CN106931973A - 基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统及方法，包括待定位标签节点、至少三个不在同一条直线上的锚节点和导航定位显示终端；所述标签节点、锚节点以及导航定位显示终端具有数据双向通信功能，所述标签节点与锚节点能够发射和接收非线性调频脉冲信号并且具有数字信号处理能力，对接收到的脉冲信号进行自相关运算。本发明采用了非线性调频HFM、SFM、QFM或者EFM等脉冲信号，通过设置大的带宽，可以获得高的时间分辨率，从而提高了定位的精度，并且HFM信号具有极高的抗多普勒频偏的特性，提升了系统对高速动态导航的能力。

Description

基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统及方法

技术领域

本发明属于无线传感器技术与电子通信系统领域，涉及一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位方案。

背景技术

全球定位系统(GPS)的成功应用使人们对定位服务的需求日益增多，然而在室内环境下，由于卫星信号具有穿透能力差，难以穿透高大的建筑物，传播受到建筑物严重干扰，因而无法在室内正常工作，GPS定位的精度不能满足应用要求。近年来，随着无线网络的普及和室内定位技术的发展，基于位置的服务(Location Based Service--LBS)受到越来越多的关注；例如在紧急救助、医疗保健、个性化信息传递等领域显示出巨大的活力。无线传感器网络节点定位的目的就是通过对接收到的无线电波进行相关参数测量，再根据特定算法给出各节点在平面或空间中的绝对或相对坐标。

于是人们开始寻找替代方案以满足室内环境下无线定位的需求，红外、超声波、蓝牙、无线射频识别(RFID)技术、zigbee室内定位技术、超宽带定位技术(UWB)、线性调频(LFM)定位技术等是室内环境下几种常用的无线定位技术。

综上所述，现有的室内定位技术存在如下缺陷：基于TOA的定位方法需要系统严格时间同步，因为定位误差较大；由于复杂环境下多径效应非常严重，使得获取的TOA存在较大的误差，无法准确获取信号的首达径；基于LFM(线性调频)信号的定位方法，由于信号体制本身不具有抗多普勒频偏特性，在高速动态定位中精度不高；需要较多的参考节点，从而具有较高的成本和功耗。

发明内容

本发明针对现有技术存在多径环境中高速动态定位精度不高、多径效应存在较大误差的缺陷，提出了一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位方法。

本发明所述一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统，包括待定位标签节点、至少三个不在同一条直线上的锚节点和导航定位显示终端；

所述标签节点、锚节点以及导航定位显示终端具有数据双向通信功能，所述标签节点与锚节点能够发射和接收非线性调频脉冲信号并且具有数字信号处理能力，对接收到的脉冲信号进行自相关运算。

所述标签节点和锚节点之间采用基于SDS-TWR进行测量信号到达时间的方法；同时统计每条路径上TOA的分布特性，判断该路径上是否存在多径效应；然后利用卡尔曼滤波对TOA数据进行优化处理，获取有效的TOA数据；通过在多径环境下对原始回波信号进行CLEAN算法处理，获得信号的首达径TOA；锚节点或者标签节点把获取的有效数据通过无线通信协议发送给显示终端，显示终端先对数据进行预处理，通过最小二乘定位算法并且结合地图匹配算法实时动态显示出标签所在的位置，显示定位结果；SDS-TWR即对称双面双向测距；TOA即信号到达时间。

所述的标签节点和锚节点发射的为非线性调频脉冲信号，包括：双曲线调频脉冲信号、正弦调频脉冲信号、二次调频脉冲信号或者指数调频脉冲信号；双曲线调频即HFM，正弦调频即SFM，二次调频即QFM，指数调频即EFM；

其中：HFM信号的时域表达式为：

其中A表示幅度，T表示周期，t表示时间，μ表示调制参数，f₀表示中心频率；

HFM信号的瞬时频率表达式是：

f_H(t)＝μ/(t+μ/f₀) (2)

SFM信号的瞬时频率表达式是：

f_S(t)＝α sin(2πωt) (3)

α表示调制参数，ω表示角频率，

QFM信号的瞬时频率表达式是：

f_Q(t)＝t²+at+b (4)

a、b为调制参数，

EFM信号的瞬时频率表达式是：

f_E＝ke^t+l (5)

k表示调制参数，l表示调制参数，

对于低速动态定位系统中选择上述介绍的几种非线性调频脉冲信号；对于高速动态定位系统中采用HFM脉冲信号；

作为具有多普勒不变性信号，信号的瞬时频率需要满足以下条件：

f(t)＝f_d(t-t₀) (6)

t₀表示时延；

其中f_d(t)是由于多普勒扩展以后接收信号的瞬时频率，对于HFM信号而言

f_d(t)＝μ/(t-τ+μ/sf₀) (7)

其中是信号的时延TOA；是高速运动的物体的多普勒扩展因子；当时，式(6)f(t)＝f_d(t-t₀)成立，故此HFM信号具有多普勒不变性。

所述卡尔曼滤波对TOA数据进行优化处理，其中标签节点和锚节点发射的非线性调频脉冲信号s(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

h(t)＝s^*(t₀-t) (8)

t表示时间，t₀表示时延；

对非线性调频脉冲进行匹配滤波处理实现脉冲压缩的功能，脉压以后的信号为：

y(t)＝s(t)*h(t)＝ifft(S(ω)S^*(-ω))；S(ω)＝fft(s(t)) (9)

