本發(fā)明涉及一種于傳播模型和位置指紋的三維室內(nèi)無源定位方法。

背景技術(shù)：

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，加上政界、商界、反恐領(lǐng)域、科技領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域利益最大化需求，竊取機(jī)密資料的手法也在日益精密，竊聽竊視無疑是其中重要的組成部分。目前反竊聽竊視設(shè)備較多，其中比較常用的設(shè)備大部分為國外產(chǎn)品，在使用方面存在較多不足，包括發(fā)現(xiàn)可疑信號能力弱、不具備信號源定位能力等。因此，深入研究非合作室內(nèi)無源定位技術(shù)，對信息安全建設(shè)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

室內(nèi)定位方法大致可以按照三種最基本的定位思路進(jìn)行歸類，第一類是通過測量信號距離和角度來進(jìn)行幾何計(jì)算得到輻射源位置，其中toa(timeofarrival)通過測量時(shí)差計(jì)算距離差繪制雙曲線方程獲得輻射源位置，信號傳播模型則通過電波傳播理論建模，由測量幅度值映射為距離從而獲得輻射源位置，aoa(angleofarrival)通過定線天線或者陣列天線測量信號方向，多站交叉獲得輻射源位置；第二類是通過物理量感知發(fā)現(xiàn)輻射源“靠近”傳感器，用傳感器的位置來估計(jì)輻射源位置，具有代表性的為最近節(jié)點(diǎn)法；第三類是利用對已知位置的各種測量值作為該位置的“指紋”特征，利用輻射源特征與已知位置特征匹配獲得輻射源位置，可利用幅度、信噪比等參數(shù)作為特征進(jìn)行特征匹配，稱為位置指紋法。上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下表1所示：

表1

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠快速準(zhǔn)確定位室內(nèi)輻射源的三維室內(nèi)無源定位方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種基于傳播模型和位置指紋的三維室內(nèi)無源定位方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)在室內(nèi)布置傳感器節(jié)點(diǎn)；

2)構(gòu)建位置指紋數(shù)據(jù)庫；

3)掃描全頻段內(nèi)的位置指紋信號；

4)基于位置指紋的定位算法計(jì)算出該信號的二維平面空間位置；

5)基于傳播模型的三維的空間定位算法計(jì)算出該信號的高度位置。

優(yōu)選地，所述步驟1)中在室內(nèi)均勻間隔布置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，所述傳感器節(jié)點(diǎn)之間的間距為3米-6米，并且位于同一水平面內(nèi)。

優(yōu)選地，所述傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為4的倍數(shù)。

優(yōu)選地，所述步驟2)中，利用傳感器節(jié)點(diǎn)定期向外發(fā)射不同頻段的信號，其他傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收該信號，將該傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號強(qiáng)度和信噪比值記為1，并且將其他傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的信號的能量值和信噪比值進(jìn)行歸一化處理，按照傳感器節(jié)點(diǎn)的順序分別形成信號強(qiáng)度數(shù)列與信號信噪比數(shù)列，作為當(dāng)前頻段的該節(jié)點(diǎn)的位置指紋數(shù)據(jù)，形成位置指紋數(shù)據(jù)庫。

優(yōu)選地，該數(shù)據(jù)庫中，vx＝[vf1,vf2,vf3…vfn]代表每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的信號強(qiáng)度的數(shù)列，即該x個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在第f個(gè)序號的頻率時(shí)的位置指紋中的信號強(qiáng)度數(shù)列，x為[1,n]；sx＝[sf1,sf2,sf3…sfn]表示每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的信噪比數(shù)列，即該傳感器節(jié)點(diǎn)的位置指紋中的信號信噪比數(shù)列，f表示頻率的序號，n表示信號接收傳感器節(jié)點(diǎn)的位置序號，其中上述兩個(gè)數(shù)列中第x項(xiàng)記為1。

