pr(i+N-1)，Pr (i+N)}，该素数集合与频率间隔的对应关系为Afj = c/Sq(j)， Sq(j) =Pr(i+j_l)，c为光速。通过搜索方式确定这段素数起始位置i，使得Sq中前N个素数对应的频率间隔之和大于带宽B，即
5.根据权利要求1所述的无线电干涉定位中基于素数序列的测量频率选择方法，其特征在于所述的步骤(4)，直观的频率间隔排序方法按如下思想设计对频率间隔序列重新排序，使其元素具有先递增后递减的性质，从而使得测量频率在频带两端分布密集，在频带中心分布稀疏；当测量频率N为奇数时，将频率间隔序列首先按降序排列，得到集合AF= (Af1, Af2，Af3，... Δ fN}，然后将集合中的元素重新排序为 Δ Fopt = { Δ fN, Δ fN_2，Δ fN_4，...Af3, Af1, Af2, Af4,... Δ fN_3，Δ fN_J。当 N 为偶数时，重新排序的集合为 Δ Fopt = { Δ f^, Δ fN_3, Δ fN_5，...Af3, Af1, Af2, Af4,... Δ fN_2，Δ fN}。
6.根据权利要求1所述的无线电干涉定位中基于素数序列的测量频率选择方法，其特征在于所述方法适用于大范围布设的无线网络中节点定位以及小范围内无线传感器网络中的节点定位。
全文摘要
本发明涉及无线电干涉测距中基于素数序列的测量频率选择方法。本发明提供了一种可避免整周模糊解形成的频率间隔构造方法，即基于素数的频率间隔构造方法，同时设计了频率间隔的最优排列顺序，一次干涉测量包括三个位置已知的锚节点和一个待定位节点，将两个锚节点设置为发射节点，另一个锚节点和待定位节点设置为接收节点，包括发射节点频率校准、干涉测量频率间隔设计、干涉测量频率间隔优化排列设计、发射及接收节点时间同步、干涉包络相位差估计、干涉距离估计、节点位置估计等。本发明解决了等频率间隔干涉测距系统中由整周�：贾碌牟忌璺段芟尬侍�。本发明测距精度高于现有的等频率间隔干涉测距方法。
文档编号G01S13/38GK102221694SQ20111009140
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者刘鹏, 威力, 朱亚松, 汪晗, 袁恩, 齐望东 申请人:中国人民解放军理工大学
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