本發(fā)明涉及基于功率延遲分布與波達(dá)角測距的單節(jié)點室內(nèi)定位方法。

背景技術(shù)：

目前主流的基于wlan的室內(nèi)定位系統(tǒng)采用的是指紋定位技術(shù)。在指紋定位技術(shù)中，接收機(jī)通過將接收信號測量結(jié)果與預(yù)先存儲的指紋圖進(jìn)行對比，計算出自身的位置，而指紋圖是在系統(tǒng)建立過程中，通過對選定的測量點逐點測量得出的。

指紋定位的基本原理就是在一定區(qū)域內(nèi)選擇一些測試點，在這些點處測量某種特征向量，比如rss、aot、aoa，從而生成指紋圖，然后再在待定位的位置上測量同樣的特征向量，然后比較這一向量與指紋圖中的向量，找到最相近的向量，則認(rèn)為待測點在對應(yīng)的測試點附近。但傳統(tǒng)的指紋圖定位系統(tǒng)定位精度低，定位精度取決于近似算法的優(yōu)劣。同時指紋圖定位需要預(yù)先在定位環(huán)境部署大量定位節(jié)點并采集指紋圖，消耗大量的物力財力，因此使用指紋圖技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)目前僅適用于大型商城等環(huán)境，難以在更大的應(yīng)用場景中使用，大大限制了室內(nèi)定位系統(tǒng)的推廣。為擴(kuò)展應(yīng)用場景就有了使用單個ap節(jié)點進(jìn)行室內(nèi)定位的研究，但是單節(jié)點實現(xiàn)定位誤差大，例如無法獲得ap到達(dá)定位點準(zhǔn)確的傳輸距離，也無法獲得ap和定位點之間的角度信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有現(xiàn)有指紋圖定位系統(tǒng)定位精度低，定位精度取決于近似算法的優(yōu)劣，指紋圖定位需要預(yù)先在定位環(huán)境部署大量定位節(jié)點并采集指紋圖，消耗大量的物力財力以及單節(jié)點實現(xiàn)定位誤差大的缺點，而提出一種基于功率延遲分布與波達(dá)角測距的單節(jié)點室內(nèi)定位方法。

一種基于功率延遲分布與波達(dá)角測距的單節(jié)點室內(nèi)定位方法具體過程為：

步驟一、室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)跳頻a次，室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)得到a組信道狀態(tài)信息，每一組信道狀態(tài)信息維度為30×1的復(fù)數(shù)數(shù)組，a組信道狀態(tài)信息維度為30×a的復(fù)數(shù)數(shù)組，a為跳頻次數(shù)，取值為正整數(shù)；

步驟二、獲取室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的信道狀態(tài)信息中的相位信息和幅度信息；

步驟三、采用插值法對得到信道狀態(tài)信息中的相位信息進(jìn)行誤差消除；

步驟四、利用功率延遲分布和波達(dá)角對步驟二得到的幅度信息和步驟三得到的消除誤差后的相位信息進(jìn)行處理，得到傳輸距離；

步驟五、將步驟四得到的傳輸距離基于三邊定位求解客戶位置。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明一種基于功率延遲分布與波達(dá)角測距的單節(jié)點室內(nèi)定位方法相比于傳統(tǒng)的基于指紋技術(shù)的定位系統(tǒng)，定位精度不取決于近似算法的優(yōu)劣，無需預(yù)先在定位環(huán)境部署大量定位節(jié)點并采集指紋圖，節(jié)約人力物力，減小定位誤差。在簡化部署的同時提高了定位精度。

如圖3所示，在置信度60％的情況下，本發(fā)明直射路徑測距誤差不超過1m，cupid的系統(tǒng)測距誤差為2m，得出本發(fā)明單節(jié)點實現(xiàn)定位誤差小，測距精度大幅提高；