優(yōu)選地，還可以采用內(nèi)插的方法增加位置指紋數(shù)據(jù)庫的密度。

優(yōu)選地，上述步驟3)中，當(dāng)室內(nèi)有輻射源后，利用各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)掃描測量相應(yīng)頻段內(nèi)的信號頻率(f)、信號強(qiáng)度(v)和信噪比(s)。

優(yōu)選地，上述步驟4)中，先通過信號頻率(f)在位置指紋數(shù)據(jù)庫中尋找最接近的頻段的標(biāo)定數(shù)據(jù)，然后將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)掃描測得的信號強(qiáng)度和信噪比與各個(gè)位置指紋進(jìn)行對比，找到最接近的位置指紋所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置即為該輻射源的位置。

優(yōu)選地，上述將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)掃描測得的信號強(qiáng)度和信噪比與各個(gè)位置指紋進(jìn)行對比的過程可以采用最近鄰法進(jìn)行匹配定位，具體為：掃描測得的信號的強(qiáng)度為v＝[v1,v2,v3…vn]和信噪比測量值為s＝[s1,s2,s3…sn]，

其中，v和s向量為測量值，v和s為位置指紋數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)定值，α為幅度和信噪比權(quán)重，可根據(jù)具體應(yīng)用場景控制幅度方差和信噪比方差對δvsi的影響度，取所有方差的最小值δvsmin，其所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置即為輻射源的匹配位置。

優(yōu)選地上述步驟5)中，根據(jù)上述基于位置指紋的定位算法，確定兩個(gè)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)并且確定一個(gè)該兩個(gè)傳感器所在的與水平面垂直的參考平面，該兩個(gè)最接近的傳感器節(jié)點(diǎn)中的其中一個(gè)即為上述步驟中確定的最接近的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置。然后根據(jù)這兩個(gè)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置指紋數(shù)據(jù)和在該參考平面內(nèi)的具體位置，和測量的位置指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算然后利用公式

和

求解方程組，上述公式中，d12兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的水平坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，輻射源的水平坐標(biāo)位置為(x，y)，兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到輻射源的路徑損耗分別為a1，a2，定義x'＝x1-x2，x1、x2分別是式1中的x的兩個(gè)不同室內(nèi)傳播環(huán)境下的陰影衰落值，x”＝x’/10n。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明能夠利用傳播模型和位置指紋，預(yù)先建立位置指紋數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而通過掃描輻射源的方式，快速計(jì)算該輻射源在室內(nèi)的位置。不但定位準(zhǔn)確，而且比對速度快、可靠。

附圖說明

圖1a為80mhz的單音信號接收點(diǎn)信號強(qiáng)度與接收點(diǎn)與輻射源距離的關(guān)系示意圖，圖1b為800mhz的單音信號接收點(diǎn)信號強(qiáng)度與接收點(diǎn)與輻射源距離的關(guān)系示意圖，圖1c為2.4ghz的單音信號接收點(diǎn)信號強(qiáng)度與接收點(diǎn)與輻射源距離的關(guān)系示意圖，圖1d為4ghz的單音信號接收點(diǎn)信號強(qiáng)度與接收點(diǎn)與輻射源距離的關(guān)系示意圖。

圖2為室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)布點(diǎn)分布示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

在室內(nèi)無線環(huán)境里，信號強(qiáng)度、信噪比都是比較容易測得的電磁特征。lease定位系統(tǒng)通過部署若干wifi熱點(diǎn)，使用wifi熱點(diǎn)定期向外發(fā)射802.11協(xié)議的信號，再通過wifi終端接收802.11協(xié)議的信號。在利用信號場景的定位技術(shù)中，信號強(qiáng)度的樣本數(shù)據(jù)集也被稱為位置指紋或者無線電地圖。本申請?jiān)趯κ覂?nèi)信號傳播建模的基礎(chǔ)上，提出了一種三維位置指紋定位方法，該方法實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)未知輻射源實(shí)施非合作的無源定位，下面將詳細(xì)說明理論依據(jù)和定位方法。

