基于輻射源目標地圖導航可穿戴電子設備設計

錢雪 程浩翔 吳林澤

摘要：可穿戴電子設備為載體，基于輻射源目標的位置信息實行逆向無源定位與導航。利用設置新輻射源或已存在輻射源作為定位參考基點，被導航人 員穿戴帶有定位功能的電子設備，通過已知的輻射源目標地圖，利用無源定位算法實現(xiàn)人員位置信息的確定以及導航服務。本項目可以應用于衛(wèi)星導 航系統(tǒng)以及手機地圖軟件無法提供或精確提供導航定位服務時的某些特定場合，如地鐵里、搜救現(xiàn)場、城市密集巷道、偏遠深山區(qū)以及手機等導航設備 無法工作等環(huán)境中，具有攜帶方便、精度高、抗干擾性強等優(yōu)點。本文基于輻射源目標地圖導航可穿戴電子設備設計進行分析，結(jié)合 hackrf one 與

ubuntu 技術，從而實現(xiàn)人性化、科學化設計。

關鍵詞：輻射源;目標地圖導航;可穿戴電子設備;設計

中圖分類號：TN966 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）09-016-02

Abstract：Wearableelectronicdevicesareusedasacarriertocarryoutreversepassivelocationandnavigationbasedonthelocationinformationofthetargetofthe radiation source. By setting a new radiation source or an existing radiation source as a positioning reference point， the navigator wears the electronic device with the positioning function， and uses the passive positioning algorithm to determine the position information of the person and the navigation service by using the knownradiationsourcetargetmap.Theprojectcanbeusedinsomespecialoccasionswhenthesatellitenavigationsystemandthemobilemapsoftwarecannot provideoraccuratelyprovidethenavigationandpositioningservicesuchasthesubway，searchandrescuesites，denseurbanroadways，remotemountainousareas andnavigationdevicessuchasmobilephonesthatcannotworkIn，witheasytocarry，highprecision，stronganti-interferenceadvantages.Thisarticleanalyzesthe designofthewearableelectronicdevicebasedonthetargetmapnavigationoftheradiationsourceandcombineshackrfonewithubuntutechnologysoastoreal- ize humane and scientificdesign.

Keywords： radiation source; target map navigation; wearable electronic equipment; design

1 輻射源目標地圖導航可穿戴電子設備設計意義

1.1 國家實施“智慧城市的建設”的需求

“智慧城市”旨在運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統(tǒng)的各項關鍵信息，從而對包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務、 工商業(yè)活動在內(nèi)的各種需求做出智能響應。其實質(zhì)是利用先進的信息技術，實現(xiàn)城市智慧式管理和運行，進而為城市中的人創(chuàng)造更美好的生活， 促進城市的和諧、可持續(xù)成長?？纱┐麟娮釉O備的優(yōu)勢：高密度集成，低功耗，微型化，攜帶方便。

1.2 彌補現(xiàn)代導航的缺陷

存在累積誤差，導航精度隨時間的持續(xù)而逐漸降低;建立在通信設備

（如手機）的基礎上，依賴網(wǎng)絡信號良好的條件，在一些信號差或弱的地方無法進行定位導航，導航手段單一;容易受到外界的干擾。輻射源目標地圖定位導航的優(yōu)勢：1）精度高，擺脫對 GPS 等衛(wèi)星導航系統(tǒng)的依賴;2）在信號弱或無的地方仍能正常工作，抗干擾性強;3）豐富導航手段，實現(xiàn)多 方式組合導航。因此，本項目研究作為一種新的導航定位技術，給現(xiàn)有衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供了輔助的導航定位手段，將有助于進一步增加導航定位精度，提高人們的出行安全與便捷程度，豐富可穿戴電子設備的功能，具 有重要的社會意義和較高的實用價值。

2 基于輻射源目標地圖導航可穿戴電子設備設計

2.1 設計目的

本項目主要是對外輻射源的逆向?qū)Ш降难芯坎⑵渑c可穿戴設備結(jié)合，擺脫對導航衛(wèi)星的依賴，提高導航的精度，改善 GPS 衛(wèi)星導航的局限性，與可穿戴設備結(jié)合為使用者帶來便利。1、通過設置已知位置的輻射源，利用可穿戴設備對輻射源信號的接收，系統(tǒng)對輻射源信息進行時差定位算法分析和綜合，確定出接收者的位置信息;2、基于現(xiàn)有的電子地圖，通過對接收者位置信息的分析，根據(jù)實際需求進行導航;3、通過安卓系統(tǒng)的開發(fā)將基于外輻射源的逆向?qū)Ш郊夹g與可穿戴設備融合。

2.2 主要技術

1）基于時差定位算法的高精度無源定位技術;三個或三個以上的輻射源發(fā)射已知位置信息（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）…（xn，yn，zn），發(fā)射時間分別為t1，t2

…tn;設備所處位置（x，y，z），接收到輻射源發(fā)射信號時間分別為T1，T2，…Tn.

