基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线层析成像系统定位方法，是一种基于多频点衰减链路检测和 鲁棒无源被动目标定位的无线层析成像系统定位方法，属于无线网络中目标探测与定位技 术领域。
【背景技术】
[0002] 被动目标定位是一种新兴的目标定位技术，该技术可以定位监测区域中不携带任 何电子标签的目标，因此可以广泛应用于家居安全，灾难救援，军事目标探测等领域。目前 大多数被动目标定位采用视频摄像头，红外，声学传感器或者雷达等方法，但是这些方法都 有很大的缺陷例如无法穿透墙壁、在黑暗和烟雾环境中无法工作、价格非常昂贵等。近年来 基于接收信号强度（RSS)的被动目标定位方法引起了很大关注，因为大多数的无线设备可 以提供RSS，例如无线接入点或者无线传感器节点。因此基于RSS的被动目标定位可以很容 易的扩展到现有的无线网络中而不需要额外增加硬件设备。该技术的优点还在它能够定位 隐藏在墙（或者其他非金属结构）之后的目标。目前，基于RSS的被动目标定位技术已经 被成功的应用于区域目标监测，穿墙探测以及生命探测等应用中。
[0003] 基于RSS的被动目标定位利用由于目标的存在而造成的射频节点间无线链路的 RSS的变化。现有的基于RSS变化检测衰减链路的方法都是在单频点（射频节点的工作频 率为单个频率值）上进行的，这些方法比较适用于视距（LOS)路径信号功率占主导地位的 室外环境。然而在室内多径环境中，发射节点和接收节点之间并非只有LOS路径，还有许多 的反射和绕射路径。为了简单起见假设收发节点之间只有四条路径，如图1所示，其中路径 2,路径3,路径4都是收发节点之间的反射路径。因此单频点下由于目标遮挡造成的RSS变 化是不可预测的，仅仅根据单频点上RSS值的变化很难准确检测出链路是否被目标遮挡， 使链路检测有很大的虚警和漏检，并造成较大的定位误差。另外，现有的基于多频点（射频 节点的工作频率为多个频率值）的被动目标定位是根据RSS在不同频点上的衰减情况选择 出其中一个频点上的RSS测量值进行目标定位，而且现有的被动目标定位方法对干扰链路 没有鲁棒性，使得链路检测存在很大的虚警，使得定位精度较差。
【发明内容】
[0004] 本发明提出一种基于多频点RSS变化量的衰减链路检测方法，利用RSS在不同频 点上的变化来估计链路的衰减，然后利用链路的衰减检测出衰减链路。与单频点下衰减链 路检测相比基于多频点的衰减链路检测在室内多径环境中有更好的性能。另外本发明提出 鲁棒无源被动目标定位方法，该定位方法包括两个步骤：首先通过目标粗定位删除干扰链 路获得阴影衰落链路集合，然后根据阴影衰落链路，利用加权最小二乘（WLS)方法对目标 精确定位。实验证明通过本发明提出的方法，监测区域内目标的检测性能和定位精度都有 了很大程度的提高。
[0005] 本发明所述的基于多频点的鲁棒无源被动目标定位方法，具体包括以下步骤：
[0006] 步骤一：利用链路在多频点上的RSS变化量检测衰减链路集合Ld;
[0007] 步骤I. 1 :配置节点：
[0008] 监测区域为2维xoy平面，〇为坐标原点；将K个工作在相同频段且支持相同通信 协议的无线节点部署在监测区域周围且K多4,所有节点都位于同一个xoy坐标平面上，且 每个节点被分配一个唯一的ID号作为标识；K个无线节点的坐标是已知的，并记第α个节 点的坐标为（X α，y α)，α = 1，. . .，K ;
[0009] 所述K个无线节点共构成L = K(K-I)/2条无线链路，这些节点的工作频率为C个 不同的频点，在同一时刻这些节点工作于同一个频点上；各节点在同一个频点上依次发送 信号，当一个节点发送信号时其他的节点接收信号并且得到相应链路在该频点上的无线信 号接收信号强度即RSS值；当所有链路的RSS值测量完成后，所有节点共同切换到下一个频 点并再次依次发送和接收信号，当完成所有链路在全部频点上的RSS值测量后，所有节点 同时切换到第一个频点进行新的测量；
[0010] 步骤1. 2 :在监测区域内无目标和有目标两种情况下测量各链路在各频点上的 RSS 值：
[0011] 当监测区域内无目标时，第1条链路在第c个频点上的RSS值为ξ,, 1 = I y 2 y · · · y L/ J C I y 2 y · · · y ，
[0012] 当目标存在于监测区域内时，第1条链路在第C个频点上的RSS为P。」，1 = 1，2,. . .，L，C = 1，2,. . .，C ;其中焉#和 ^勺单位是 mW ;
[0013] 步骤1. 3 :根据步骤1. 2测得的.和Pq1判断各链路是否为衰减链路，从而获得 衰减链路集合LD，判断方法如下：