在圖4中給出本發(fā)明方法利用三邊定位技術(shù)在功率延遲分布結(jié)合波達(dá)角測距方法下的定位誤差，與現(xiàn)有中國剩余定理定位方法在同樣使用三邊定位技術(shù)的情況下進(jìn)行了比對。

利用本發(fā)明方法在視距路徑下置信度50％時定位誤差為0.8米，本發(fā)明在非視距路徑下置信度50％時定位誤差為1.25米；

利用現(xiàn)有技術(shù)在視距路徑下置信度50％時定位誤差為1.1米，利用現(xiàn)有技術(shù)在視距路徑下置信度50％時定位誤差為1.8米；

可得出本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比定位誤差小，定位精度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明定位系統(tǒng)測試環(huán)境示意圖，ap為室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)；

圖2為本發(fā)明插值相位消除法的消除效果圖；

圖3為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)cupid的測距誤差的累積分布函數(shù)圖；

cupid是avoidingmultipathtoreviveinbuildingwifilocalization論文里提到的一種技術(shù)，作者是souviksen,jeongkeunlee,kyu-hankim,paulcongdon；

圖4為本發(fā)明與基于中國剩余定理和多天線三邊定位的單節(jié)點室內(nèi)定位方法的定位誤差對比圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式的一種基于功率延遲分布與波達(dá)角測距的單節(jié)點室內(nèi)定位方法具體過程為：

對于支持ieee802.11n協(xié)議的無線設(shè)備，當(dāng)接收機(jī)收到數(shù)據(jù)包后會對數(shù)據(jù)包進(jìn)行一定的處理并產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)信息存儲在數(shù)據(jù)當(dāng)中，包括接收信號強(qiáng)度，信道噪聲，還有信道狀態(tài)信息。

以往的室內(nèi)定位系統(tǒng)常用接收信號強(qiáng)度rss進(jìn)行定位，但信號強(qiáng)度信息極易收到多徑效應(yīng)的影響，且每一個數(shù)據(jù)包僅能攜帶一個信號強(qiáng)度。對此，本發(fā)明采用信道狀態(tài)信息作為數(shù)據(jù)源來分析待定位點的位置。

介紹定位方法前先介紹信道狀態(tài)信息和相位誤差組成。

接收機(jī)得到的信道狀態(tài)信息也稱作信道頻率響應(yīng)，如下所示，h(fk)即為中心頻率為fk的信道頻率響應(yīng)，表征信道的幅度衰落，θk是對應(yīng)的相位信息，表征信道的相位衰落。

由于ieee802.11n協(xié)議的設(shè)備支持ofdm技術(shù)，傳播的無線信號均攜帶若干個子載波，而每個子載波均有其對應(yīng)的信道頻率響應(yīng)，即每收到一個數(shù)據(jù)包就可以得到若干個反映信道狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

通過逆離散傅里葉變換可以從頻域信息得到時域信息，表示如下：

時域信息也稱作信道沖激響應(yīng)，同樣是一組復(fù)數(shù)信息，包含幅度與相位的信息，幅度信息與功率相關(guān)，因此有功率延遲分布的概念，定義為

p(τ)＝e[h(t,τ)²]

步驟一、室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)跳頻a次，室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)得到a組信道狀態(tài)信息，每一組信道狀態(tài)信息維度為30×1的復(fù)數(shù)數(shù)組，a組信道狀態(tài)信息維度為30×a的復(fù)數(shù)數(shù)組，a為跳頻次數(shù)，取值為正整數(shù)；

步驟二、獲取室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的信道狀態(tài)信息中的相位信息和幅度信息；

步驟三、采用插值法對得到信道狀態(tài)信息中的相位信息進(jìn)行誤差消除；

步驟四、利用功率延遲分布和波達(dá)角對步驟二得到的幅度信息和步驟三得到的消除誤差后的相位信息進(jìn)行處理，得到傳輸距離；

步驟五、將步驟四得到的傳輸距離基于三邊定位求解客戶位置。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟二中獲取室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的信道狀態(tài)信息中的相位信息和幅度信息；具體過程為：

