无源定位技术综述

无源定位技术综述（精选三篇）

无源定位技术综述 篇1

室内无源感知、定位及追踪,是通过对已知的无线传感网络信号分析,利用无线层析成像(Radio Tomographic Imaging,简称RTI)原理[1,2],对室内未携带任何电子设备的无源生物个体运动行为进 行探测感 知、定位及追 踪的一种新型技术。该技术不 仅具有重 要的应用 价值,而且可以对无线成像过程进行 科学研究,特别是穿 墙成像规则、室内无源生物运动信息感知、定位和追踪关键算法的研究。

研究人员已经开展了追踪未携带电子设备对象的研究,比如摄像机、电容器、压力计、红外和超 声波技术 等。但是这些技术都有严重的限制范围或较高的部署代价或要求近距离等缺点。尤其在很多室内公共场所,例如在浓烟或光线非常暗的场景中(火灾现场),现有的监控摄像头无法分辨监视区域或者感兴趣区域中的生物运动信息,造成监控信息缺失,无法判断室内生物运动信息。此时,无线传感网络是一种有效的监控手段,它提供相应的监控信息,便于监控者作出正确的应对措施。在人口稠密区域,如超市、商场等,可以随时监控人流量,甚至可以加入智能预测技术,避免拥挤或踩踏事件的发生。另外,在人质营救任务或军事战术的部署中,无法预测室内运动生物的位置及活动规律,行动方案难以奏效,而利用无线层析成像技术,可以感知室内生物运动信息,提供正确决策,提高任务成功率。在目前物联网技术框架内,应用在家庭安全[3]方面,尤其是在独居老人家中搭建室内无源定位系统,通过互联网链接到子女的通信设备或者对应的社区管理机构,以解决老人健康生活辅助问题,避免老人出现意外情况时无法及时发现而耽误救助时间[4]。

1 研究概况

目前,较为成熟 的定位技 术是GPS(Global Positioning System,全球定位系统),是目前世界上最常用的卫星导航技术之一。虽然这类技术在室外定位和目标追踪方面具有绝对优势,但由于现代城市的建筑材料和室内环境的复杂性,这类技术在室内定位方面优势并不明显,因此,室内定位技术已成为研究热点。

室内定位技术分有源定位(Active Location)和无源定位(Passive Location),本文重点研究室内无源定位技术。室内无源定位相关问题作为室内无线定位研究的方向之一,在通信和计算机领域已经有一些早期研究。其思路主要是利用WiFi信号强度 的变化,根据指纹 技术和Wlan环境确定室内用户机器问题。最为经典的是马里兰大学的Ashok K.Agrawala提出的基 于无线射 频客户端 的Horus定位系统。该系统利用无线通道多样性的不同因素进行准确定位,同时利用聚类定位技术减少算法的复杂性。美国罗格斯大学Chenren Xu和合肥工业大学安宁教授等人合作设 计了基于 接收信号 强度 (Received Signal Strength)的SCPL(Sequential Counting,Parallel Localizing)算法,该算法利 用条件随 机场 (Conditional Random Field,简称CRF)解决了室内无源多目标的非线性定位问题,定位误差范围在1.3m。

室内无源定位通常有两个阶段,分别是离线(Offline)阶段和在线(Online)阶段。在离线阶段需要建立定位位置的信号强度,然后建立一个无线地图(Radio Map),类似于指纹库技术。在线阶段,就是根据室内无源生物运动信息,在无线地图中搜索最为接近的地点,确定室内生物的位置,实现定位及其运动轨迹信息。

无线地图分为两大类:确定技术和概率技术。确定技术的代表作是微软开发的Radar系统[5],使用均值等相关非概率方法实 现定位估 值。概率技术 主要是把 接入点(Access Point,简称AP)的无线信号强度信息存入无线地图,使用数学概率方法实现用户或者客户端定位,较为著名的是Nibble系统,该系统使用贝叶斯网络方案实现用户定位。

