本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)應用領域，具體涉及一種室內(nèi)定位方法及裝置。

背景技術：

隨著無線通信、集成電路以及MESH網(wǎng)絡等技術的飛速發(fā)展和日益成熟，特征子空間類算法利用信號子空間和噪聲子空間的正交性，構造空間譜函數(shù)，通過譜峰搜索來確定信號的波達方向(DOA)。其測向原理是利用傳播算子構造噪聲子空間，采用搜索譜鋒的方法估計DOA；為優(yōu)化性能，進而利用多項式求根方法代替譜峰搜索。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出一種基于傳播算子的室內(nèi)定位方法及其對應的室內(nèi)定位裝置，該方法和裝置能夠通過部署在監(jiān)測區(qū)域的beacon點和無線網(wǎng)關組網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸模塊傳輸至云端，進行協(xié)作感知、采集和定位網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)信號發(fā)射點的信息。

實現(xiàn)上述技術目的，達到上述技術效果，本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：

第一方面，本發(fā)明提供一種基于傳播算子的室內(nèi)定位方法，利用傳播算子定義子空間方法中的噪聲子空間并構造譜函數(shù)，通過搜索譜函數(shù)的最大譜峰的方式獲得信號發(fā)射點相對于固定點的角度，以定位到信號發(fā)射點移動前后的地理位置，并通過匹配找出具有相同Mac地址的不同地理位置實現(xiàn)室內(nèi)定位。

進一步的，在待定位區(qū)域內(nèi)部署由N個beacon信標點構成的信號接收陣列，并由M個移動設備構成的信號發(fā)射點與信號接收陣列直接通信；當移動設備移至不同位置時，通過搜索譜函數(shù)的最大譜峰的方式定位到其對應信號發(fā)射點移動前后的地理位置，并由移動設備通過無線網(wǎng)關將與其對應的信號點的地理位置和Mac地址發(fā)送至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心通過比對具有相同Mac地址的不同地理位置，進行路線規(guī)劃，并將室內(nèi)定位信息發(fā)送給移動設備。

進一步的，傳播算子通過信號接收陣列獲取的陣列接收數(shù)據(jù)或空間協(xié)方差矩陣求得。

進一步的，傳播算子通過陣列接收數(shù)據(jù)求得的最優(yōu)解為：

式中：H代表了共軛轉置，Y₁、Y₂分別代表對接收數(shù)據(jù)矩陣L行分塊N-L分塊；

或所述傳播算子通過空間協(xié)方差矩陣求得的最優(yōu)解為：

P＝(G^HG)^-1G^HH，

式中：H代表了共軛轉置，G、H分別代表對空間協(xié)方差矩陣L行分塊N-L分塊。

進一步的，所述譜函數(shù)為：

式中：a(θ)為方向矢量，表示由傳播算子張成的噪聲子空間，I為單位矩陣。

進一步的，采用多項式求根方法替代譜峰搜索來確定M個信號發(fā)射點移動前后的地理位置。根據(jù)多項式求根方法，得到M個信號發(fā)射點的發(fā)射角度為：

式中，λ為接收信號協(xié)方差矩陣特征值，d為信號點間距，θ為信號點角度。

第二方面，本發(fā)明還提供一種基于傳播算子的室內(nèi)定位裝置，包括信號接收模塊、信號發(fā)射模塊、地理位置定位模塊、傳輸模塊和室內(nèi)定位模塊；其中，信號接收模塊置于待定位區(qū)域，包括由N個beacon信標點構成的信號接收陣列，并與待定位的移動設備直接通信，將信號接收數(shù)據(jù)發(fā)送到地理位置定位模塊中；信號發(fā)射模塊置于待定位的移動設備中，用于產(chǎn)生信號發(fā)射點；地理位置定位模塊置于本地監(jiān)控處，用于計算定位信號發(fā)射點的地理位置，并由移動設備將與其對應的信號發(fā)射點的地理位置和Mac地址通過傳輸模塊發(fā)送至室內(nèi)定位模塊；室內(nèi)定位模塊接收到信號發(fā)射點的地理位置和Mac地址后進行存儲并規(guī)劃路線，再將完成的室內(nèi)定位信息發(fā)送至移動設備。

