一种基于区域划分的目标无线设备定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于区域划分的目标无线设备定位方法，包括如下步骤：步骤1：划分正方形的目标区域，得到N×N个正方形的单位分区；步骤2：计算飞行器在目标区域中的搜索曲线；步骤3：将距离飞行器最近的一个单位分区的中心作为起点，飞行器沿搜索曲线顺序搜索目标区域中的单位分区，对单位分区中每个目标无线设备进行定位。本发明在飞行过程中能检测到所有目标无线设备，提供任何一点的细粒度的地图，提高了定位精度。同时，通过基于区域划分的飞行路线算法，充分利用接收信号的定向性，控制飞行器直接向着目标方向飞去，较现有的warflying方法而言，本发明无需按照预定的空间填充曲线遍历扫描目标区域，减少了总飞行距离，降低了飞行器的功耗。
【专利说明】一种基于区域划分的目标无线设备定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及嵌入式系统、无线通信、导航等【技术领域】，具体涉及一种基于区域划分的目标无线设备定位方法。
【背景技术】
[0002]目前，网络取证和灾难救援等应用的关键在于，需要快速地和准确地对目标区域中无线通信设备定位。为此，研究人员提出了 warwalking或wardriving,它们是一类通过行人或车辆在检测区域巡游并使用无线设备检测周围无线网络的方法。有研究者(A.P.Subramanian, P.Deshpande, J.Gao, and S.R.Das.Drive-by localizat1n ofroadside wifi networks [C] //in Proceedings of INF0C0M.Phoenix, AZ:1EEE, 2008)米用电子的可控波束定向天线，进行warwalking并收集RSS与AoA信息,在不同的位置进行多次测量，并绘制箭头指向AP(无线访问接入点)的方向，因此，所有的箭头指向的位置即为AP所在位置；还有使用从RSS信息中推断得出梯度信息确定AP的位置，AP的方向是沿着RSS值增加最快的方向，使用箭头标注此方向，所有的箭头指向的位置即为AP所在位置。然而，由于汽车和人很难到达特定地方如建筑物的屋顶等，而在真实灾难救援场景中这些特殊地方是不可避免的。事实上，我们从地震后的建筑物废墟中搜索和救援幸存者，是通过定位他们身上携带的智能手机来实现对人定位。
[0003]由于warwalking或wardriving的这些局限性，研究人员开始探索基于飞行器的定位方法warflying，该方法通过飞行器飞到开放空间的任意点，检测并产生细粒度的无线设备地理位置图。例如，WASP是一个进行warflyng的微型飞行器,在定位时，它需要保持一个相对较高的速度，这限制了它的监测能力；HAWK(Zhongli Liu，YinjieChen, Benyuan Liu, et al.HAWK:An Unmanned Mini Helicopter-based Aerial Wireless Kitfor Localizat1n[C]//in Proceedings of INF0C0M.0rlando, USA:1EEE, 2012:2219-2227)利用空间填充曲线作为搜索路径，根据飞行速度、目标数据包发送间隔以及无线传输范围确定搜索路径的级别，以保证搜索区域中所有的目标无线设备均被检测到。然而，现有的warflying方法通常要求飞行器沿着预先设定的空间填充曲线作为飞行路径遍历扫描目标区域，缺乏灵活性且飞行路线较长，因此，造成定位时间与能耗较大，大大制约了其实际应用。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提出一种空中无线检测和定位方法(简称GuideLoc)，该方法要解决以下两个技术问题:一是确保在飞行过程中能检测到目标区域内所有的目标无线设备，提供任何一点位置的细粒度的地图；二是设计最短的飞行路线，完成定位过程，减少搜索时间并节省飞行器的功耗。
[0005]为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案:
[0006]一种基于区域划分的目标无线设备定位方法，包括如下步骤:[0007]步骤1:划分正方形的目标区域，得到NXN个正方形的单位分区；
[0008]步骤2:计算飞行器在目标区域中的搜索曲线；
[0009]步骤3:将距离飞行器最近的一个单位分区的中心作为起点，飞行器沿搜索曲线顺序搜索目标区域中的单位分区，对单位分区中每个目标无线设备进行定位。
[0010]进一步的，所述步骤I具体为:将正方形的目标区域划分为NXN个单位分区，并得到每个单位分区的中心位置；N满足以下公式:
[0011]
【权利要求】