S.L.Ting等人使用RFID技术(Radio Frequency Identification),研究采用无源的RFID标签定位和跟踪运动对象位置,提供实时信息,其结果表明无源RFID定位系统效果令人满意,兼顾了成本和效益。另外,IndoorAtlas公司已经研发出利用磁场压力感应进行定位的技术,在2014年获得百度公司1 000万美元的投资[6],应用前景看好。

清华大学刘云浩教授带领的研究团队对无线网络定位与RFID定位进行 了大量的 研究,取得了相 关研究成果,并已经应用于机 场的行李 分拣。北京邮电 大学高国威、张世哲等人进 行了基于 位置服务 的相关研 究,辅助ZigBee传感器和WiFi无线信号进行定位,效果明显。武汉大学的陈淼等[7]研究了基于信号强度的WLAN室内定位跟踪系统,提出利用混合高斯模型改进定位的精度,同时利用聚类算法减少计算量,从而设计出一种混合滤波器达到实时动态的系统要求。王国利教授[8]对压缩传感支配的多层次生物运动信息行为进行了研究,利用光纤传感网络感知运动目标位置,提出动态唯一可解码优化设计方案,该方案有效减少了部署所需的光纤长度。

近几年,利用传感网络来实现目标定位和追踪引起了学术界的研究兴趣。美国犹他大学的Neal Patwar教授[9]首次提出利用无线传感网络来生成无线层析图(RTI)概念,基本原理是:无线传感网络内部,室内遮挡物会引起接收信号的变化,根据变化规律,生成RTI。Neal Patwar教授的研究团队主要在RTI的基础上,依次开展室内无源目标定位和追踪技术的研究,其研究的核心是定位问题。假如室内目标长时间固定在某一个位置,那么定位的方法就会失效,在RTI上目标会自动消失。因此,如何克服这一缺陷成为研究的主要方向。为此,Yang Zhao等人提出基于内核距离的方法,初步解决了目标消失的问题,推动了该领域的研究发展。

2 重点算法介绍

2.1 成像原理

在监视区域设计具有令牌环的WSN,传感器节点数量为K,假设区域被划分为N的像素,则对应点对点的网络总连接数为,则有公式如下:

其中,y是接收端收到的RSS值向量;W是M×N的矩阵;x是被估计的衰落图像向量,单位是分贝(dB);n是噪音向量。

公式(1)求解的问题实质上是一个病态问题,因此经过公式变换可以得到公式(2):

δc是控制成像的平滑度,σ2x是像素的方差。

dij(1)和dij(2)分别是像素点j到达链接i的两个端点的欧氏距离,d是链接i的欧氏距离,λ为椭圆宽度的参数。如果满足公式(4)的判断条件,则可得到公式(5),否则wij的值就为零。

把公式(3)和公式(5)带入公式(2),即可得到估算的x图像。

2.2 定位估计

由2.1节内容可以计算出对应的^x图像,在图像中去寻找像素点最高的一个坐标,即可找到目标的对应位置,这是最基本的定位方法。

使用常用的K近邻聚类方法,找到最近的K个像素点,然后经过KNN算法处理,得到较为合理的估计^x坐标值。目前此类方法已经达到1m以下的精确度。

3 研究展望

基于RTI技术的室内无源生物运动信息 研究,其实质涉及到图像处理和定位追踪等核心算法,是近年来研究热点之一。RTI是成像问题(实质上也是如何解决病态问题),既要保证图像的清晰度,又要保证算法的高效性,如何平衡二者的关系是研究重点之一。

无源探测与定位系统发展综述 篇2

现代信息战、电子战环境中, 电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身武器已成为当今雷达面临的四大威胁。在越来越强调隐蔽攻击的趋势下, 传统的有源雷达探测定位技术暴露出了隐蔽性差、截获率高的弱点。因此采用被动方式工作的无源探测定位技术受到越来越多的重视, 正逐渐成为定位方法发展的主流。