室內(nèi)信號傳播建模：

不同的無線電波模型適用于不同環(huán)境，這些傳播模型都可以歸結(jié)為：

a＝k1+k2logf-k3logh1-k4loghr+10nlogd+x(1)

式中，a為路徑損耗，k1、k2、k3、k4為傳播模型參數(shù)，一般可分別取值36.58、26.16、13.82、6.55，f為載波頻率，hl、hr分別為信號源高度和接收點(diǎn)高度，n為路徑衰減因子，一般取值2.8，x為陰影衰落，一般取值16.3，單位為db。式中，k1、k2、k3、k4、n、x為固定值已給出一般取值，f、hl、hr為測量值需要根據(jù)實(shí)際情況給出。當(dāng)影響電波傳播環(huán)境固定不變時(shí)，上述參數(shù)在環(huán)境較為單一的情況下均為不變因子，路徑損耗a與距離d呈確定的對數(shù)關(guān)系。這個(gè)公式主要為了說明一旦環(huán)境因素確定后，接收信號強(qiáng)度與輻射源距離呈對數(shù)關(guān)系，因此可以提前標(biāo)定信號強(qiáng)度和距離關(guān)系曲線，由測量確定頻段的信號強(qiáng)度，通過對照查表來獲得距離。

為了驗(yàn)證上述理論在室內(nèi)環(huán)境下的傳播特性，本申請以下對80mhz，800mhz，2.4ghz以及4ghz的單音信號輻射源進(jìn)行了信號傳播建模實(shí)驗(yàn)，在室內(nèi)的固定位置放置全的信號輻射源，在不同的距離測量偵收到的信號強(qiáng)度并進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1a、1b、1c和1d所示。圖1a所示為80mhz的單音信號接收點(diǎn)信號強(qiáng)度與接收點(diǎn)與輻射源距離的關(guān)系，圖1b所示為800mhz的單音信號接收點(diǎn)信號強(qiáng)度與接收點(diǎn)與輻射源距離的關(guān)系，圖1c所示為2.4ghz的單音信號接收點(diǎn)信號強(qiáng)度與接收點(diǎn)與輻射源距離的關(guān)系，圖1d所示為4ghz的單音信號接收點(diǎn)信號強(qiáng)度與接收點(diǎn)與輻射源距離的關(guān)系。

根據(jù)上述可知，當(dāng)輻射源距離接收點(diǎn)的距離在3米以內(nèi)時(shí)，由于距離近時(shí)接收點(diǎn)主要接收輻射源的直達(dá)波，因此距離和幅度關(guān)系接近理論方程，接收信號強(qiáng)度和輻射源距離呈理想的對數(shù)關(guān)系，輸入一距離值，即可得到與之對應(yīng)的接收信號場強(qiáng)。當(dāng)輻射源距離接收點(diǎn)大于3米時(shí)，由于多徑效應(yīng)影響，輻射源的反射、衍射和繞射波對信號接收影響較大，因此接收信號強(qiáng)度和輻射源距離對數(shù)關(guān)系減弱，甚至無規(guī)律可循。

因此，本申請的基于傳播模型和位置指紋的三維室內(nèi)無源定位方法，包括以下步驟，1、布點(diǎn)，2、構(gòu)建位置指紋庫，3、掃描全頻段內(nèi)的信號位置指紋，獲取輻射源信號的位置指紋，4、基于位置指紋數(shù)據(jù)庫及其定位算法計(jì)算出該輻射源信號的二維平面空間位置，5、基于傳播模型的三維的空間定位算法計(jì)算出該輻射源信號的高度位置。