1.一种基于区域划分的目标无线设备定位方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:划分正方形的目标区域，得到NXN个正方形的单位分区； 步骤2:计算飞行器在目标区域中的搜索曲线； 步骤3:将距离飞行器最近的一个单位分区的中心作为起点，飞行器沿搜索曲线顺序搜索目标区域中的单位分区，对单位分区中每个目标无线设备进行定位。
2.如权利要求1所述的基于区域划分的目标无线设备定位方法，其特征在于，所述步骤I具体为:将正方形的目标区域划分为NXN个单位分区，并得到每个单位分区的中心位置；N满足以下公式:
3.如权利要求1所述的基于区域划分的目标无线设备定位方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤:把每个单位分区的中心点作为图G的顶点，各个顶点之间的距离是权值ω，得到给定的连通加权无向图(G，ω)，采用遗传算法寻找连通加权无向图(G，ω)中一条总路程最短的Hamilton圈作为搜索曲线。
4.如权利要求1所述的基于区域划分的目标无线设备定位方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下子步骤: 步骤3.1:飞行器飞到距离其最近的一个单位分区的中心，开始实时接收无线信号； 步骤3.2:飞行器根据检测的目标无线设备的无线信号，提取信号强度信息，并计算目标无线设备的角度信息； 步骤3.3:确定当前的单位分区中的目标无线设备； 步骤3.4:计算飞行器在当前的单位分区的飞行曲线； 步骤3.5:飞行器沿当前的单位分区的飞行曲线，定位其中的每个目标无线设备。
5.如权利要求4所述的基于区域划分的目标无线设备定位方法，其特征在于，所述步骤3.2的具体步骤如下: 飞行器到达单位分区的中心时，如果其通信范围内不存在任何目标，则判断是否已经完成所有单位分区的检测，是则结束定位过程，否则飞行器沿搜索曲线飞到下一个单位分区的中心，返回到步骤3.2 ;如果其通信范围内存在目标无线设备，则获取所有目标无线设备的角度信息和信号强度信息:通过安装在飞行器上的无线嗅探器检测目标无线设备的无线信号，从中提取信号强度信息，再利用不同方向的定向天线接收目标无线设备发送的无线信号，不同方向的信号强度不同，其中信号强度最强的方向就是目标所在的方向，计算目标无线设备的角度信息。
6.如权利要求4所述的基于区域划分的目标无线设备定位方法，其特征在于，所述步骤3.3确定当前的单位分区中的目标无线设备的具体操作如下: 根据对数正态阴影路径损耗模型，利用步骤3.2得到的目标无线设备的RSS值计算每个目标无线设备与当前单位分区中心的距离；如果该距离大于阈值λ，则认为目标无线设备不属于当前的单位分区；如果该距离小于或等于阈值λ，则认为目标无线设备属于当前的单位分区；其中，阈值λ利用下式计算:
7.如权利要求4所述的基于区域划分的目标无线设备定位方法，其特征在于，所述步骤3.4具体包括如下步骤: 如果当前的单位分区内没有任何目标无线设备，则判断是否已经完成所有单位分区的检测，是则结束定位过程，否则沿步骤2得到的搜索曲线飞到下一个单位分区的中心继续检测，跳转到步骤3.2 ;如果当前的单位分区内存在一个或多个目标无线设备，则根据步骤3.3得到的每个目标无线设备与当前单位分区中心的距离、以及步骤3.2得到的角度信息，计算出每个目标无线设备的预估位置。首先，设当前的单位分区的中心为图G’的起点，搜索曲线上的下一个单位分区的中心为图G’的终点，把当前的单位分区中的所有目标无线设备作为图G’的顶点，顶点之间的距离是权值ω’，得到给定的连通加权无向图(G’，ω’)。然后，假设起点和终点之间为一条虚拟边，其权值为一个极小的负值，采用遗传算法求解出连通加权无向图(G’，ω’ )中一条总路程最小的Hamilton圈；最后,在求出的最小Hamilton圈中去除掉这条虚拟边，剩下的边组成当前的单位分区的飞行曲线。
8.如权利要求4所述的基于区域划分的目标无线设备定位方法，其特征在于，所述步骤3.5具体包括如下步骤: 飞行器由起点出发，沿着步骤3.4得到的飞行曲线飞行，在飞行过程中实时获取每个目标无线设备的无线信号，并提取其信号强度信息；再比较不同方向上定向天线的接收信号强度，当它们不相等时，就继续飞行并重新捕获RSS进行判断；如果它们几乎相等，则认为飞行器已经到达了目标无线设备的上空，就把当前位置作为当前的目标无线设备的位置，将当前飞行器的GPS坐标传送给地面，完成该目标无线设备的定位；然后，飞行器沿着飞行路线继续飞行去定位下一个目标无线设备，直至逐个完成当前单位分区内所有目标无线设备的定位；最后，判断是否完成所有单位分区的检测，是则结束定位过程，否则直接飞到下一个单位分区的中心继续检测，跳转到步骤3.2。
【文档编号】H04W64/00GK104039009SQ201410283576
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】陈少峰, 房鼎益, 陈晓江, 邓周虎, 张远, 聂卫科, 邢天璋, 刘晨, 徐丹 申请人:西北大学