无源探测系统是指利用目标对已经在空间存在的非合作辐射源的反射或目标自身辐射的电磁信号, 探测目标的存在, 获取目标的信息, 并以一定的精度给出目标的空间坐标的探测系统。它兼顾了常规低频雷达的优点而又具有较强的生存能力和抗隐身特性, 作为传统探测手段的一种补充, 无源探测系统具有广阔的发展前景和重要的军用及民用价值。

2 国外无源探测系统发展

无源探测装备根据其作用分雷达告警 (RWR) 、电子支援措施 (ESM) 及电子侦察情报 (ELINT) 等。随着制电磁权对战争重要性认识的深入, 世界各国围绕雷达信号、通信信号、数据链信号、敌我识别信号、塔康导航信号及遥控遥测信号等电子装备侦察取得了飞速发展。特别以美国最为典型, 其电子侦察装备在空间上分布于天、空、地、海, 形成了分层部署、梯次覆盖的电子情报侦察网, 具备了全天候、全时空的测向、定位、识别及侦察能力。

以下为国外典型的陆基和机载无源探测设备。

2.1 陆基无源探测系统

面临日益严重的反辐射攻击和隐身目标的出现, 外军加快构建有源、无源综合防空预警探测系统的步伐。防空雷达网普遍配备无源探测定位装备的目的是要实现有源探测和隐蔽探测的结合, 提高系统抗毁性和丰富目标数据, 形成可靠而单一的空情图。表1为国外典型陆基无源探测系统。

2.2 机载无源定位系统

近年来发展最快的无源探测技术是机载单站快速高精度定位技术, 其优点是只需要单个传感器和平台, 设备量少, 作用距离远, 机动性好。采用的典型技术主要有以数字接收机为核心的新型相位干涉仪、目标多普勒和相位变化率等一系列技术。为确保多个平台的协同作战能力, 需要新一代的机载雷达告警设备组网协同。组网协同后不仅能够大大提高对威胁目标的反应速度, 也能大大提高对威胁目标的无源定位精度。表2为国外典型机载无源探测系统。

3 国外无源探测系统技术现状

从美空军电子战无源探测系统的装备现状可知, 国外无源探测系统重点在微波集成, 射频综合及资源共享, 信号处理数字化和无源协同定位等方面进行了升级改进。

在综合一体化方面, 其综合共享的概念推移到传感器部分, 从天线孔径、射频前端、信号处理均进行了综合设计, 之前由硬件实现的功能更多的由软件来替代;电子战、雷达和CNI不仅共用公共的核心处理器 (ICP) , 而且共用综合隐身天线孔径, 如宽带有源相控阵天线装在机头, 发射和接收高增益的X波段信号, 被电子战综合共用实现HGESM/HPECM功能;同时, 各个传感器间的信息融合和信息交互更加频繁, 例如, 在AN/ALR-94中, 前向方位/俯仰天线获取的方位/俯仰二维精确测向能够引导雷达实现“猝发”探测 (在隐身作战模式下) , 在实现强攻击能力的同时实现射频隐身以提高载机生存能力;在模块化方面, 电子战利用较少的几种“主流”核心模块, 如射频/中频开关矩阵、宽带变频、数字接收机、预处理等, 即能够实现电子战接收处理及发射功能。

在无源探测系统的协同作战能力和 (反辐射) 攻击引导能力方面, 通过多基线相位干涉仪实现精确测向和协同定位, 为载机的态势感知提供进一步支持, 目前无源探测系统AN/ALR-94和AN/ALR-69A通过加 (改) 装升级都初步具备了该功能。机载单站无源系统可以在10~30s内对敌方雷达实施精确定位。此外, 通过机间链 (IFDL) 和多功能数据链 (MADL) 实现多机协同, 美空军可在10s以内对敌方雷达实施精确定位, 定位精度可以达到50m, 并且能够确认辐射源的战斗序列。在反辐射攻击引导能力方面, 以F-22和F-35为代表的机载电子战系统一定程度上颠覆了对传统电子战系统的认识, 曾经被认为是防御性的电子战无源系统, 现在成了探测、跟踪甚至攻击目标的关键设备。如果敌方雷达开机, 则AN/ALR-94就能够提供导弹攻击所需的全部信息, 引导空空导弹实施反辐射攻击。

