CN103308934B - 一种利用wifi反射信号实现室内移动人员定位的方法 - Google Patents

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严鹏
史颂华
陈宇贤
张庆
赵冰
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Abstract

本发明公开了一种利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,使用WIFI发射源和被动双基地雷达,其中WIFI发射源作为被动双基地雷达的非合作照射源,通过对WIFI发射源发射的直达WIFI信号和移动人员人体反射的反射WIFI信号进行对比计算,得到反射WIFI信号的多普勒频移,从而计算出移动人员相对于该被动双基地雷达的移动速度、方向和距离实现相对定位,并且被动双基地雷达通过其包含的导航定位模块和罗经获得其自身的卫星定位信息从而通过坐标转换得到被测移动人员的卫星定位信息。本发明能够对室内移动人员进行识别、定位、监测,并且本发明定位方法使用的设备简单,方便易用,成本低廉。

Description

一种利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线电通信与被动双基地雷达定位技术,尤其涉及一种利用WIFI反 射信号实现室内移动人员定位的方法。
背景技术
[0002] 目前的室内探测人员移动的监测设备主要是主动雷达、RFID定位、GPS+惯导、太 赫兹成像以及WIFI信号强度检测进行室内检测与定位。但是现有技术的几种定位方法都 有一些缺陷,RFID、GPS+惯导和WIFI信号强度定位都需被监测者携带专用设备进行定位, 然后将定位信息发送至监测设备才能实现移动监测与定位,主动雷达和太赫兹成像则需监 测设备主动发射检测信号,根据反射回波进行目标的探测。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,能够对室 内移动人员进行识别、定位、监测,并且本发明定位方法使用的设备简单,方便易用,成本低 廉。
[0004] 本发明采用如下技术方案实现:
[0005] 一种利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,使用WIFI发射源和被动 双基地雷达,所述被动双基地雷达包含CPU和分别与CPU连接的导航定位模块、罗经、触摸 屏、输入装置、两组信号输入模块,与导航定位模块连接的天线,以及分别与以上各模块连 接为其供电的电源模块;其中一组信号输入模块为直波输入模块,其包含依次连接的直波 接收天线、直波接收通道、直波A/D数据采集通道;另一组信号输入模块为回波输入模块, 其包含依次连接的回波接收天线、回波接收通道、回波A/D数据采集通道,直波A/D数据采 集通道和回波A/D数据采集通道分别与CPU连接;其中所述定位方法包含以下步骤:
[0006] 步骤1,在室内分别设置WIFI发射源、被动双基地雷达,WIFI发射源为被动双基地 雷达的非合作照射源;
[0007] 步骤2,WIFI发射源向外发射WIFI信号,WIFI信号传播到移动人员身上发生反 射;
[0008] 步骤3,被动双基地雷达的直波接收天线接收WIFI发射源发出的直达WIFI信号, 被动双基地雷达的回波天线接收由WIFI发射源发出并经移动人员反射的反射WIFI信号, 直达WIFI信号经过直波接收通道和直波A/D数据采集通道送入CPU;反射WIFI信号经过 回波接收通道和回波A/D数据采集通道送入CPU;
[0009] 步骤4,CPU对直达WIFI信号和反射WIFI信号进行对比计算,得到人体反射WIFI 信号的多普勒频移,从而计算出人员相对于该被动双基地雷达的移动速度、方向和距离实 现相对定位;
[0010] 步骤5,导航定位模块将该被动双基地雷达的卫星定位信息送入CPU,罗经将该被 动双基地雷达的罗经数据送入CPU,CPU根据卫星定位信息和罗经数据对计算得到的人员 的相对速度、方向、距离数据进行坐标转换,从而得到被测人员的卫星定位信息,并在触摸 屏上显示。
