專利名稱：一種基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種定位和追蹤系統，尤其涉及一種基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統及方法。
背景技術：
定位技術改變著人類生活的方方面面。GPS系統的應用已經進入到普通人生活中，汽車導航、GPS定位地圖應用及GPS的各類衍生應用層出不窮。但是GPS由于自身系統的限制作用，無法在建筑物內使用。且民用級GPS的定位精度較差，不適應于小范圍的精確定位應用。由此在市場中出現了諸多室內和小范圍的定位系統，這些系統應用多種形式信號進行定位，諸如超聲波信號、紅外線信號、433MHz電磁波信號、900MHz電磁波信號、2.4GHz電磁波信號以及應用UWB技術的寬頻電磁波信號。這些系統各具特點，但都有一個共同的技術缺陷，這些系統的定位效果很大程度上受制于視距問題(line of sight)。而低頻電磁波由于頻率較低，在靠近輻射源的近場區域能夠形成穩定的具有穿透性的磁場信號，因此在應用低頻電磁波的目標定位和追蹤系統中，通過檢測磁場信號在理論上已經解決了視距問題，使得區域定位系統更靠近實際中的應用環境。以有源RFID為代表的使用2.4GHz電磁波信號的定位系統，通過能量檢測的方式進行定位測量，其定位·結果具有很大的誤差，即使使用了先進的信號處理技術其精度也無法滿足實際定位應用，僅能應用在需要存在檢測的場合。同時使用這些技術會使得系統結構復雜和成本上升，不利于大規模使用。Microsoft開發的RADAR系統就是采用的該種方式，但該系統僅僅停留在實驗室系統階段，并沒有進行大規模推廣。由于紅外線信號極好的方向特性，使用紅外信號進行定位的系統，僅能判定待定位物體與發射源之間的方向關系。并且由于紅外線較差的穿透特性，當發射源和目標物體之間存在一定材質的障礙物時，系統將失去作用。市面上現有的利用低頻電磁波信號的定位系統，嚴格意義上無法稱之為定位和追蹤系統，其實際是一個單點定位系統。美國和前蘇聯在20世紀70年代曾使用低頻電磁波進行全球性的導航應用，但是通過建立超大規模的鐵塔從而發射低頻電磁波信號，通過檢測低頻電磁波信號的相位判斷距離，其使用的頻段低于80kHz。市面上現有應用低頻電磁波的系統采用模擬芯片進行信號處理，且只是用來進行強度觸發判斷物體是否進入某一個固定區域，并不是對該物體在區域內的坐標進行確定。公開號為CN101029931A的專利文獻提供了一種超聲波定位裝置和定位方法，該專利中系統容量較低，并受限的系統定位范圍，不適合長時間的不更換電池應用，且由于超聲波是物理波，因此其應用嚴重的受到視距的限制。
發明內容
為克服現有技術中存在的不足，本發明提供了一種基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統，解決了傳統定位系統在有障礙物時定位不準確甚至無法使用的問題。
一種基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統，包括:發射端，固定在特定的位置，用于發出低頻電磁波；接收端，固定在目標上，用于接收所述的低頻電磁波經模/數轉換后計算出該低頻電磁波的強度；服務器，根據發射端所發出的低頻電磁波的強度和接收端所接收到的低頻電磁波的強度，計算出發射端與接收端之間的距離，再結合發射端的位置，完成對目標的定位和追
足示O作為優選的，所述的發射端包括:第一處理器,按一定的時序和格式產生低頻信號；低頻電磁波發射模塊，將第一處理器產生的低頻信號以低頻電磁波的形式發射；第一無線收發模塊，用于與所述接收端實現通信。