通過工具包csitools從室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的數(shù)據(jù)包中求解信道狀態(tài)信息，信道狀態(tài)信息為信道頻率響應(yīng)，信道頻率響應(yīng)公式為：

式中，h(fk)為頻率為fk的信道頻率響應(yīng)，||h(fk)||為信道的幅度衰落，θk是頻率fk對應(yīng)的真實信道狀態(tài)信息的相位信息，j為虛數(shù)，j²＝-1；

信道頻率響應(yīng)是一組維度為30×a的復(fù)數(shù)數(shù)組，取值為正整數(shù)；求解復(fù)數(shù)的角度信息，得到室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的信道狀態(tài)信息中的相位信息φk；

室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的數(shù)據(jù)包包括信道狀態(tài)信息、接收信號強(qiáng)度、噪聲功率等；復(fù)數(shù)信息包括相位信息和幅度信息。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述步驟三中采用插值法對得到信道狀態(tài)信息中的相位信息進(jìn)行誤差消除；具體過程為：

室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的信道狀態(tài)信息中的相位信息φk和載波頻率fk對應(yīng)的真實信道狀態(tài)信息的相位信息θk之間的關(guān)系表示為

φk＝θk-2πkkfkδ+β+z

式中，kk表示子載波的維度，本例中為-28,-26,...,-2,-1,1,3,5,...,27,28；1≤k≤n，n為wifi設(shè)備可采集到的子載波個數(shù)，下標(biāo)k為從1到30的序號，β為室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)等效相位偏差，δ為接收機(jī)的采樣頻率偏差和接收到的數(shù)據(jù)包檢測時延偏差(接收機(jī)檢測數(shù)據(jù)包需要一定的時間)，fk為載波頻率；z為信道隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的相位誤差；

目前的子載波維度是不對稱的，假設(shè)一組對稱的子載波維度為

將室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的信道狀態(tài)信息中的相位信息φk數(shù)據(jù)按照對稱子載波進(jìn)行插值得到插值相位信息將未插值的相位信息φk和插值的相位信息分別求和后做差得到相位誤差temp為

n的取值為30-114；

通過相位誤差temp的公式得：

式中，是可知，例如為13，從而求得室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的信道狀態(tài)信息中的相位信息φk和載波頻率fk對應(yīng)的真實信道狀態(tài)信息的相位信息θk偏差中與子載波維度有關(guān)的誤差分量-2πfkδ；

得到消除誤差的相位為

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述n的取值為30-114。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：所述步驟四中利用功率延遲分布和波達(dá)角對步驟二得到的幅度信息和步驟三得到的消除誤差后的相位信息進(jìn)行處理，得到傳輸距離；具體過程為：

功率延遲分布的第j個峰值等效為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)第j個天線之間的直射路徑的接收功率，定義為pr,j，滿足

pr，j＝p0-10γlog(dj)

式中，p0為距離發(fā)射機(jī)一米處的發(fā)射功率(因為發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率隨著距離會有一個衰落)，γ為路徑損耗系數(shù)，dj為接收機(jī)第j個天線和發(fā)射機(jī)之間的傳輸距離；

接收機(jī)上配備有m幅天線，第j個天線收到一組信道狀態(tài)信息，信道狀態(tài)信息通過逆離散傅里葉變換得到功率延遲分布，功率延遲分布的第一個峰值為prj；

j為天線編號，1≤j≤m，m大于等于3，比如為1、2、3。

接收機(jī)的任意兩幅天線接收到的功率做差得到直射路徑功率差與發(fā)射機(jī)到兩副天線距離比的關(guān)系，以編號為1，2的天線為例，表示為

pr,n-pr,m＝10γlog(dm/dn)

pr,n為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)第n個天線之間的直射路徑的接收功率，pr,m為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)第m個天線之間的直射路徑的接收功率，dn為接收機(jī)第n個天線和發(fā)射機(jī)之間的傳輸距離，dm為接收機(jī)第m個天線和發(fā)射機(jī)之間的傳輸距離，1≤n≤m，1≤m≤m，n≠m；

pr,1-pr,2＝10γlog(d2/d1)