進一步的，該室內(nèi)定位裝置利用傳播算子定義子空間方法中的噪聲子空間并構造譜函數(shù)，并通過搜索譜函數(shù)的最大譜峰的方式得到M個信號發(fā)射點的地理位置。

進一步的，地理位置定位模塊采用多項式求根方法替代譜峰搜索來確定M個信號發(fā)射點移動前后的地理位置。

進一步的，傳輸模塊采用無線傳輸方式。

進一步的，傳輸模塊采用無線傳輸方式中的藍牙傳輸。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出一種基于傳播算子的室內(nèi)定位方法及裝置，利用傳播算子構造噪聲子空間，采用搜索譜鋒的方法估計DOA；并且，還可以利用多項式求根方法代替譜峰搜索進行室內(nèi)定位，能降低計算量，改善性能，而且低信噪比環(huán)境下同樣適用。

該室內(nèi)定位方法及裝置能夠通過部署在監(jiān)測區(qū)域的beacon點和無線網(wǎng)關組網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸模塊傳輸至云端，進行協(xié)作感知、采集和定位網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)信號發(fā)射點的信息。

該室內(nèi)定位方法及裝置具有良好的參數(shù)估計性能及較小的計算量，能得到參數(shù)的漸近無偏估計，并且該方法算法簡單，易于編程實現(xiàn)。能廣泛應用于室內(nèi)停車導航系統(tǒng)，應用成本低，定位準確。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明的室內(nèi)定位裝置結構示意圖。

圖3為本發(fā)明中信號接收陣列接收信號示意圖。

圖4為本發(fā)明中的走道布局示意框圖。

圖5為本發(fā)明傳播算子譜鋒搜索下的定位仿真圖。

圖6為本發(fā)明多項式求根算法下的定位仿真圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

基于傳播算子的室內(nèi)定位方法非常適用于地下車庫導航系統(tǒng)，結合附圖1，實施例1步驟如下：

(1)在待定位區(qū)域內(nèi)部署N個beacon點構成信號接收陣列，實施例1中的待定位區(qū)域即地下停車庫；

(2)由M個移動設備構成M個信號點，M個移動設備與信號接收陣列直接進行通信；此處，實施例1中的移動設備即停車庫內(nèi)待尋找停車位的車輛內(nèi)的移動終端，如車主的手機；

(3)利用傳播算子P定義傳統(tǒng)的子空間方法中的噪聲子空間；

(4)利用傳播算子構造譜函數(shù)，搜索出譜函數(shù)的M個最大譜峰，計算出波達方向，即得到移動終端相對于信號接收陣列的發(fā)射角度，從而定位出M個信號點的第一地理位置，M個無線移動設備將Mac地址及與其對應的信號點的地理位置和傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關，由無線網(wǎng)關傳輸?shù)皆贫吮O(jiān)控中心；

(5)當M個無線移動設備移動到其他的位置時，重復執(zhí)行步驟(2)～(4)，得到M個無線移動設備的第二地址位置；

(6)云端監(jiān)控中心比對具有相同Mac地址的兩個不同的地理位置，進行路線規(guī)劃，并發(fā)送給無線移動設備，實現(xiàn)室內(nèi)定位。