[0011] 上述的利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,其中所述步骤1中设置 的被动双基地雷达,其直波接收天线为窄波束天线,该直波接收天线对准WIFI发射源。
[0012] 上述的利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,其中所述步骤1中设置 的被动双基地雷达,其回波接收天线为全向天线,该回波接收天线的信号接收范围覆盖定 位监控区域。
[0013] 上述的利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,其中所述步骤4还包 含:
[0014] 步骤4. 1,根据WIFI发射源、移动人员、被动双基地雷达的位置几何关系,利用余 弦定理可以得到移动人员相对于被动双基地雷达的方向和距离:
[0015]
Figure CN103308934BD00051
[0016] 其中,L为基线距离,其为WIFI发射源与被动双基地雷达之间连线的长度;双基地 角0为以移动人员为顶点,WIFI发射源和移动人员的连线与被动双基地雷达和移动人员 的连线之间的夹角;为移动人员与WIFI发射源之间的距离,为移动人员与被动双 基地雷达之间的距离;4为移动人员相对被动双基地雷达的仰角;R为WIFI发射源到移 动人员的距离与移动人员到被动双基地雷达的距离之和,及=+Z,c为光速, 心为反射WIFI信号到达被动双基地雷达与直达WIFI信号直接到达被动双基地雷达的时 间差;
[0017] &通过直波接收天线和回波接收天线测得;基线距离L通过测量直达WIFI信号 的延迟获得;
[0018] 步骤4. 2,根据被动双基地雷达的多普勒频移为波长X归一化的散射信号的总路 径长度随时间的变化率,
[0019]
Figure CN103308934BD00052
[0020] 得到当WIFI发射源和被动双基地雷达静止不动时,只由移动人员运动引起的多 普勒频移^为:
[0021]
Figure CN103308934BD00053
[0022] 其中S为移动人员运动的方向与双基地角0平分线的夹角。
[0023] 本发明具有以下积极效果:
[0024] 本发明由于使用室内常用的WIFI发射源作为被动双基地雷达的非合作照射源, 不需安装专用的照射源设备;并且本发明通过对WIFI发射源发射的直达WIFI信号和经移 动人员人体反射的反射WIFI信号进行对比计算进行定位,被测移动人员不需携带专用设 备,因此本发明定位方法使用的设备简单,成本低廉;本发明通过计算移动人员人体的反射 WIFI信号相对WIFI发射源发射的直达WIFI信号的多普勒频移实现对移动人员相对于被动 双基地雷达的识别、定位、测速、测向,由于本发明使用被动双基地雷达,其包含有导航定位 模块、罗经,因此本发明能够将移动人员的相对定位信息转换为卫星定位信息,因此本发明 定位方法方便易用。
附图说明
[0025] 图1为本发明一种利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法的流程图;
[0026] 图2为本发明一种利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法的被动双基 地雷达结构示意图;
[0027] 图3为本发明一种利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法的几何位置 示意图。
具体实施方式
[0028] 以下结合附图,通过详细说明一个较佳的具体实施例,对本发明做进一步阐述。
[0029] 本发明一种利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,采用WIFI发射源 和被动双基地雷达对室内移动人员进行定位。如图1所示,本发明包含以下步骤:
[0030] 步骤1,在室内分别设置WIFI发射源、被动双基地雷达。其中WIFI发射源作为被 动双基地雷达的非合作照射源,其可以采用市售的各种WIFI无线发射设备。