2）輻射源目標地圖構建與動態(tài)更新技術;在地圖中標繪出用于作為導航參考點的輻射源目標的準確位置，以及該輻射源區(qū)別于其它輻射源的信號特征標志。該地圖中的輻射源目標發(fā)生變化，及時地對其進行動態(tài)更新。

3）定位參考點優(yōu)選與數(shù)據(jù)融合處理技術。類似于移動通信的小區(qū)切 換，優(yōu)先選擇較近較強的輻射源來進行定位。

第一，技術優(yōu)勢：目前可穿戴設備迅速發(fā)展，通信技術與電子地圖已 進入成熟階段，逆向無源時差定位算法的理論已比較完備，外輻射源分布范圍較廣實際測試容易實現(xiàn);第二，產(chǎn)品優(yōu)勢：隨著社會的發(fā)展，人們對出 行的效率追求越來越高，攜帶便利的可穿戴設備的越來越受到歡迎，本產(chǎn)品在技術改革的同時順應智慧城市發(fā)展的需求，可以使得城市交通變的更加智能化;第三，人力資源優(yōu)勢：項目組整合了信息對抗專業(yè)與通信工 程專業(yè)兩個專業(yè)的同學，專業(yè)知識豐厚學習能力較強，可以熟練運用安卓開發(fā)、計算機高級語言編程和定位算法等技術，且擁有杭州電子科技大學通信工程學院相關技術專家的支持和指導。

1.3 硬件設計——hackrfone

PC 機通過 USB 接口與 NXP LP43xx 微控制器通信;微控制器通過并行總線及GPIO模擬的JTAG接口與CPLD連接;MAX5864對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC，對接收的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC;MAX2837完成上/下變頻，并通過寬帶混頻器 RFFC5072 提高頻率范圍;射頻前端采用一級

LNA/PA 進行放大，并最終通過 TR Switch 與天線連接。

可穿戴設備實現(xiàn)整體無線化一直是人們夢寐以求的，這與當前筆記本 實現(xiàn)的無線是不同的，未來可穿戴設備無線化是指物聯(lián)網(wǎng)與設備間的無線 連接，如果無線化得到了實現(xiàn)，未來在使用可穿戴設備比用筆記本還方便， 可以進行激光圖像顯示、鐳射 3D 及無線網(wǎng)絡充電等。這些屬于無線通信技術，可以為無線局域網(wǎng)和個人局域網(wǎng)提供方便，帶來低功耗、高帶寬的優(yōu)勢。 可穿戴設備的普及必會要求其更好地為人服務，這就需要可穿戴設

備與人之間的交流要人性化，這樣人們才會真正使用可穿戴設備。要實現(xiàn)這個目標，可穿戴設備的交互方式將會走向多樣化，可以通過書寫控制， 也可以通過語言控制、肢體手勢控制等。隨著智能化的提升，可穿戴設備可以自動選擇操作流程，使用起來較為簡單，有可能達到與家用電器操作一樣簡單，使用者不需要專門學習就能操作。

1.4 系統(tǒng)設計--ubuntu

便捷安裝。圖形方式，打開系統(tǒng)設置——附加驅(qū)動，選擇驅(qū)動激活;命令的方式為，終端（ctrl+alt+t）執(zhí)行：sudoapt-getinstallfglrx##此方法不能選擇驅(qū)動版本。

手工安裝。請確定當前閉源顯卡驅(qū)動是否支持當前內(nèi)核版本和 xorg 版本。如果閉源顯卡驅(qū)動不支持要求，請不要安裝;查看內(nèi)核版本終端執(zhí)行：uname-a查看當前xorg版本，終端執(zhí)行：X-version;待以上條件滿足后，進入 AMD 顯卡官網(wǎng)下載對應的驅(qū)動。32 位系統(tǒng)，下載好 A 卡的驅(qū)動文件XXXXXXX.run，（可能是個zip包，在終端內(nèi)unzipamd-*.zip即可）;然后右鍵xxx.run，屬性-權限-"允許作為程序執(zhí)行文件"前打勾——關閉;

