CN103209476A - 基于信号强度消除多径干扰实现准确室内定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于信号强度消除多径干扰实现准确室内定位的方法，该方法通过对叠加系统建立了模型，并由此建立一个方程组来求解室内定位中真实发射端到接收端的距离。本方法基于接收端能量进行了室内定位，既利用了基于能量定位对硬件要求较少的特点又解决了基于能量方法准确性不足的问题。

Description

基于信号强度消除多径干扰实现准确室内定位的方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位技术，具体涉及一种基于信号强度消除多径干扰实现准确室内定位的方法。

背景技术

随着目标定位技术的发展，目标的定位已经由古老的根据经验和地图定位发展到了目前先进的GPS卫星定位技术。在实际应用中，已经可以达到全球的定位误差小于10m从而在军事，民用，航天等很多领域发挥着重要的作用。但是，GPS在室内的定位中具有明显的缺陷。由于建筑的外壳层干扰了GPS卫星信号的传输，所以在室内环境中会收不到GPS信号，或者GPS定位的误差会很大。室内定位技术是为了解决这一问题而提出来的。目前的室内定位方法主要包括信号强度定位方法，到达角度定位方法和到达时间定位方法。

到达角度定位方法是根据信号到达的角度进行定位的。首先在室内的屋顶上面设置3个智能天线。当一个定位目标进入定位区域，3个智能天线开始测量定位目标所发出信号的到达角度。经过角度的整合，室内定位系统将会获知目标在感知区域里面的位置以达到定位的目的。基于到达角度的定位方法有3个不足。首先，可以感知无线电到达角度的天线是非常昂贵的。这并不有利于大规模室内定位系统的铺设和普及。其次，基于角度的室内定位系统仍然克服不了多径效应的影响。经过墙壁或者桌面等多种反射面的反射，信号将会分成多跳路径进行传输。而在接收端，不能够识别哪一条路径就是直线到达的路径。所以，定位的准确度将会大大的下降。最后，目前的可以测量角度的智能天线占地面积大，不适合在室内环境中安装。

接着是基于到达时间的定位方法。该方法利用信号的传输时间进行测量距离。并根据测量出来的距离进行定位。这种方法在水下的声纳系统中的具有广泛的应用。这是由于水下的特殊环境和声音独特的性质决定的。在水下环境中声音很稀少随意很容易辨别出目标声音。而且声音的速度为340m/s。所以可以通过反射的形式完成水下的目标的定位。但是，在室内环境中声音比较嘈杂，很难分别出目标声音。所以，有的工作在室内环境中利用电磁波的到达时间来进行测距。我们知道，电磁波的传播速度为3×10e8m/s。在室内短暂的传输距离中，由于电磁波的传播速度很快，所以我们很难判别出电磁波的传输时间。所以，该方法有局限性。另外，基于到达时间的定位方法的硬件开销比较大，难以形成大规模的普及。

还有一种比较传统的方法，就是利用信号的强度测量电磁波的传输距离。并根据这些传输距离寻找到目标的位置。电磁波在传播过程中会经历能量的衰减。衰减将会以一定的规律进行。室内定位系统就是根据衰减后的信号能量去反向判断信号走过的距离。接着根据这些距离来反推出目标的位置。但是，这种信号强度的方法在室内环境中，误差非常大。这主要也是因为多径效应的影响。因为，各种反射面的原因，直线信号传输将会分成很多路传输。最后这些路径在接收端叠加在一起，信号的能量将会大大改变。依据信号能量进行测距的能量定位方法将会非常不准确。这导致，很少有室内定位系统使用该方法。不过，能量定位方法具有独到的优点，这是因为能量定位方法仅仅利用信号的能量，对硬件没有特别的要求。目前铺设的wifi系统已经足以满足其硬件要求。

发明内容

本发明针对现有室内定位技术所存在的问题，而提供一种基于接收端能量在室内准确定位的方法。本方法基于接收端能量进行了室内定位，既利用了基于能量定位对硬件要求较少的特点又解决了基于能量方法准确性不足的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

基于信号强度消除多径干扰实现准确室内定位的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤（1）：利用空间内部电磁波信号衰减模型建立接收端接受信号强度的直射路径模型和反射路径模型；