[0031] 如图2所示为被动双基地雷达的结构示意图,其包含分别CPU和分别与CPU连接 的导航定位模块、罗经、触摸屏、输入装置、两组信号输入模块,与导航定位模块连接的天 线,以及分别与以上各模块连接为其供电的电源模块(附图中未标出)。输入装置可以通过 其将相关参数输入被动双基地雷达。两组信号输入模块的其中一组为直波输入模块,其包 含依次连接的直波接收天线、直波接收通道、直波A/D数据采集通道;另一组信号输入模 块为回波输入模块,其包含依次连接的回波接收天线、回波接收通道、回波A/D数据采集通 道,直波A/D数据采集通道和回波A/D数据采集通道分别与CPU连接。直波接收天线为窄 波束天线,该直波接收天线对准WIFI发射源;回波接收天线为全向天线,该回波接收天线 的信号接收范围覆盖定位监控区域。CPU是被动双基地雷达的核心。导航定位模块可以是 GPS模块、格洛纳斯全球卫星定位模块GLONASS或北斗接收机,能够标定该被动双基地雷达 的卫星定位信息。罗经是标定该被动双基地雷达朝向的模块,可以测出其放置位置与正北 方向的夹角。电源模块可以是电池或交流电源,当选用便携式被动双基地雷达时可以使用 电池为被动双基地雷达供电,当选用固定式被动双基地雷达时可以使用交流电源为被动双 基地雷达供电。
[0032] 步骤2,WIFI发射源向外发射WIFI信号,WIFI信号传播到移动人员身上发生反射。
[0033] 步骤3,被动双基地雷达的直波接收天线接收WIFI发射源发出的直达WIFI信号, 被动双基地雷达的回波天线接收由WIFI发射源发出并经移动人员反射的反射WIFI信号, 直达WIFI信号经过直波接收通道和直波A/D数据采集通道送入CPU;反射WIFI信号经过 回波接收通道和回波A/D数据采集通道送入CPU。
[0034] 步骤4,CPU对直达WIFI信号和反射WIFI信号进行对比计算,得到人体反射WIFI 信号的多普勒频移,从而计算出移动人员相对于该被动双基地雷达的移动速度、方向和距 离实现相对定位。
[0035] 具体计算方法如下:
[0036] 如图3所示,WIFI发射源T与被动双基地雷达P之间的连线为基线,其长度为基线 距离L。以移动人员S为顶点,WIFI发射源T和移动人员S的连线与被动双基地雷达P和 移动人员S的连线之间的夹角为双基地角0。移动人员S与WIFI发射源T之间的距离为 化,移动人员S与被动双基地雷达P之间的距离为化,移动人员S相对WIFI发射源T的 方位角为得,其仰角为&,移动人员S相对被动双基地雷达P的方位角为%,其仰角为& 〇
[0037] 根据WIFI发射源T、移动人员S、被动双基地雷达P的位置几何关系,利用余弦定 理可以得到移动人员相对于被动双基地雷达的方向和距离:
[0038]
Figure CN103308934BD00071
[0039] 其中是WIFI发射源T到移动人员S的距离与移动人员S到被动双基地雷达P的 距离之和,eZ,c为光速,Af为反射WIFI信号到达被动双基地雷达P与 直达WIFI信号信号直接到达被动双基地雷达P的时间差;&可以通过直波接收天线和回 波接收天线测得;基线距离L可以通过测量直达WIFI信号的延迟获得。
[0040] 根据被动双基地雷达的多普勒频移/3定义为波长A归一化的散射信号的总路径 长度随时间的变化率,即:
[0041]
Figure CN103308934BD00072
[0042] 当WIFI发射源T和被动双基地雷达P静止不动时,只考虑移动人员S的运动,可 以得到只由移动人员S运动引起的多普勒频移么为:
[0043]
Figure CN103308934BD00073
[0044] 其中S为移动人员运动的方向与双基地角0平分线的夹角。
[0045] 步骤5,导航定位模块将该被动双基地雷达的卫星定位信息送入CPU,罗经将该被 动双基地雷达的罗经数据送入CPU,CPU根据卫星定位信息和罗经数据对计算得到的移动 人员的相对速度、方向、距离数据进行坐标转换,从而得到被测移动人员的卫星定位信息, 并在触摸屏上显示。
[0046] 综上所述,本发明使用室内常用的WIFI发射源作为被动双基地雷达的非合作照 射源,不需安装专用的照射源设备;并且本发明通过对WIFI发射源发射的直达WIFI信号和 经移动人员人体反射的反射WIFI信号进行对比计算进行定位,被测移动人员不需携带专 用设备,因此本发明定位方法使用的设备简单,成本低廉;本发明通过计算移动人员人体的 反射WIFI信号相对WIFI发射源发射的直达WIFI信号的多普勒频移实现对移动人员相对 于被动双基地雷达的识别、定位、测速、测向,由于本发明使用被动双基地雷达,其包含有导 航定位模块、罗经,因此本发明能够将移动人员的相对定位信息转换为卫星定位信息,因此 本发明定位方法方便易用。