尽管美军的机载无源探测系统已经代表了目前世界最先进水平, 而且其也在不断地提升自身的系统性能, 但由于其对抗对象主要是三代机雷达, 因此其系统资源配置和管理、信号分选和识别等技术均存在一定的局限性, 在新体制雷达和新射频隐身技术的不断冲击下, 存在着截获概率下降等问题。

4 无源探测系统的发展趋势

无源探测的发展将会在以下几个方面不断深入:

(1) 定位技术扩展。机载和舰载侦察定位可以设计成长基线时差定位和短基线结合高灵敏度锐波束定位系统。采用综合定位方法可以最大可能性的提高定位精度, 提升探测能力。

(2) 外辐射源及不断扩展。基于外辐射源的目标探测雷达系统利用最多的是FM信号、GSM、电视信号等, 但对军事用途而言, 无源探测设备应用区域可能在海岛、高原等没有FM信号、GSM、电视信号的地区, 所以应扩大频段范围并利用各种可能的多种卫星信号, 提高系统探测能力。

(3) 不同平台无源雷达的组网。由于可供使用的外辐射源信号种类繁多, 不同的辐射源信号占据了不同的信号频段, 同一目标在这些不同的频段中会有不同的雷达特性。因此, 为尽可能地提高对目标的探测能力, 需要将不同平台的无源雷达进行组网。

(4) 无源雷达与有源雷达组网。如以双/多基地方式合理布设无源和有源雷达, 当外界电磁辐射无法利用时, 利用无源雷达接收己方有源雷达的直射信号与目标的反射信号, 对目标进行探测, 实施窄带交叉式搜索和跟踪。

5 结束语

近年来, 作为电子支援系统中有源雷达的有力补充, 无源探测系统得到了飞速发展, 基于各种民用电磁信号的探测原理被广泛研究。在越来越强调军事支援系统隐蔽攻击和硬杀伤的趋势下, 采用被动工作方式的无源探测系统是现代一体化防空系统、机载对地、对海攻击及对付隐身目标的远程预警系统的重要组成部分。发展我国被动定位技术, 对提高我军在复杂电磁环境下的预警探测、防御和反击等能力, 有重要的理论意义和现实意义。

摘要：无源探测与定位系统因其具有“四抗”的优点, 日益受到各国武器装备研究机构的重视, 并得到超常规发展和广泛应用。文章介绍了国外典型无源探测与定位系统的技术参数及装备情况, 并对被动探测技术的发展趋势做了有益探讨, 对我军信息战装备技术的发展具有一定的参考价值。

关键词：无源探测,无源定位,发展趋势

参考文献

[1]Baniak J, Baker G, Cunningham A M, etc.Martin L.Silent sentry passive surveillance[DB/OL].1999-06-07.

[2]隐身飞机的杀手:塔玛拉无源雷达[J].现代军事, 2000 (1) .

[3]俄罗斯的无源探测系统[J], 雷达与电子战, 1999 (3/4) .

[4]柏华.无源雷达及其定位技术[J].电子工程, 2010 (2) :47.

[5]吴小强.高精度机动目标快速无源定位装备技术发展综述[J].船舰电子工程, 2011 (11) :12.

[6]杨广平.微波超视距无源探测关键技术研究[J].现代雷达, 2010 (6) :1-2.

[7]郁春来, 张元发, 万方.无源定位技术体制及装备的现状与发展趋势[J].空军雷达学院学报, 2012 (4) :81-83.

[8]杨跃轮.机载无源探测定位新技术综述[J].船舰电子对抗, 2010 (3) :15-16.