在利用步驟三的方式消除誤差后，取兩副天線峰值最高的子載波對應(yīng)的相位(信道狀態(tài)信息包含幅度和相位信息，且是一一對應(yīng)的，相位誤差消除后，取幅度信息中幅度最大值對應(yīng)的相位)作為直射路徑相位，有

式中，λ為發(fā)射機(jī)的信號波長，和分別表示n、m號天線的直射功率相位；

將上述兩個與距離有關(guān)的公式聯(lián)合求解即得到n、m號天線到發(fā)射機(jī)的傳輸距離，同理可以求得剩余天線到發(fā)射機(jī)的傳輸距離。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至四之一相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：所述步驟五中將步驟四得到的傳輸距離基于三邊定位求解客戶位置；具體過程為：

支持802.11n協(xié)議的設(shè)備均配置了三幅以上的天線，根據(jù)步驟四得到室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的真實傳輸距離，設(shè)發(fā)射機(jī)坐標(biāo)為(x,y)是未知的，三副室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的天線的坐標(biāo)是已知的，即(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，則通過下式得到未知的發(fā)射機(jī)坐標(biāo)(x,y)，從而實現(xiàn)了基于單節(jié)點的對客戶位置的室內(nèi)定位

坐標(biāo)為以地面任一點為原點，平面延伸的距離為橫縱坐標(biāo)，橫縱軸垂直；

發(fā)射機(jī)坐標(biāo)即為客戶位置；

式中d1為第一副室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的天線到發(fā)射機(jī)的距離，d2為第二副室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的天線到發(fā)射機(jī)的距離，d3為第三副室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的天線到發(fā)射機(jī)的距離，b為第一副與第二幅室內(nèi)定位系統(tǒng)接收機(jī)的天線橫坐標(biāo)差值。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至五之一相同。

采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：

實施例一：

本實施例一種基于功率延遲分布與波達(dá)角測距的單節(jié)點室內(nèi)定位方法具體是按照以下步驟制備的：

為了驗證算法性能，在圖1的環(huán)境中進(jìn)行了測試，

在測試時，針對視距環(huán)境，測試系統(tǒng)分別在距離ap直線距離1m，1.5m，2m，2.5m，3m的環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在每個距離上測試十次；測試結(jié)束后在路徑中加入遮擋物模逆非視距環(huán)境重復(fù)上述測試，并對最終得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真。

通過插值的方式消除相位的結(jié)果如圖2所示，沒有通過插值的方式消除相位的結(jié)果分布離散，通過插值的方式消除相位的結(jié)果分布集中，定位更精準(zhǔn)；

如圖3所示，在置信度60％的情況下，本發(fā)明直射路徑測距誤差不超過1m，cupid的系統(tǒng)測距誤差為2m，得出本發(fā)明單節(jié)點實現(xiàn)定位誤差小，測距精度大幅提高；

在圖4中給出本發(fā)明方法利用三邊定位技術(shù)在功率延遲分布結(jié)合波達(dá)角測距方法下的定位誤差，與現(xiàn)有中國剩余定理定位方法在同樣使用三邊定位技術(shù)的情況下進(jìn)行了比對。

利用本發(fā)明方法在視距路徑下置信度50％時定位誤差為0.8米，本發(fā)明在非視距路徑下置信度50％時定位誤差為1.25米；

利用現(xiàn)有技術(shù)在視距路徑下置信度50％時定位誤差為1.1米，利用現(xiàn)有技術(shù)在視距路徑下置信度50％時定位誤差為1.8米；

可得出本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比定位誤差小，定位精度高。

本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。