本发明专利技术提供一种无线传感器网络目标跟踪系统，包括一个或多个被跟踪的目标节点以及M个位置固定的接收节点，接收节点均包括低精度同步的设备，目标节点发送双频信号。本发明专利技术还提供一种无线传感器网络目标跟踪方法。本发明专利技术提供的无线传感器网络目标跟踪系统及目标跟踪方法，采用双频信号，利用射频干涉技术，使用低精度同步设备(同步误差在50us左右)实现高精度(cm级)目标跟踪；通过多次组合而非单独测量，得到更多方程来计算，这样减少了接收节点，简化了网络，降低了目标跟踪系统的复杂性，进一步降低目标跟踪系统的成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线传感器网络
，具体涉及一种无线传感器网络目标跟踪系统及目标跟踪方法。
技术介绍
近年来，随着无线传感器网络技术的蓬勃发展，基于位置信息的服务越来越受到大家的关注。这些位置服务需要对复杂环境，如大型超市、地下停车库、贵重医疗器械等进行精确定位；人们对移动目标位置的实时跟踪需求也与日俱增，如矿井施工、火灾地震人员救援、高效物流分拣等。无线传感器网络能实现数据采集、处理、传输，具有大范围、分布式、自组织、强鲁棒性、低功耗等优点，非常适用于节点定位与跟踪。其应用领域包括军事探测、智能管理、智能交通和医院监督护理等等。实现无线传感器网络定位跟踪的主要技术有射频定位技术、光定位技术和声波定位技术。由于光、声系统复杂度较高、部署困难、造价昂贵，所以在现实应用中没得到广泛应用。射频定位系统具有精度高、系统造价低、部署相对容易、系统容量大，被广泛研究。其中基于射频技术的GPS全球定位系统只适用于室外定位，而GSM/CDMA基站定位精度不高，因此需要能在室内精确定位跟踪的技术中最有潜力的是基于无线传感器网络(WSN)的射频定位技术。基于射频的定位跟踪技术包括WIFI、RFID、UWB等，WIFI技术具有高耗能的缺点，且在定位精度、抗干扰能力方面有一定缺陷；RFID由于需要特别布置读写器和天线，部署繁琐，且作用距离较短；UWB技术虽精度高，但同样定位距离短、安装部署困难，且造价高。射频干涉定位系统(RIPS)是最近提出的一种新型无线传感器网络射频定位方法，该方法使用双发双收机制估计节点的位置信息，四个节点构成一个测量单元，节点A、B同时发射两个频率接近的射频信号，在周围形成一个干涉场。节点C、D接收节点A、B发射的信号并计算两波叠加形成的干涉信号的相位。根据计算的相位信息，便可以得到A、B、C、D之间的距离关系，如图1所示。基于射频干涉信号的定位系统(DRIPS，Designing dual-tone radio interferometric positioning systems[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2015,63(6)：1351-1365)，该方案采用RIPS原理，发展并实现了跟踪移动目标，接收参考节点根据目标节点和接收节点发射信号形成的干涉信号的频移来确定目标节点的速度，利用接收到的干涉信号的频移和相位差确定位置。DRIPS继承RIPS原理并创新，用于多个目标节点进行定位，有效改善信道衰减对信号的影响。以上方案继承了RIPS的优点，并根据各自需求改进算法。上述方案存在以下问题：(1)上述方案都是建立在系统通信单元高精度同步的基础上，或者说没有考虑低精度同步设备对定位或跟踪的精度影响；而高精度同步在实际系统中难以实现且需要消耗更多的资源，对传感器精度要求也高，造成目标跟踪系统成本较高；(2)通常会采用测量值、测量方程与接收节点一一对应的方式，建立运动的非线性方程组，因此测量方程与接收节点的数目相同，这样会提高目标跟踪系统的复杂度，从而提高了目标跟踪系统的成本。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种无线传感器网络目标跟踪系统，采用双频信号，利用射频干涉技术，使用低精度同步设备(同步误差在50us左右)实现高精度(cm级)目标跟踪，降低目标跟踪系统的成本；通过多次组合而非单独测量，得到更多方程来计算，这样减少了接收节点，简化了网络，进一步降低了目标跟踪系统的复杂性，降低目标跟踪系统的成本。本专利技术提供一种无线传感器网络目标跟踪系统，包括一个或多个被跟踪的目标节点以及M个位置固定的接收节点，接收节点均包括低精度同步的设备，目标节点发送双频信号。进一步地，双频信号的频率为fb与(fb+gb)，其中gb为双频信号的频差，双频信号的频差gb设置为小于信道相干带宽。进一步地，接收节点使用低精度同步的设备进行同步。进一步地，接收节点的数目M大于或等于3且小于或等于8。本专利技术还提供一种无线传感器网络目标跟踪系统的目标跟踪方法，包括以下步骤：(1)目标节点发送双频信号，双频信号的频率为fb与(fb+gb)，其中gb为双频信号的频差；(2)在tn时刻，根据接收节点处理接收到的双频信号，得到包含M个相位的第一组相位信息；(3)在tn+1时刻，根据接收节点处理接收到的双频信号，得到包含M个相位的第二组相位信息；(4)根据第一组相位信息与第二组相位信息，建立运动的非线性方程组，tn时刻与tn+1时刻之间假设为匀速直线运动；(5)利用非线性最小二乘法的方法，解非线性方程组，得到匀速直线运动的速度，并计算tn+1时刻位置Tn+1；(6)n＝n+1，第二组相位信息设置为第一组相位信息，执行步骤(3)。