首先，布點(diǎn)：根據(jù)室內(nèi)信號傳播建模的結(jié)論，按3-6米間隔布置傳感器節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)房間大小在室內(nèi)布置4、8、16或32個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，最好是呈偶數(shù)個(gè)并且為4的倍數(shù)，如圖2所示，一般僅需要在水平的一個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的布點(diǎn)，如要對信號進(jìn)行三維立體定位，也可在墻面上布置傳感器節(jié)點(diǎn)，形成立方體的分布。并且如圖2所示，在室內(nèi)的某一個(gè)點(diǎn)設(shè)置無線ap用于將傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，并且該無線ap連接至外界的信號處理機(jī)。

構(gòu)建位置指紋庫，傳感器節(jié)點(diǎn)定期向外發(fā)射不同頻段的信號，其他傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收該信號，將該傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號強(qiáng)度和信噪比值記為1，并且將其他傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的信號強(qiáng)度值和信噪比值進(jìn)行歸一化處理，按照傳感器節(jié)點(diǎn)的順序分別形成信號強(qiáng)度數(shù)列與信號信噪比數(shù)列，作為當(dāng)前頻段的該節(jié)點(diǎn)的位置指紋數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器的位置指紋數(shù)據(jù)庫中。例如，布置16個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，位置序號為6的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號時(shí)，位置序號1-5和7-16的傳感器節(jié)點(diǎn)接收信號，測量信號強(qiáng)度和信噪比，將該發(fā)射信號的傳感器的發(fā)射的信號強(qiáng)度和信號信噪比分別記為1，并將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)測得的信號能量和信噪比值歸一化后記錄至數(shù)據(jù)庫中。該記錄格式如表2所示，當(dāng)?shù)趚個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在以第f個(gè)序號的頻率向外發(fā)射信號時(shí)，其中n＝16，vx＝[vf1,vf2,vf3…vfn]，代表每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的信號強(qiáng)度的數(shù)列，即該x個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在第f個(gè)序號的頻率時(shí)的位置指紋中的信號強(qiáng)度數(shù)列，x為[1,n]，sx＝[sf1,sf2,sf3…sfn]表示每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的信噪比數(shù)列，即該傳感器節(jié)點(diǎn)的位置指紋中的信號信噪比數(shù)列，f表示頻率的序號，n表示信號接收傳感器節(jié)點(diǎn)的位置序號，其中上述兩個(gè)數(shù)列中第x項(xiàng)記為1，f為[1,60]。因此，將上述列成表2即可形成位置指紋數(shù)據(jù)庫。在位置指紋數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，還可以利用信號室內(nèi)傳播模型，采用內(nèi)插的方法增加位置指紋數(shù)據(jù)庫的密度。

表2

表2列出的是在不同序號的頻率頻段，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置指紋。位置指紋包括信號強(qiáng)度數(shù)列和信噪比數(shù)列，該兩個(gè)數(shù)列均為歸一化處理后的數(shù)列。

掃描信號位置指紋：當(dāng)室內(nèi)有輻射源后，用室內(nèi)的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在不同的位置掃描測量相應(yīng)頻段內(nèi)信號的頻率f、信號強(qiáng)度v和信噪比s，記為測得的位置指紋，其中該測得位置指紋包括v＝[v1,v2,v3…vn]和s＝[s1,s2,s3…sn]，n表示信號接收傳感器節(jié)點(diǎn)的位置序號。

基于位置指紋的定位算法，將測得的位置指紋與位置指紋數(shù)據(jù)庫中的位置指紋進(jìn)行匹配，匹配位置指紋包含兩部分內(nèi)容，確定頻率和節(jié)點(diǎn)匹配。通過信號頻率f在位置指紋數(shù)據(jù)庫中先尋找最接近的頻段的標(biāo)定數(shù)據(jù)，例如，當(dāng)測量信號頻率為1727mhz時(shí)，可選擇1700mhz標(biāo)定的位置指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，即利用上表中序號為17的那行數(shù)據(jù)。信號的強(qiáng)度測量值為v＝[v1,v2,v3…vn]和信噪比測量值為s＝[s1,s2,s3…sn]，其中最簡單直接的最近鄰法進(jìn)行匹配定位，即通過數(shù)據(jù)庫中的位置指紋與測量得的位置指紋之間的最短歐幾里得距離，求取各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的信號強(qiáng)度和信噪比的方差δvs1…δvsi…δvsn，如式(2)所示。