[0047] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1. 一种利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,其特征在于,所述定位方法 包含以下步骤: 步骤1,在室内分别设置WIFI发射源、被动双基地雷达,WIFI发射源为被动双基地雷达 的非合作照射源; 所述被动双基地雷达包含CPU和分别与CPU连接的导航定位模块、罗经、触摸屏、输入 装置、两组信号输入模块,与导航定位模块连接的天线,以及分别与以上各模块连接为其供 电的电源模块; 其中一组所述信号输入模块为直波输入模块,其包含依次连接的直波接收天线、直波 接收通道、直波A/D数据采集通道;其中另一组所述信号输入模块为回波输入模块,其包含 依次连接的回波接收天线、回波接收通道、回波A/D数据采集通道,直波A/D数据采集通道 和回波A/D数据采集通道分别与CPU连接; 步骤2,WIFI发射源向外发射WIFI信号,WIFI信号传播到移动人员身上发生反射; 步骤3,被动双基地雷达的直波接收天线接收WIFI发射源发出的直达WIFI信号,被动 双基地雷达的回波天线接收由WIFI发射源发出并经移动人员反射的反射WIFI信号,直达 WIFI信号经过直波接收通道和直波A/D数据采集通道送入CPU;反射WIFI信号经过回波接 收通道和回波A/D数据采集通道送入CPU; 步骤4,CPU对直达WIFI信号和反射WIFI信号进行对比计算,得到人体反射WIFI信号 的多普勒频移,从而计算出移动人员相对于该被动双基地雷达的移动速度、方向和距离实 现相对定位; 步骤5,导航定位模块将该被动双基地雷达的卫星定位信息送入CPU,罗经将该被动双 基地雷达的罗经数据送入CPU,CPU根据卫星定位信息和罗经数据对计算得到的移动人员 的相对速度、方向、距离数据进行坐标转换,从而得到被测移动人员的卫星定位信息,并在 触摸屏上显示; 所述步骤4还包含: 步骤4. 1,根据WIFI发射源、移动人员、被动双基地雷达的位置几何关系,计算得到移 动人员相对于被动双基地雷达的方向和距离:
Figure CN103308934BC00021
其中,L为WIFI发射源与被动双基地雷达之间连线的长度;双基地角0为以移动人员 为顶点,WIFI发射源T和移动人员S的连线与被动双基地雷达和移动人员的连线之间的夹 角;为移动人员与WIFI发射源之间的距离,为移动人员与被动双基地雷达之间的 距离;4为移动人员相对被动双基地雷达的仰角;R为WIFI发射源到移动人员的距离与移 动人员到被动双基地雷达的距离之和,i?=化=eAl+i,c为光速,Ai为反射WIFI信 号到达被动双基地雷达与直达WIFI信号直接到达被动双基地雷达的时间差; 4通过直波接收天线和回波接收天线测得;基线距离L通过测量直达WIFI信号的延 迟获得; 步骤4. 2,被动双基地雷达的多普勒频移厶为波长X归一化的散射信号的总路径长 度随时间的变化率,
Figure CN103308934BC00031
得到当WIFI发射源和被动双基地雷达静止不动时,只由移动人员运动引起的多普勒 频移A为:
Figure CN103308934BC00032
其中S为移动人员运动的方向与双基地角0平分线的夹角。
2. 如权利要求1所述的利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,其特征在 于,所述步骤1中设置的被动双基地雷达,其直波接收天线为窄波束天线,该直波接收天线 对准WIFI发射源。
3. 如权利要求1所述的利用WIFI反射信号实现室内移动人员定位的方法,其特征在 于,所述步骤1中设置的被动双基地雷达,其回波接收天线为全向天线,该回波接收天线的 信号接收范围覆盖定位监控区域。
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