第一無線收發模塊用于與接收端實現通信，用于采集接收端的第二無線收發模塊所發出的數據，并以有線或無線的方式將該數據上傳至服務器。進一步優選的，所述的低頻電磁波發射模塊為I 3個。本發明對低頻電磁波發射模塊的數量并無限制，作為優選的，低頻電磁波發射模塊可以為I 3個，其中，發射端在完成定位和追蹤應用時應至少配置3個低頻電磁波發射模塊，發射端在完成區域估計應用時應至少配置2個低頻電磁波發射模塊，同時，發射端在完成測距應用時，可以至使用一個低頻電磁波發射模塊。進一步優選的，所述的低頻電磁波發射模塊由驅動電路以及低頻電磁波發射器組成。低頻電磁波發射模塊的數量越多，目標的定位精確度越高，可根據實際情況，來增減低頻電磁波發射模塊的數量。所述的接收端包括:低頻電磁波接收模塊，接收所述發射端發出的低頻電磁波；第二處理器，計算所述低頻電磁波接收模塊所接收的低頻電磁波的強度；第二無線收發模塊，用于向第一無線收發模塊輸出所述第二處理器計算得到的低頻電磁波的強度。接收端和服務器之間通過無線連接，接收端與發射端之間也通過無線連通，發射端和服務器之間可以采用無線連接，也可以使用有線連接。作為優選的，所述的低頻電磁波接收模塊由依次連接的磁性天線、電容、調節電阻、緩沖放大器、電容電阻網絡和電壓放大器組成。該磁性天線由三路互相垂直的低頻接收天線組成，分別接收并放大空間中互相垂直的三個方向上的磁場。本發明發射端和服務器可采用菊花鏈方式連接，也可以采用星形連接方式連接，可以采用其他的連接方式。本發明還提供了一種基于低頻電磁波的目標定位和追蹤方法，包括以下步驟:I)發射端放置在特定的位置，并發出80kHz 150kHz頻率的低頻電磁波，該低頻電磁波被固定在目標上的接收端所采集，接收端帶有三路互相垂直的低頻接收天線，分別對每路低頻接收天線所接受的低頻電磁波信號進行數字處理，得到相應的低頻電磁波強度，然后根據三路低頻接收天線接受的低頻電磁波強度計算出總體低頻電磁波強度；
2)根據發射端所發出的低頻電磁波的強度和所述的總體低頻電磁波強度，計算出發射端與接收端之間的距離，再結合發射端所在的位置，完成對目標的定位和追蹤。所述的總體低頻電磁波強度:I2=Ix2+Iy2+Iz2其中，Ix=Icos αIy=Icos βIz=Icos Y式中，α、β、Y為三路低頻接收天線與空間磁場方向的夾角，Ix、Iy、和Iz表示三路低頻接收天線分別接收的低頻電磁波強度，I為總體低頻電磁波強度。所述數字處理的過程包括:ADC采樣:對低頻電磁波信號進行ADC采樣得到采樣信號，采樣率至少為低頻電磁波信號載頻或帶寬的2倍；數字濾波處理:采用Q值不小于240的帶通濾波器對采樣信號進行數字濾波處理，濾除帶外噪聲； 強度提取:使用數字方法提取經數字濾波處理的信號的低頻電磁波強度。設每路低頻接收天線所接收的低頻電磁波強度為A:
權利要求
1.一種基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統，其特征在于，包括: 發射端(1)，固定在特定的位置，用于發出低頻電磁波； 接收端(2)，固定在目標上，用于接收所述的低頻電磁波并通過模/數轉換計算出該低頻電磁波的強度； 服務器(3)，根據發射端(I)所發出低頻電磁波的強度和接收端(2)所接收的低頻電磁波的強度，計算出發射端(I)與接收端(2)之間的距離，再結合發射端(I)所在的位置，完成對目標的定位和追蹤。
2.如權利要求1所述的基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統，其特征在于，所述的發射端(I)包括: 第一處理器(11)，按一定的時序和格式產生低頻信號； 低頻電磁波發射模塊(13)，將第一處理器(11)產生的低頻信號以低頻電磁波的形式發射； 第一無線收發模塊(12)，用于與所述接收端(2)實現通信。
3.如權利要求2所述的基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統，其特征在于，所述的低頻電磁波發射模塊(13)為I 3個。