[0014] 如果链路1满足下面公式就判定这条链路是衰减链路：
[0016] 其中武是链路1基于多频点的衰减估计值，γ th是衰减阈值，γ th的选值来自系统 对虚警概率和漏检概率的要求，从而得到衰减链路集合为：
[0018] 步骤二：进行鲁棒无源被动目标定位，方法如下；
[0019] 步骤2. 1 :利用粗定位方法得到目标中心的粗略位置估计，包括如下步骤：
[0020] 步骤2. I. 1 :将监测区域划分成边长为Δ的正方形网格，&和N2是每行和每列 包含的网格的个数，因此监测区域共被分为N = N1XN2个网格，对这些网格依次编号并用 (un, vn)表示第η个网格的中心坐标，η = 1，2,--，&父队;用T ηι1表示衰减链路集合L。中 的链路1是否穿过第η个网格；则I^1和（u n，vn)之间的关系是：
[0021] CN 105116375 A 说明书 3/11 页
[0022] 其中Tnil= 1表示链路1穿过第η个网格，T ηι1= 0表示链路1没有穿过第η个网 格；<廣示从第η个网格的中心到链路1的距离，R是目标的半径；
[0023] 步骤2. 1. 2 :求取各网格的仏值，第η个网格的M η值采用加权形式表示为：
[0025] 其中允是步骤1. 3给出的链路1的基于多频点的衰减估计值，Nd是衰减链路集合 Ld中链路的数目，将M η值最大的网格的中心坐标作为目标位置的粗估计，如下式所述：
[0027] 其中表示返回具有最大Mn值的网格编号IiniaxHd^即是目 标中心位置的粗估计，)是网格η_的中心坐标；
[0028] 步骤2. 2 :利用空域特性检测链路并删除干扰链路得到阴影衰落链路集合L' D， 方法如下：
[0029] 如果衰减链路集合Ld中的链路1满足下式则判定该链路是阴影衰落链路：
[0030] d, < R,
[0031] 其中為:是由步骤2. 1. 2得到的目标位置的粗估计到衰减链路集合Ld中 链路1的距离，Rth是距离阈值且R th取值大于R ;则得到阴影衰落链路的集合：
[0033] 步骤2. 3 :利用加权最小二乘算法定位目标，包括如下步骤：
[0034] 步骤2. 3.1:建立阴影衰落链路集合L' D中链路1的直线方程：
[0035] 如果由无线节点ω e {1，2, · · ·，K}和β e {1，2, · · ·，K}构成的链路1是阴影衰 落链路I e L' D，并且假设目标中心在监测区域中的位置坐标为（x，y)，无线节点ω和β 的坐标分别为（Xu，y<J和则目标中心坐标必须满足下面的方程：
[0038] 如果定义&1和b i是阴影衰落链路集合L'。中构成第1链路的两个节点的y坐 标之差及X坐标之差，6:是这两个节点的y坐标与X坐标之间的运算，即a := y p-y^bi = Xtj-X1^P e := x Uyp-Xpytj，上述方程可以写为：
[0039] a^+b^ = G1
[0040] 这是L' D中阴影衰落链路1的直线方程，假设在阴影衰落链路集合L' D中有N' D条链路，则根据此式可得到N' D条链路的直线方程；
[0041] 步骤2. 3. 2:根据如上阴影衰落链路集合L' D中的N' D条链路的直线方程，建立 关于目标中心位置的目标函数：
[0043] 其中六是步骤1. 3给出的链路1的基于多频点的衰减估计值，作为阴影衰落链路 集合L' D中链路1误差项的加权因子；这个目标函数的解就是目标位置估计；
[0044] 步骤2. 3. 3 :求解步骤2. 3. 2中的目标函数获得目标中心位置的估计值，所述目标 函数的解为：
[0046] 其中H= [a，b]，（i，j>)是目标中心位置坐标的估计值，
，
[0047] 作为优选，各节点广播发送信号的帧结构包括四个组成部分：FLAG标志位、CID、 NID、DATA ;其中，
[0048] FLAG标识该帧是命令帧还是数据帧，FLAG = 0表示该帧为数据帧，每个节点通过 数据帧将其存储在DATA中的与其他K-I个节点之间的RSS测量值进行广播；FLAG = 1表 示该帧为频点切换命令帧，此时DATA为空；令1号节点负责发送命令帧，当一个频点上的所 有链路的RSS值测量结束之后，1号节点广播发送命令帧通知其他节点切换到下一个频点；
[0049] CID是信道序号即频点编号；
[0050] NID是当前发送信号的节点的ID ;
[0051] DATA是当前节点的K-I个接收信号强度RSS。
[0052] 进一步地，作为优选的技术方案，每个频点下的每条链路的RSS值测量多次，各条 链路的RS