步骤（2）：如果为直射路径模型，将采用接受能量与距离的平方成反比，与信号波长的平方成正比的方式来建立模型；如果为反射路径模型，采用接受能量与距离的平方成反比，与信号波长的平方成正比，与反射面的反射衰减系数成正比的方式来建立模型；

步骤（3）：利用建立完成的一条直射路径和多条反射路径完成接收端向量的叠加关系，形成相应的向量叠加模型，并得出模型所代表的接收端的接受能量；

步骤（4）：调整不同的信号传输信道，按照步骤（1）至（3）建立不同波长下的直射路径和多条反射路径的向量叠加模型，并得出每个模型所代表的接收端接受能量；

步骤（5）：结束模型建立工作，在实际的测量中调整不同的信号传输信道，以此改变信号的波长，测量并记录每一个波长下，路径的实际接受端能量；根据得到的接受端能量与直射距离，反射距离和反射系数之间的关系计算得到定位所需的发射点与接收点之间的直射距离；

步骤（6）：根据步骤（5）得出的发射点与接收点之间的直射距离，搭建一个由三个发射点和至少一个接受节点组成的室内定位系统；利用接收点和三个已知位置的发射点的距离，可以搭建出一个室内定位系统，进行精确定位。

根据上述方案得到的定位方法通过叠加系统建立模型，并由此建立一个方程组来求解室内定位中真实发射端到接收端的距离，可以克服室内环境中，反射路径的信号对直射路径信号所造成的叠加带来的干扰。同时，本方法基于接收端能量进行了室内定位，既利用了基于能量定位对硬件要求较少的特点又解决了基于能量方法准确性不足的问题。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明涉及定位系统的结构框图；

图2为本发明中直射路径与反射路径叠加示意图；

图3为本发明中三点定位系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明提供的方案基于信号强度消除多径干扰，以此来实现准确室内定位。这种方法在室内定位中完全解决了现有信号强度室内定位方法准确性不足的问题。在降低成本的同时，本方法将会具有较高的目标位置分辨能力。

本发明提供的方案基于一定位系统实施，该系统的结构框图如图1所示，该定位系统由三部分组成：

第一部分为天线功率、增益的识别和测量部分101，该部分用于识别和测量天线的发射功率、接收功率和天线增益。该部分主要由通过三方面来获得相关信息：1是硬件说明书；2是与其他硬件结果进行对比；3是在吸波环境中测量。

第二部分为信号强度测量部分102，进行跳频测量信号强度。该部分通过改变信号来进行信号强度的测量。

第三部分为，对测量后的信号强度进行整合和相应的计算。该部分主要是根据第二部分得到的测量结果，形成相应与直射距离，反射距离和反射系数之间相关的非线性方程组，对其进行求解，并根据求解结果形成三角定位，并将定位结果进行显示。

据此，本发明实现准确室内定位的过程如下：

A1、首先获得硬件设备所携带的天线测量其发射增益，接受增益和天线增益参数。如图1所示，这些参数测量的方法有3种，第一种为根据厂家提供的硬件说明书，完成这三项性能指标的获得。第二种，是根据实际的测量，来获得。实际测量为，根据已知示波器进行比对来判别出发射增益和接受增益和天线的增益。第三种，为根据在无线电吸波室来根据发射天线与接受天线在1，2，3m的距离所获得的信号强度值与电磁波衰减理论值进行比对来获得发射增益接受增益和天线增益。

A2、利用空间内部电磁波信号衰减模型建立接收端接受信号强度的直射路径模型和反射路径模型；其中，直射路径模型，将采用接受能量与距离的平方成反比，与信号波长的平方成正比的方式来建立模型；反射路径模型，采用接受能量与距离的平方成反比，与信号波长的平方成正比，与反射面的反射衰减系数成正比的方式来建立模型。

具体的，直射路径接受信号强度模型为：

$\left|\stackrel{\→}{p}\right|=\frac{P_t{G}_t{G}_r{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\πd}\right)}^2}---\left(1\right)$

反射路径的接受信号强度模型为：

$\left|\stackrel{\→}{p}\right|=\mathrm{\Γ}\frac{P_t{G}_t{G}_r{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\πd}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，P_t是发送功率，G_t是发送天线增益，G_r是接受天线增益，λ是电磁波的波长。d为传输路径的长度。Γ为反射系数。