在上述步驟中，步驟(3)中的傳播算子通過陣列接收數(shù)據(jù)求得的最優(yōu)解為：

式中：H代表了共軛轉置，Y₁、Y₂分別代表對接收數(shù)據(jù)矩陣L行分塊N-L分塊；

或，所述傳播算子通過空間協(xié)方差矩陣求得的最優(yōu)解為：

P＝(G^HG)^-1G^HH

式中：H代表了共軛轉置，G、H分別代表對空間協(xié)方差矩陣L行分塊N-L分塊。

傳播算子構造譜函數(shù)譜函數(shù)為：

式中：a(θ)為方向矢量，表示由傳播算子張成的噪聲子空間，I為單位矩陣。

此外，為降低計算量，改善性能，還可以采用多項式求根方法替代譜峰搜索來確定M個信號發(fā)射點移動前后的地理位置。

根據(jù)多項式求根方法，得到M個信號發(fā)射點的發(fā)射角度為：

式中：λ為接收信號協(xié)方差矩陣特征值，d為信號點間距，θ為信號點角度。

結合附圖2、3、4，本發(fā)明還提供一種利用基于傳播算子的室內(nèi)定位裝置的實施例。

以地下車庫導航系統(tǒng)為例，該室內(nèi)定位裝置包括部署在待定位區(qū)域的信號接收模塊、地理位置定位模塊、信號發(fā)射模塊、傳輸模塊和室內(nèi)定位模塊。其中，信號接收陣列模塊，即由固定分布在車庫區(qū)域內(nèi)的N個beacon點構成信號接收陣列，并能與車內(nèi)的移動終端，如手機、PAD等直接通信，特別是無線通信；信號發(fā)射模塊置于移動設備中，用于產(chǎn)生信號發(fā)射點；地理位置定位模塊置于本區(qū)域的監(jiān)控室，用于計算移動終端相對于信號接收模塊的地理位置，并通過傳輸模塊發(fā)送至遠程監(jiān)控室或監(jiān)控中心；室內(nèi)定位模塊接收到地理位置定位模塊發(fā)送的信息后，進行車庫內(nèi)的停車位規(guī)劃，并給出合適的停車位信息發(fā)送給待停車的移動終端，實現(xiàn)室內(nèi)定位；傳輸模塊可采用無線傳輸方式，如藍牙，wifi等，無線網(wǎng)關作為網(wǎng)絡的主設備，對應的車內(nèi)無線移動設備比如手機通過無線接口與無線網(wǎng)關連接，作為從節(jié)點散布在指定的通信范圍內(nèi)，通過自組網(wǎng)方式構成網(wǎng)絡。以無線藍牙傳輸方式為例，無線移動終端為藍牙移動終端，無線網(wǎng)關為藍牙無線網(wǎng)關，無線接口為藍牙無線接口。

該室內(nèi)定位裝置的工作過程如下：

(1)首先通過M個移動設備發(fā)射信號，N個beacon點構成信號接收陣列，M個移動設備與beacon信標點直接通信，獲取Mac地址和陣列接收數(shù)據(jù)信息并反饋到云端監(jiān)控中心；在待定位區(qū)域內(nèi)，所有的移動設備均可以直接與各beacon點進行通信，各個移動設備的Mac地址可以方便地進入和離開自組網(wǎng)方式構成網(wǎng)絡；其中，移動設備優(yōu)選為無線移動設備。

(2)無線移動設備根據(jù)傳播算子進行定位計算，得到各個無線移動設備此刻的地理位置信息，具體采用的是基于傳播算子的室內(nèi)定位方法中的步驟(2)～(4)，然后將移動設備的Mac地址信息和無線移動設備此刻的地理位置信息，通過無線網(wǎng)關發(fā)送到云端監(jiān)控中心，進行存儲；具體為：無線移動設備通過其內(nèi)部的無線傳輸模塊將本地數(shù)據(jù)信息按照已經(jīng)設置好的數(shù)據(jù)格式進行打包，將打包好的數(shù)據(jù)通過無線接口傳送給無線網(wǎng)關；無線網(wǎng)關將將數(shù)據(jù)傳送到云端監(jiān)控中心。

(3)當無線移動設備變動位置之后，想找出原來所在的位置，則再次根據(jù)傳播算子進行定位計算，得到各個無線移動設備此刻的地理位置信息，然后將無線移動設備的Mac地址信息和無線移動設備此刻的地理位置信息，通過無線網(wǎng)關發(fā)送到云端監(jiān)控中心，進行存儲；具體的，云端對無線移動設備進行遠程控制時，將各種指令按照已經(jīng)設置的數(shù)據(jù)格式打包，通過無線接口發(fā)送給無線移動設備。

(4)云端監(jiān)控中心根據(jù)存儲的信息，找出相同Mac地址對應的2個不同的地理位置，進行路線規(guī)劃，并發(fā)送給無線移動設備，實現(xiàn)室內(nèi)定位。

具體的，基于傳播算子的室內(nèi)定位方法的計算過程結合附圖2至4所示，以地下車庫導航系統(tǒng)的實施例為例。由N個間距為d的停車點(陣元)構成信號(beacon)接收陣列、M個無線移動終端構成信號發(fā)射點，對應的入射角為θ，θ為與法線方向的夾角，各陣元的噪聲是高斯白噪聲，各陣元間噪聲相互獨立，噪聲與信號也相互獨立。