无源定位技术综述 篇3

近几年,矿井危险性事故时有发生,井下环境复杂给人员撤离和事故抢救带来极大困难。若能及早确定井下人员所处的位置,会给营救工作带来极大方便,将人员损失减少到最小[1]。采用目前国际上正在发展中的自动识别RFID电子技术,通过对井下人员、设备配备的无源电子标签进行跟踪定位,能够在发生事故时第一时间掌握井下人员数量、分布等信息,节省营救决策时间,在一定程度上保障人员生命安全、减少国家财产的损失。

1 射频识别技术

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是一种利用无线射频方式在阅读器和电子标签之间进行非接触双向数据传输,以达到目标识别和数据交换目的新的自动识别技术。因为具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点,RFID技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域[2,3,4]。

最基本的RFID系统由以下三部分组成:

(1) 电子标签(Tag):又称智能标签或称射频卡;

(2) 读写器(Reader):有时也被称为阅读器、通讯器或称为读出装置,用以产生发射无线电射频信号并通过天线接收由电子标签反射回的无线电射频信号,经处理后获取标签数据信息,有时还可以写入标签信息的设备,可设计为手持式或固定式;

(3) 天线(Antenna):在标签和阅读器间传递射频信号。

在这三个组成部分中,电子标签是RFID系统的主要组成部分。

2 RFID电子标签

电子标签采用了 RFID射频识别技术,它是射频识别技术真正的数据载体[5]。电子标签最大的特点是非接触识别和可读写,识别时间短,可以实现多个、并且高速运动的电子标签同时被识别。它以无线方式通信,无须外露电触点,电子标签的芯片可以按不同的应用要求来封装,可以适应恶劣的工作环境。

2.1 电子标签分类

按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源,其作用距离较远,但寿命有限、体积较大、成本高,且不适合在恶劣环境下工作;无源卡内无电池,它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电,其作用距离相对有源卡短,但寿命长且对工作环境要求不高。

按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡主要有125 kHz和134.2 kHz两种,中频射频卡频率主要为13.56 MHz,高频射频卡主要为433 MHz,915 MHz,2.45 GHz,5.8 GHz等。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中,如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统;高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合,其天线波束方向较窄且价格较高,在火车监控、高速公路收费等系统中应用。

按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器;被动式射频卡使用调制散射方式发射数据,它必须利用读写器的载波来调制自己的信号,该类技术适合用在门禁或交通应用中,因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下,用调制散射方式,读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次,因此主动方式工作的射频卡主要用于有障碍物的应用中,距离更远(可达30 m)。

按作用距离可分为密耦合卡(作用距离小于1 cm)、近耦合卡(作用距离小于15 cm)、疏耦合卡(作用距离约1 m)和远距离卡(作用距离从1~10 m,甚至更远)。

2.2 无源电子标签工作原理

无源式标签一般由耦合元件(即线圈)和芯片组成[6],封装在一个密封的外壳内(见图1)。

无源标签产生电能的装置是线圈,标签内部的芯片用来存储读写信息。当标签进入系统的工作区域,接收到读写器天线发出的特定的电磁波,线圈就会产生感应电流,在经过整流并给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。无源标签等效电路图如图2所示。

当配备有电子标签的人员或设备进入读写器天线有效识别距离内时,电子标签收到读写器的查询信号后,将此信号与标签中的数据信息合成一体反射回读写器。反射回的合成信号,已携带有电子标签数据信息。读写器接收到电子标签反射回的合成信号后,经读写器内部微处理器处理后即可将电子标签贮存的识别代码等信息分离读取出来(见图3),从而实现无源电子标签非接触识别的功能。

2.3 无源电子标签的应用范围

RFID无源电子标签适用于智能交通、矿山、物流、门禁、考勤、生产工序,以及部队、医院、公安边防、海关等诸多行业的人、车、物高速移动目标信息的自动化管理等。无源标签的应用领域十分广泛。近几年尤其在煤矿井下人员定位系统中,RFID无源电子标签技术得到了越来越广泛的应用。