再雙擊打開，然后推薦選擇在終端中運行（如果安裝出錯，可以查看問題）; 安裝過程和 win 下安裝軟件類似，不在贅述，安裝后重啟生效。

目前，信息技術獲得了快速發(fā)展，網(wǎng)絡也越來越普及，各種家用電器 也開始走向智能化，未來完全可以實現(xiàn)家電與可穿戴設備之間的網(wǎng)絡連接，可穿戴設備可以通過網(wǎng)絡調(diào)控家電的運作，也可以通過網(wǎng)絡下載新的 家電應用程序，從而提高家電的性能。同時利用互聯(lián)網(wǎng)也可以遠程遙控家 中的家電，在任何地方就能讓家中的電器工作，為生活提供便利。

3 基于輻射源目標地圖導航可穿戴電子設備應用

當今是信息化時代，信息化是當今時代發(fā)展的大趨勢，代表著先進的生產(chǎn)力，國家目前正大力建設“智慧城市”，通信信息化正向智能化前進。導航隨著人類政治、經(jīng)濟和軍事活動的產(chǎn)生而產(chǎn)生，發(fā)展而發(fā)展，雖然至今為止，已經(jīng)開發(fā)出了大量的導航系統(tǒng)，但是人們對新的導航手段的探索和研究始終沒有停止。其原因之一在于不同的應用場景中，對導航的要求是各不相同的，現(xiàn)今的每一種導航手段都有其優(yōu)點，但也存在其不足。如具有自主導航能力的慣性導航系統(tǒng)雖然具有不受外界干擾，適合高動態(tài)場合等優(yōu)點，但是它存在累積誤差，導航精度隨時間的持續(xù)而逐漸降低;GPS衛(wèi)星導航的精度非常高，但是它極易受到外界干擾。所以在實際應用中經(jīng)常將多種導航手段結(jié)合在一起，進行組合導航，包括采用其它的導航手段，如星光天文導航，地形匹配導航等。汲取各種導航手段的優(yōu)點，從而最終實現(xiàn)具有高精度、高可靠、高可用等特點的綜合化導航系統(tǒng)所以多樣化的導航逐漸成為導航技術的重要發(fā)展趨勢之一。2014 是可穿戴年，各種可穿戴設備越來越受到追捧，具有良好的發(fā)展前景。可穿戴技術從 2013 年谷歌公司推出 Google glass 開始，人類開始進入可穿戴互聯(lián)的時代。作為人機交互技術、傳感技術、柔性材料技術、信息處理其與電子導航設備相融合也是大勢所趨主要內(nèi)容與技術水平。

3.1 城市公共交通的定位導航應用

在“智慧城市”建設中，在城市的公交車站、地鐵站、重要地標放置輻射源，市民或游客能時刻通過輻射源地圖進行交通方式的選擇性導航，而可穿戴設備將更加便于人們的攜帶，更大程度的解放出手機。在地鐵站或 其他一些信號弱，網(wǎng)絡差的地方同樣能實行精確定位導航。交通系統(tǒng)，對車輛信息的獲取。

3.2 災難救援工作應用

驢友們出行，在人跡稀少的地方面臨網(wǎng)絡信號差的境況，同樣可以使用本項目產(chǎn)品作為導航定位。與 GPS 導航進行組合從而對于個體進行更精準定位、導航;災難救援時對于個體的定位便于救援。在火災救援現(xiàn)場， 手機等導航設備無法正常工作，對消防人員的位置進行實時定位，以便在現(xiàn)場實時跟蹤消防人員的位置，保障消防人員和被救援人員安全。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)正掀起一場可穿戴設備的熱潮，而組合導航，多樣化導航也是市場發(fā)展的大勢所趨。我們提倡的“無限制性導航”新概念必將深受廣大消費群體的追捧，且逆向無源定位的定位導航手段的應用在國內(nèi)處于初級階段，有非常大的國內(nèi)市場;此產(chǎn)品不僅將填補國內(nèi)空、占領國際市場，而且將帶動國內(nèi)及本地區(qū)可穿戴電子導航等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。本項目研究及后續(xù)產(chǎn)業(yè)化的實施，必將推動浙江省可穿戴電子科技產(chǎn)業(yè)做大做強，建立校企合作、能夠使科研成果迅速轉(zhuǎn)化生產(chǎn)力的研發(fā)機構，并的形成一支穩(wěn)定精干的科研隊伍。有助于縮小浙江高新技術及裝備與國際先進水平之間的差距，加快浙江省建設區(qū)域創(chuàng)新體系，推動高技術產(chǎn)業(yè)化。 因此，該設備的實際應用對我國、我省在提高可穿戴電子設備定位導航高新技術領域核心競爭力、占領國際技術制高點具有現(xiàn)實意義，對發(fā)展壯大具有國際競爭力的相關企業(yè)具有重要的促進作用。

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