接收信號表示為：

Y＝ABS+V

式中，A＝[a_r(θ₁)a_r(θ₂)…a_r(θ_M)]∈C^N×K為方向矩陣，K為總樣本數(shù)，B＝[α₁α₂…α_K]^T∈C^K×M為衰落矩陣，假設準靜態(tài)衰落假設目標衰落被建模為具有確定性的未知參數(shù)，S∈C^M×K為發(fā)射信號，V∈C^N×K為剩余項，包括未知噪聲，目標間的干涉和有意或無意的干擾，與θ無關。噪聲信號的各列是零均值，獨立同分布的圓對稱復高斯隨機過程，且未知協(xié)方差矩陣為

將向量A分塊成兩個子陣可得：

式中，A₁為非奇異矩陣，即A₁的L行互相獨立，那么必然滿足A₂是A₁的線性變換，令P^H為傳播算子，則有：

A₂＝P^HA₁

進一步定義滿足：

E^HA＝0_(N-L)×L

上式表明方向矢量a(θ_i)和E的列矢量正交，即矩陣E的列矢量張成的噪聲子空間和方向矢量張成的信號子空間正交，即由傳播算子P定義了傳統(tǒng)的子空間方法中的噪聲子空間。

由于P的求解需要信號源方位信息，所以需由接收數(shù)據(jù)或空間協(xié)方差矩陣求解傳播算子。對接收數(shù)據(jù)矩陣Y作如下的分塊，可得：

式中：H代表了共軛轉置，Y₁、Y₂分別代表對接收數(shù)據(jù)矩陣L行分塊N-L

分塊；

對應的，傳播算子的估計可以由如下的代價函數(shù)最小化問題得到

J(P)＝||Y₂-P^HY₁||²

其中，||||表示Frobenius范數(shù)，采用接收數(shù)據(jù)矩陣求解得到傳播算子的最優(yōu)解為：

或者，采用空間協(xié)方差矩陣R求解傳播算子，對空間協(xié)方差矩陣R作如下的分塊，即：

R＝[R_(:,1:L) R_(:,L+1:N)]＝[GH]

式中：H代表了共軛轉置，G、H分別代表對空間協(xié)方差矩陣L行分塊N-L分塊。

對應的，傳播算子的估計可以由如下的代價函數(shù)最小化問題得到：

J(P)＝||H-GP||²

其中，||||表示Frobenius范數(shù)，采用空間協(xié)方差矩陣求解得到傳播算子的最優(yōu)解為：

或者，采用空間協(xié)方差矩陣求解得到傳播算子的最優(yōu)解為：

P＝(G^HG)^-1G^HH。

得到傳播算子最優(yōu)解后，即可得到與方向矢量a(θ_i)相正交的矩陣E，從而得到空間譜函數(shù)計算公式：

由此，M個信號發(fā)射角度就可以由空間譜搜索得到。相應的，地理位置定位模塊就可以通過信號發(fā)射點相對于接收陣列的角度得到其對應的地理位置。

從譜估計值可以知道，當峰值出現(xiàn)在分母為0時，這類似于多項式求根，如果將代入該多項式分母可得，

式中：λ為接收信號協(xié)方差矩陣特征值，d為信號點間距，θ為信號點角度；令Ω＝EE^H∈C^MN×MN，并將其分解成M²個子陣，其中每個子陣Ω_ij∈C^N×N,i,j＝1,…,M

根據(jù)信號子空間中的導向矢量與噪聲子空間正交，則根據(jù)上式可以得到如下方程：

此時采用多項式求根法，可以得到在單位圓上的M個根，便可得到M個信號發(fā)射角度：

如附圖5、6所示，假設三個不相關目標分別位于θ₁＝-30°、θ₂＝0°和θ₃＝55°，信噪比為15dB，快拍數(shù)目為256。假設受到協(xié)方差矩陣為(1/SNR)0.9^|p-q|e^j(p-q)π/2的噪聲干擾，式中p q為噪聲協(xié)方差矩陣行列，仿真采用10次Monte-Carlo實驗。每次獨立實驗中，重新隨機生成噪聲干擾信號，衰落向量在該次實驗即獲得256個快拍的過程中保持不變。從圖中可以看出，使用傳播算子譜鋒搜索和多項式求根算法均能成功估計發(fā)射信號所在的角度位置。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。