专利名称：一种基于低频电磁波的目标定位和追踪系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种定位和追踪系统，尤其涉及一种基于低频电磁波的目标定位和追踪系统及方法。
背景技术：
定位技术改变着人类生活的方方面面。GPS系统的应用已经进入到普通人生活中，汽车导航、GPS定位地图应用及GPS的各类衍生应用层出不穷。但是GPS由于自身系统的限制作用，无法在建筑物内使用。且民用级GPS的定位精度较差，不适应于小范围的精确定位应用。由此在市场中出现了诸多室内和小范围的定位系统，这些系统应用多种形式信号进行定位，诸如超声波信号、红外线信号、433MHz电磁波信号、900MHz电磁波信号、2.4GHz电磁波信号以及应用UWB技术的宽频电磁波信号。这些系统各具特点，但都有一个共同的技术缺陷，这些系统的定位效果很大程度上受制于视距问题(line of sight)。而低频电磁波由于频率较低，在靠近辐射源的近场区域能够形成稳定的具有穿透性的磁场信号，因此在应用低频电磁波的目标定位和追踪系统中，通过检测磁场信号在理论上已经解决了视距问题，使得区域定位系统更靠近实际中的应用环境。以有源RFID为代表的使用2.4GHz电磁波信号的定位系统，通过能量检测的方式进行定位测量，其定位·结果具有很大的误差，即使使用了先进的信号处理技术其精度也无法满足实际定位应用，仅能应用在需要存在检测的场合。同时使用这些技术会使得系统结构复杂和成本上升，不利于大规模使用。Microsoft开发的RADAR系统就是采用的该种方式，但该系统仅仅停留在实验室系统阶段，并没有进行大规模推广。由于红外线信号极好的方向特性，使用红外信号进行定位的系统，仅能判定待定位物体与发射源之间的方向关系。并且由于红外线较差的穿透特性，当发射源和目标物体之间存在一定材质的障碍物时，系统将失去作用。市面上现有的利用低频电磁波信号的定位系统，严格意义上无法称之为定位和追踪系统，其实际是一个单点定位系统。美国和前苏联在20世纪70年代曾使用低频电磁波进行全球性的导航应用，但是通过建立超大规模的铁塔从而发射低频电磁波信号，通过检测低频电磁波信号的相位判断距离，其使用的频段低于80kHz。市面上现有应用低频电磁波的系统采用模拟芯片进行信号处理，且只是用来进行强度触发判断物体是否进入某一个固定区域，并不是对该物体在区域内的坐标进行确定。公开号为CN101029931A的专利文献提供了一种超声波定位装置和定位方法，该专利中系统容量较低，并受限的系统定位范围，不适合长时间的不更换电池应用，且由于超声波是物理波，因此其应用严重的受到视距的限制。
发明内容
为克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于低频电磁波的目标定位和追踪系统，解决了传统定位系统在有障碍物时定位不准确甚至无法使用的问题。
一种基于低频电磁波的目标定位和追踪系统，包括:发射端，固定在特定的位置，用于发出低频电磁波；接收端，固定在目标上，用于接收所述的低频电磁波经模/数转换后计算出该低频电磁波的强度；服务器，根据发射端所发出的低频电磁波的强度和接收端所接收到的低频电磁波的强度，计算出发射端与接收端之间的距离，再结合发射端的位置，完成对目标的定位和追
足示O作为优选的，所述的发射端包括:第一处理器,按一定的时序和格式产生低频信号；低频电磁波发射模块，将第一处理器产生的低频信号以低频电磁波的形式发射；第一无线收发模块，用于与所述接收端实现通信。
第一无线收发模块用于与接收端实现通信，用于采集接收端的第二无线收发模块所发出的数据，并以有线或无线的方式将该数据上传至服务器。进一步优选的，所述的低频电磁波发射模块为I 3个。本发明对低频电磁波发射模块的数量并无限制，作为优选的，低频电磁波发射模块可以为I 3个，其中，发射端在完成定位和追踪应用时应至少配置3个低频电磁波发射模块，发射端在完成区域估计应用时应至少配置2个低频电磁波发射模块，同时，发射端在完成测距应用时，可以至使用一个低频电磁波发射模块。进一步优选的，所述的低频电磁波发射模块由驱动电路以及低频电磁波发射器组成。低频电磁波发射模块的数量越多，目标的定位精确度越高，可根据实际情况，来增减低频电磁波发射模块的数量。所述的接收端包括:低频电磁波接收模块，接收所述发射端发出的低频电磁波；第二处理器，计算所述低频电磁波接收模块所接收的低频电磁波的强度；第二无线收发模块，用于向第一无线收发模块输出所述第二处理器计算得到的低频电磁波的强度。接收端和服务器之间通过无线连接，接收端与发射端之间也通过无线连通，发射端和服务器之间可以采用无线连接，也可以使用有线连接。作为优选的，所述的低频电磁波接收模块由依次连接的磁性天线、电容、调节电阻、缓冲放大器、电容电阻网络和电压放大器组成。该磁性天线由三路互相垂直的低频接收天线组成，分别接收并放大空间中互相垂直的三个方向上的磁场。本发明发射端和服务器可采用菊花链方式连接，也可以采用星形连接方式连接，可以采用其他的连接方式。本发明还提供了一种基于低频电磁波的目标定位和追踪方法，包括以下步骤:I)发射端放置在特定的位置，并发出80kHz 150kHz频率的低频电磁波，该低频电磁波被固定在目标上的接收端所采集，接收端带有三路互相垂直的低频接收天线，分别对每路低频接收天线所接受的低频电磁波信号进行数字处理，得到相应的低频电磁波强度，然后根据三路低频接收天线接受的低频电磁波强度计算出总体低频电磁波强度；