其中，v和s向量為測量值，v和s為表2中的標(biāo)定值，α為強(qiáng)度和信噪比權(quán)重，一般可取0.5，可根據(jù)具體應(yīng)用場景控制幅度方差和信噪比方差對δvsi的影響度，取所有方差的最小值δvsmin，其所對應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)位置即為輻射源信號的匹配位置。在這里也可以根據(jù)實(shí)際情況選擇其他定位算法，例如樸素貝葉斯法等。主要是從位置指紋數(shù)據(jù)庫中確定與測量的位置指紋最接近的數(shù)據(jù)，進(jìn)而該位置指紋所對應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置即為輻射源信號的匹配位置。

基于傳播模型的三維空間定位算法，普通的室內(nèi)環(huán)境是一個(gè)三維空間，在完成基于位置指紋定位算法后，可獲得二維平面空間的位置，但無法獲取輻射源在室內(nèi)的高度。當(dāng)輻射源距離傳感器節(jié)點(diǎn)在3-4米以內(nèi)時(shí)可通過接收信號場強(qiáng)反推獲得輻射源距離。一般普通房間的單層層高為3米左右，恰好滿足此結(jié)論的應(yīng)用條件，因此可以基于傳播模型通過最近兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的信號場強(qiáng)幅度反推輻射源距離進(jìn)行交叉定位。

先可以根據(jù)上述基于位置指紋的定位算法，確定兩個(gè)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)并且確定一個(gè)該兩個(gè)傳感器所在的與水平面垂直的參考平面，該兩個(gè)最接近的傳感器節(jié)點(diǎn)中的其中一個(gè)即為上述步驟中確定的最接近的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置。然后根據(jù)這兩個(gè)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置指紋數(shù)據(jù)和在該參考平面內(nèi)的具體位置，和測量的位置指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)傳播模型公式(1)，假設(shè)兩個(gè)不同位置的傳感器節(jié)點(diǎn)都能夠收到同一信號源發(fā)射的信號，且兩傳輸路徑有相同的傳播模型參數(shù)，設(shè)兩個(gè)接收天線到輻射源的路徑損耗分別為a1，a2，則兩路徑接收信號損耗差值為

式中，d1，d2為輻射源到接收天線1，2的距離，定義x'＝x1-x2，x1、x2分別是式1中的x的兩個(gè)不同室內(nèi)傳播環(huán)境下的陰影衰落值，如果是相同室內(nèi)傳播環(huán)境則x1＝x2，則

式中，反映陰影衰落的隨機(jī)變量x”＝x’/10n是零均值的高斯隨機(jī)分布。假設(shè)輻射源在參考平面中的位置坐標(biāo)為(x,y)，兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在參考平面中的的位置坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y1)，其中x＝x1，y1＝y(tǒng)2，則由式(3)可以得到

對式(4)、(5)整理得

式中，d12為兩接收天線之間的距離。于是兩個(gè)位置的接收天線之間的接收信號場強(qiáng)差就可以確定一個(gè)方程，求解上述公式4、5和6構(gòu)成的方程組，就可以求得輻射源的坐標(biāo)y，就可以得到該輻射源的高度位置，即可得到輻射源的室內(nèi)空間的三維坐標(biāo)。

綜上所述，通過基于位置指紋的定位算法確定輻射源室內(nèi)平面位置，通過基于傳播模型定位方法確定輻射源室內(nèi)的高度，兩種方法的結(jié)合可獲得輻射源室內(nèi)三維空間位置。