3 无源标签在煤矿井下人员定位系统的应用

3.1 井下人员定位系统基本构成

定位系统由井上与井下两部分设备组成[7]。井上设备主要由监控中心(包括服务器)及共享网络终端等组成; 井下设备以RS 485信号作为主传输途径,研发相应的煤矿井下人员监控节点、即井下分站,读写器安装在井下分站内。配合天线、无源电子标签、传输介质、中继器等与监控中心挂接,从而实现井下作业人员的定位和安全管理。井下人员定位系统网络结构如图4所示。

3.2 井下定位系统工作原理

定位系统主要实现井下人员及设备安全监测工作[8]。在巷道、作业面的交叉道口安装监控节点(即分站天线),入井工作人员按照要求佩戴装有无源电子标签的胸卡,或佩戴装有无源电子标签的安全帽。RFID读写器通过固有频率的射频载波向无源电子标签传送信号,无源电子标签(工作人员随身佩戴)进入读写器的天线工作区域后被激活,并将载有个人信息的射频信号经卡内收发模块发射出去; 读写器天线接收到无源电子标签发来的射频信号,经过处理后,提取出个人信息,通过现场总线送至井上监控中心,记录井下工作人员经过地点、时间、活动轨迹等实时信息,还可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表资料,提高管理效益。

3.3 井下定位系统实现的功能

(1) 考勤管理功能。

通过操作平台专用管理软件对下井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统计,便于考核,实现工作人员的考勤统计管理功能和有关报表的打印。

(2) 安全保障功能。

系统根据数据库中储存下来的历史数据信息,可迅速知道井下人员及重要设备的分布情况,一旦出现矿井灾难,可对现场被困人员进行定位和搜寻,便于有效救护。

(3) 生产调度功能。

通过调用数据库中的数据,可以查询井下人员分布情况并根据需要迅速进行人员调配,实现井下有限资源的优化配置,达到事半功倍的效果[9]。

4 结 语

煤矿安全是煤矿生产永恒的主题[10],人员监控与定位是实现煤矿安全生产的重要保证之一。 将射频识别技术(RFID)应用于井下人员定位系统,是通过建立一个完整、灵活和实时的井下人员管理系统,包括井下作业工人的计划安排、工人进出巷道的权限管理、巷道人员分布、作业工人资料、安全物资流动等进行管理,来实现井下管理信息化,同时提高矿井开采生产管理和作业安全的水平。这种智能化监控系统是以矿井安全生产为基础,射频识别模块(RFID)为主要设备,有线通信网络为纽带,监管中心的PC为中枢的新型智能化计算机管理系统,综合运用了多种通信技术,突破了传统矿井安全管理模式,是矿井安全生产管理系统的新趋势。

摘要：由于煤矿作业环境的特殊性,以及矿难的不断发生,井下安全生产以及人员的管理和营救一直是困绕人们的重大难题。利用射频识别技术对井下人员定位系统进行研究,在射频识别技术基础上,设计井下人员定位系统的应用方案。介绍RFID系统的组成、特点,阐述电子标签的结构、工作原理及应用,同时介绍了井下人员定位系统设计方案和工作原理。

关键词：RFID,无源电子标签,人员定位,矿难营救

参考文献

[1]煤炭工业部安全司.矿井安全监控原理与应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996.

[2]游战清.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.

[3][德]芬肯才勒.射频识别(RFID)技术[M].陈大才,吴晓峰,译.北京:电子工业出版社,2001.

[4]游战清,刘克胜,张义强,等.无线射频识别技术(RFID)规划与实施[M].北京:电子工业出版社,2005.

[5]王晓华,周晓光.RFID技术丛书[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[6]张成海,张铎.现代自动识别技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2003.

[7]杨义先,李志江,钮心忻,等.智能卡安全与应用[M].北京:人民邮电出版社,2002.

[8]谭民,刘禹.RFID技术系统工程及应用指南[M].北京:机械工业出版社,2007.

[9]王显政.煤矿安全新技术[M].北京:煤炭工业出版社,2002.