4.如權利要求2所述的基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統，其特征在于，所述的低頻電磁波發 射模塊(13)由驅動電路以及低頻電磁波發射器組成。
5.如權利要求2所述的基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統，其特征在于，所述的接收端(2)包括: 低頻電磁波接收模塊(23)，接收所述發射端(I)發出的低頻電磁波； 第二處理器(21)，用于計算所述低頻電磁波接收模塊(23)所接收的低頻電磁波的強度； 第二無線收發模塊(22)，用于向第一無線收發模塊(12)輸出所述第二處理器(21)計算得到的低頻電磁波的強度。
6.如權利要求5所述的基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統，其特征在于，所述的低頻電磁波接收模塊(23 )由依次連接的磁性天線(231)、電容(232 )、調節電阻(233 )、緩沖放大器(234)、電容電阻網絡(235)和電壓放大器(236)組成。
7.一種基于低頻電磁波的目標定位和追蹤方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)發射端放置在特定的位置，并發出80kHz 150kHz頻率的低頻電磁波，該低頻電磁波被固定在目標上的接收端所采集，接收端帶有三路互相垂直的低頻接收天線，分別對每路低頻接收天線所接受的低頻電磁波信號進行數字處理，得到相應的低頻電磁波強度，然后根據三路低頻接收天線接受的低頻電磁波強度計算出總體低頻電磁波強度； 2)根據發射端所發出的低頻電磁波的強度和所述的總體低頻電磁波強度，計算出發射端與接收端之間的距離，再結合發射端所在的位置，完成對目標的定位和追蹤。
8.如權利要求7所述的基于低頻電磁波的目標定位和追蹤方法，其特征在于，所述的總體低頻電磁波強度:I2=Ix2+Iy2+Iz2 其中，Ix=IcosαIy=IcosβIz=Icos Y 式中，α、β、Υ為三路低頻接收天線與空間磁場方向的夾角，Ιχ、Iy、和Iz表示三路低頻接收天線分別接收的低頻電磁波強度，I為總體低頻電磁波強度。
9.如權利要求8所述的基于低頻電磁波的目標定位和追蹤方法，其特征在于，所述數字處理的過程包括: ADC采樣:對低頻電磁波信號進行ADC采樣得到采樣信號，采樣率至少為低頻電磁波信號載頻或帶寬的2倍； 數字濾波處理:采用Q值不小于240的帶通濾波器對采樣信號進行數字濾波處理，濾除帶外噪聲； 強度提取:使用數字方法提取經數字濾波處理的信號的低頻電磁波強度。
10.如權利要求9所述的基于低頻電磁波的目標定位和追蹤方法，其特征在于，設每路低頻接收天線所接收的低頻電磁波強度為A:
全文摘要
本發明公開了一種基于低頻電磁波的目標定位和追蹤系統，包括發射端，固定在特定的位置，用于發出低頻電磁波；接收端，固定在目標上，用于接收所述的低頻電磁波并通過模/數轉換計算出該低頻電磁波的強度；服務器，根據發射端所發出的低頻電磁波的強度和接收端所接收到的低頻電磁波的強度，計算出發射端與接收端之間的距離，再結合發射端所在的位置，完成對目標的定位和追蹤。本發明還公開了一種基于低頻電磁波的目標定位和追蹤方法。本發明克服了傳統定位系統在有障礙物時定位不準甚至失效的問題，并且通過系統擴展的方法能夠使得系統滿足更大范圍的定位需求。
文檔編號G01S11/00GK103217682SQ201310128580
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月12日 優先權日2013年4月12日
發明者任陽, 付濤, 成東峻, 林賢德, 徐雪旻 申請人:杭州華韻天略電子科技有限公司