2)根据发射端所发出的低频电磁波的强度和所述的总体低频电磁波强度，计算出发射端与接收端之间的距离，再结合发射端所在的位置，完成对目标的定位和追踪。所述的总体低频电磁波强度:I2=Ix2+Iy2+Iz2其中，Ix=Icos αIy=Icos βIz=Icos Y式中，α、β、Y为三路低频接收天线与空间磁场方向的夹角，Ix、Iy、和Iz表示三路低频接收天线分别接收的低频电磁波强度，I为总体低频电磁波强度。所述数字处理的过程包括:ADC采样:对低频电磁波信号进行ADC采样得到采样信号，采样率至少为低频电磁波信号载频或带宽的2倍；数字滤波处理:采用Q值不小于240的带通滤波器对采样信号进行数字滤波处理，滤除带外噪声； 强度提取:使用数字方法提取经数字滤波处理的信号的低频电磁波强度。设每路低频接收天线所接收的低频电磁波强度为A:
权利要求
1.一种基于低频电磁波的目标定位和追踪系统，其特征在于，包括: 发射端(1)，固定在特定的位置，用于发出低频电磁波； 接收端(2)，固定在目标上，用于接收所述的低频电磁波并通过模/数转换计算出该低频电磁波的强度； 服务器(3)，根据发射端(I)所发出低频电磁波的强度和接收端(2)所接收的低频电磁波的强度，计算出发射端(I)与接收端(2)之间的距离，再结合发射端(I)所在的位置，完成对目标的定位和追踪。
2.如权利要求1所述的基于低频电磁波的目标定位和追踪系统，其特征在于，所述的发射端(I)包括: 第一处理器(11)，按一定的时序和格式产生低频信号； 低频电磁波发射模块(13)，将第一处理器(11)产生的低频信号以低频电磁波的形式发射； 第一无线收发模块(12)，用于与所述接收端(2)实现通信。
3.如权利要求2所述的基于低频电磁波的目标定位和追踪系统，其特征在于，所述的低频电磁波发射模块(13)为I 3个。
4.如权利要求2所述的基于低频电磁波的目标定位和追踪系统，其特征在于，所述的低频电磁波发 射模块(13)由驱动电路以及低频电磁波发射器组成。
5.如权利要求2所述的基于低频电磁波的目标定位和追踪系统，其特征在于，所述的接收端(2)包括: 低频电磁波接收模块(23)，接收所述发射端(I)发出的低频电磁波； 第二处理器(21)，用于计算所述低频电磁波接收模块(23)所接收的低频电磁波的强度； 第二无线收发模块(22)，用于向第一无线收发模块(12)输出所述第二处理器(21)计算得到的低频电磁波的强度。
6.如权利要求5所述的基于低频电磁波的目标定位和追踪系统，其特征在于，所述的低频电磁波接收模块(23 )由依次连接的磁性天线(231)、电容(232 )、调节电阻(233 )、缓冲放大器(234)、电容电阻网络(235)和电压放大器(236)组成。
7.一种基于低频电磁波的目标定位和追踪方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)发射端放置在特定的位置，并发出80kHz 150kHz频率的低频电磁波，该低频电磁波被固定在目标上的接收端所采集，接收端带有三路互相垂直的低频接收天线，分别对每路低频接收天线所接受的低频电磁波信号进行数字处理，得到相应的低频电磁波强度，然后根据三路低频接收天线接受的低频电磁波强度计算出总体低频电磁波强度； 2)根据发射端所发出的低频电磁波的强度和所述的总体低频电磁波强度，计算出发射端与接收端之间的距离，再结合发射端所在的位置，完成对目标的定位和追踪。
8.如权利要求7所述的基于低频电磁波的目标定位和追踪方法，其特征在于，所述的总体低频电磁波强度:I2=Ix2+Iy2+Iz2 其中，Ix=IcosαIy=IcosβIz=Icos Y 式中，α、β、Υ为三路低频接收天线与空间磁场方向的夹角，Ιχ、Iy、和Iz表示三路低频接收天线分别接收的低频电磁波强度，I为总体低频电磁波强度。
9.如权利要求8所述的基于低频电磁波的目标定位和追踪方法，其特征在于，所述数字处理的过程包括: ADC采样:对低频电磁波信号进行ADC采样得到采样信号，采样率至少为低频电磁波信号载频或带宽的2倍； 数字滤波处理:采用Q值不小于240的带通滤波器对采样信号进行数字滤波处理，滤除带外噪声； 强度提取:使用数字方法提取经数字滤波处理的信号的低频电磁波强度。
10.如权利要求9所述的基于低频电磁波的目标定位和追踪方法，其特征在于，设每路低频接收天线所接收的低频电磁波强度为A:
全文摘要
本发明公开了一种基于低频电磁波的目标定位和追踪系统，包括发射端，固定在特定的位置，用于发出低频电磁波；接收端，固定在目标上，用于接收所述的低频电磁波并通过模/数转换计算出该低频电磁波的强度；服务器，根据发射端所发出的低频电磁波的强度和接收端所接收到的低频电磁波的强度，计算出发射端与接收端之间的距离，再结合发射端所在的位置，完成对目标的定位和追踪。本发明还公开了一种基于低频电磁波的目标定位和追踪方法。本发明克服了传统定位系统在有障碍物时定位不准甚至失效的问题，并且通过系统扩展的方法能够使得系统满足更大范围的定位需求。
文档编号G01S11/00GK103217682SQ201310128580
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者任阳, 付涛, 成东峻, 林贤德, 徐雪旻 申请人:杭州华韵天略电子科技有限公司