本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术解决了等频率间隔干涉测距系统中由整周模糊导致的布设范围受限问题。本发明专利技术测距精度高于现有的等频率间隔干涉测距方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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，整周模糊解(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，该方法的整周模糊解周期与频率间隔成反比。另一方面，频率间隔减小， 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。由于整周模糊问题的存在，现有等间隔干涉测距方法中测距精度和测距范围难以兼顾并无法解决。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服上述缺陷，提供一种。本专利技术的技术方案是，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。本专利技术以无线电干涉测距技术为基础，专注于其中测量频率的设计，旨在解决现有的无线电干涉测距技术中测距精度和测距范围之间的矛盾。在测量可用的总带宽和测量频率数相同条件下，本专利技术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。本专利技术与以往方法具体差别在于1.本专利技术以无线电干涉测距系统RIPS为基础，解决了其中存在的测距范围和测距精度相矛盾问题。2.本专利技术与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.本专利技术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模糊问题，本专利技术设计相邻测量频率间隔；参考频率固定后，连续波雷达中各个测量频率确定，而本专利技术在频率间隔确定后，测量频率仍有无穷种组合，正是利用这一特性，本专利技术在构造频率间隔用于消除整周模糊的同时，设计了测量频率间隔的最优组合。即本专利技术特点可归纳为本专利技术应用于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，最终达到消除整周模糊解和提高测距精度双重目标。本专利技术运用仿真来揭示所专利技术方法的性能。结果表明，本专利技术达到预期效果，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，本专利技术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，因此本专利技术中方法同时也是一种高精度测距方法。附图说明图1——现有技术中无线电干涉定位收发节点配置图。图2——本专利技术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——本专利技术中不同测距方法整周模糊的整周长示意图，其中，(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 本文档来自技高网...
【技术保护点】
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Δｆｉ，Δｆｉ＝ｆｉ＋１－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＝１，．．．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ｆｉ及ｆｉ＋ｆＬ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（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，联合求解干涉距离ｄＡＢＣＤ，单个ｄＡＢＣＤ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ｄＡＢＣＤ和双曲线，多条双曲线交点为待定位节点位置。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：威力，齐望东，刘鹏，袁恩，朱亚松，汪晗，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：84
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