进一步地，步骤(1)中双频信号的频差gb设置为小于信道相干带宽。进一步地，步骤(2)或步骤(3)中根据接收节点处理接收到的双频信号，得到包含M个相位的第一组/第二组相位信息的方法包括以下步骤：(21)根据接收节点处理接收到的双频信号，得到采样点；(22)利用最小二乘法(LS)，处理样本点，得到包含M个相位的第一组/第二组相位信息。进一步地，步骤(21)根据接收节点处理接收到的双频信号，得到采样点包括以下步骤：(211)通过下变频去除载波信号；(212)通过带通滤波器滤除无关信号；(213)通过欠采样方法采样得到样本点，欠采样技术为采样频率小于奈圭斯特采样频率的采样方法。进一步地，步骤(213)中欠采样方法的采样频率fs不是fb和gb的公约数。进一步地，步骤(4)根据第一组相位信息与第二组相位信息，建立运动的非线性方程组包括以下步骤：(41)将第一组相位信息与第二组相位信息中对应的两个相位信息相减，得到M个有关到达时间差信息的相位信息；(42)利用排列组合数学方法，在M个有关到达时间差信息的相位中，挑选两个构成一个相位对，并计算二者的差值，得到个关于到达时间差之差的相位信息；(43)根据目标节点在Tn时刻的位置、接收节点位置，建立运动的非线性方程组。进一步地，步骤(41)中第一组相位信息或步骤(3)中第二组相位信息，均包含双频信号的到达时间信息、时间偏移残余项以及整周模糊的信息，将第一组相位信息与第二组相位信息中对应的两个相位信息相减，得到M个有关到达时间差信息的相位信息中消除了时间偏移残余项与整周模糊的信息。与现有技术相比，本专利技术提供的无线传感器网络目标跟踪系统及目标跟踪方法，具有以下有益效果：(1)采用双频信号，利用射频干涉技术，使用低精度同步设备(同步误差在50us左右)实现高精度(cm级)目标跟踪；(2)通过多次组合而非单独测量，得到更多方程来计算，这样减少了接收节点，简化了网络，降低了目标跟踪系统的复杂性，进一步降低目标跟踪系统的成本。附图说明图1是射频干涉定位系统(RIPS)的原理示意图；图2是本专利技术的一个实施例的无线传感器网络目标跟踪系统的目标节点的运动模型示意图。具体实施方式本专利技术的一个实施例的无线传感器网络目标跟踪系统，包括一个或多个被跟踪的目标节点以及M个位置固定的接收节点，接收节点均包括低精度同步的设备，目标节点发送双频信号。双频信号的频率为fb与(fb+gb)，其中gb为双频信号的频差，双频信号的频差gb设置本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无线传感器网络目标跟踪系统，其特征在于，所述无线传感器网络目标跟踪系统包括一个或多个被跟踪的目标节点以及M个位置固定的接收节点，所述接收节点均包括低精度同步的设备，所述目标节点发送双频信号。
【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络目标跟踪系统，其特征在于，所述无线传感器网络目标跟踪系统包括一个或多个被跟踪的目标节点以及M个位置固定的接收节点，所述接收节点均包括低精度同步的设备，所述目标节点发送双频信号。2.如权利要求1所述的无线传感器网络目标跟踪系统，其特征在于，所述双频信号的频率为fb与(fb+gb)，其中gb为双频信号的频差，所述双频信号的频差gb设置为小于信道相干带宽。3.如权利要求1所述的无线传感器网络目标跟踪系统，其特征在于，所述接收节点使用低精度同步的设备进行同步。4.如权利要求1所述的无线传感器网络目标跟踪系统，其特征在于，接收节点的数目M大于或等于3且小于或等于8。5.一种如权利要求1-3任一项所述的无线传感器网络目标跟踪系统的目标跟踪方法，其特征在于，所述无线传感器网络目标跟踪方法包括以下步骤：(1)目标节点发送双频信号，所述双频信号的频率为fb与(fb+gb)，其中gb为双频信号的频差；(2)在tn时刻，根据所述接收节点处理接收到的双频信号，得到包含M个相位的第一组相位信息；(3)在tn+1时刻，根据所述接收节点处理接收到的双频信号，得到包含M个相位的第二组相位信息；(4)根据所述第一组相位信息与所述第二组相位信息，建立运动的非线性方程组，tn时刻与tn+1时刻假设为匀速直线运动；(5)利用非线性最小二乘法的方法，解所述非线性方程组，得到匀速直线运动的速度，并计算tn+1时刻位置Tn+1；(6)n＝n+1，所述第二组相位信息设置为第一组相位信息，执行步骤(3)。6.如权利要求5所述的目标跟踪方法，其特征在于，步骤(2)或步骤(3)中根据所述接收节点处理接收到的双频信号，得到包含M...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖盼，王易因，陈彩莲，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。