A3、利用直射路径接受信号强度模型和反射路径的接受信号强度模型建立一条直射路径与多条反射路径在接收端的叠加模型。

由图2所示，发射端发出的信号通过中间一条的直射路径与多条反射路径在接收端叠加在一起。形成公式

$p(x,{\mathrm{\λ}}_j)=\left|\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{p}}_i\right|---\left(3\right).$

开始不断的改变发送信号的信道，在每一个信号信道中测量出相应的信号强度。由于不同的信道对应于不同的波长，这样在信道j下对应的信号传输波长λ_j下，接收端的接受信号强度为P(x,λ_j)。根据这些接收到的信号强度，将可以获得一个方程组：

$\left\{\begin{array}{c}P(x,{\mathrm{\λ}}_1)=\left|\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{p}}_1\right|\\ P(x,{\mathrm{\λ}}_2)=\left|\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{p}}_2\right|\\ ...\\ P(x,{\mathrm{\λ}}_n)=\left|\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{p}}_n\right|\end{array}\right.---\left(4\right)$

A4、接下来对公式4进行求解。由于有些硬件设备可以获得很多个信道，以此对应很多个可以发送的信号波长。这样该方程组的元数可以任意的加大，而自变量的个数比如直射距离，反射距离和反射系数都是不会改变的。最终可以解出用户定位所需求的直射距离，另外还有反射距离，反射系数等结果以供参考。

求解之前，首先确定有多少参数需要求解。由于硬件支持的信道数会有很多，在理论上不存在未知数比方程组元数少的问题，所以公式4关注的问题在于减少系统的计算量。在求解非线性方程组的方法中，每多解出一个反射路径的长度和反射系数都将会大大的增加系统的计算复杂度。所以，不能因为需要提高直射距离d的准确性而无限的增加系统的计算复杂度。也不能因为为了无限的缩小计算复杂度而完全牺牲准确性。所以，在兼顾计算精度和计算复杂度的情况，折中的方法为，假设房间里面的发射路径个数小于5个，在计算中取5个对系统影响最大的反射路径进行计算，其余的反射路径将会忽略不计。

A5、接着选择一种非线性方程组的解法，对方程组（4）进行求解。推荐的解法有模拟退火解法、全局优化解法和牛顿解法。

A6、如图3所示，在室内环境中另外布置2个已知自己位置的固定节点；根据重复步骤A1～A5，算得这2个已知自己位置节点相对于目标的距离；接着利用图3所示的传统的三点定位方法，得出目标的位置。

由上可知，本室内定位方法利用记录不同频率或者信道或者信号传输波长下的接受端接收信号强度来进行可以消除多径干扰的，准确求出直射距离的室内定位系统。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.基于信号强度消除多径干扰实现准确室内定位的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤（1）：利用空间内部电磁波信号衰减模型建立接收端接受信号强度的直射路径模型和反射路径模型；

步骤（2）：如果为直射路径模型，将采用接受能量与距离的平方成反比，与信号波长的平方成正比的方式来建立模型；如果为反射路径模型，采用接受能量与距离的平方成反比，与信号波长的平方成正比，与反射面的反射衰减系数成正比的方式来建立模型；

步骤（3）：利用建立完成的一条直射路径和多条反射路径完成接收端向量的叠加关系，形成相应的向量叠加模型，并得出模型所代表的接收端的接受能量；

步骤（4）：调整不同的信号传输信道，按照步骤（1）至（3）建立不同波长下的直射路径和多条反射路径的向量叠加模型，并得出每个模型所代表的接收端接受能量；

步骤（5）：结束模型建立工作，在实际的测量中调整不同的信号传输信道，以此改变信号的波长，测量并记录每一个波长下，路径的实际接受端能量；根据得到的接受端能量与直射距离，反射距离和反射系数之间的关系计算得到定位所需的发射点与接收点之间的直射距离；

步骤（6）：根据步骤（5）得出的发射点与接收点之间的直射距离，搭建一个由三个发射点和至少一个接受节点组成的室内定位系统；利用接收点和三个已知位置的发射点的距离，可以搭建出一个室内定位系统，进行精确定位。

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