S(ω)为傅里叶变换后的频域表达式，S(-ω)表示S(ω)的共轭表达式；

通过寻找脉压以后波形最大值所在的位置，即获得回波信号的延时TOA；

所述在多径环境下对原始回波信号进行CLEAN算法处理，获得信号的首达径TOA，该方法的流程包括以下步骤：

Step1.对原始回波数据进行脉冲压缩处理，得到并且记录下来处理后数据的最大峰值以及最大峰所处的位置，该位置作为某条路径下的TOA；

Step2.将记录的峰值以及TOA信息作为某个目标的回波，利用发送的原始非线性调频信号重构该目标下的回波，并且在原始回波信号中去掉该目标的回波，作为更新以后的目标回波；

Step3.对剩余的回波信号进行脉冲压缩处理，并且判断处理后的最大峰值是否超过预先设置的阈值：倘若超过阈值，把剩余回波信号作为原始回波信号，并转入步骤Step1；没有超过阈值则转入步骤Step4；

Step4.在上述步骤记录的所有TOA中找到最小值，作为该路径下的首达径TOA数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在定位信号体制方面，采用了非线性调频HFM、SFM、QFM或者EFM等脉冲信号，通过设置大的带宽，可以获得高的时间分辨率，从而提高了定位的精度，并且HFM信号具有极高的抗多普勒频偏的特性，提升了系统对高速动态导航的能力；在定位算法方面，采用了SDS-TWR定位方法，在减小同步误差的同时也减小了因为系统同步带来的硬件复杂度；在频谱搜寻算法方面，采用了CLEAN算法，提升了系统抗多径干扰的能力；在位置解算方面，采用了地图匹配方法，可以更进一步的排除各种因素导致定位点偏离实际轨迹，造成较大定位误差，进一步提升系统的定位精度；同时本方案具有抗多普勒频偏、抗信号多径效应、高实时动态性、高精度、较低功耗的优势。

附图说明

此处所说明的如图用来提出本发明的进一步解释，构成本发明的一大组成部分，但是并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明提出的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位方案结构框图；

图2-1是本发明的一种非线性调频HFM脉冲信号时域波形；

图2-2是本发明的一种非线性调频HFM脉冲信号瞬时频率图；

图3-1是本发明的一种非线性调频SFM脉冲信号时域波形；

图3-2是本发明的一种非线性调频SFM脉冲信号时域波形瞬时频率图；

图4-1是本发明的一种非线性调频QFM脉冲信号时域波形；

图4-2是本发明的一种非线性调频QFM脉冲信号瞬时频率图；

图5-1是本发明的一种非线性调频EFM脉冲信号时域波形；

图5-2是本发明的一种非线性调频EFM脉冲信号瞬时频率图；

图6-1是本发明中对HFM信号的脉冲压缩效果图；

图6-2是本发明中对SFM信号的脉冲压缩效果图；

图7-1是本发明中对QFM信号的脉冲压缩效果图；

图7-2是本发明中对EFM信号的脉冲压缩效果图；

图8是本发明在多径环境下采用的CLEAN算法流程图。

图9本发明提出的CLEAN算法对多径信号处理的效果图。

图10是本发明提出的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位方案整体流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统，包括待定位标签节点、至少三个不在同一条直线上的锚节点和导航定位显示终端；

所述标签节点、锚节点以及导航定位显示终端具有数据双向通信功能，所述标签节点与锚节点能够发射和接收非线性调频脉冲信号并且具有数字信号处理能力，对接收到的脉冲信号进行自相关运算。

所述标签节点和锚节点之间采用基于SDS-TWR进行测量信号到达时间的方法；同时统计每条路径上TOA的分布特性，判断该路径上是否存在多径效应；然后利用卡尔曼滤波对TOA数据进行优化处理，获取有效的TOA数据；通过在多径环境下对原始回波信号进行CLEAN算法处理，获得信号的首达径TOA；锚节点或者标签节点把获取的有效数据通过无线通信协议发送给显示终端，显示终端先对数据进行预处理，通过最小二乘定位算法并且结合地图匹配算法实时动态显示出标签所在的位置，显示定位结果；SDS-TWR即对称双面双向测距；TOA即信号到达时间。

所述的标签节点和锚节点发射的为非线性调频脉冲信号，包括：双曲线调频脉冲信号、正弦调频脉冲信号、二次调频脉冲信号或者指数调频脉冲信号；双曲线调频即HFM，正弦调频即SFM，二次调频即QFM，指数调频即EFM；

如图2-1所示其中：HFM信号的时域表达式为：

其中A表示幅度，T表示周期，t表示时间，μ表示调制参数，f₀表示中心频率；

如图2-2所示，HFM信号的瞬时频率表达式是：

f_H(t)＝μ/(t+μ/f₀) (2)

如图3-1、图3-2所示，SFM信号的瞬时频率表达式是：

f_S(t)＝α sin(2πωt) (3)

α表示调制参数，ω表示角频率，

如图4-1、图4-2所示，QFM信号的瞬时频率表达式是：

f_Q(t)＝t²+at+b (4)

a、b为调制参数，

如图5-1、图5-2所示，EFM信号的瞬时频率表达式是：

f_E(t)＝ke^t+l (5)

k表示调制参数，l表示调制参数，

对于低速动态定位系统中选择上述介绍的几种非线性调频脉冲信号；对于高速动态定位系统中采用HFM脉冲信号；

作为具有多普勒不变性信号，信号的瞬时频率需要满足以下条件：

f(t)＝f_d(t-t₀) (6)

t₀表示时延；

其中f_d(t)是由于多普勒扩展以后接收信号的瞬时频率，对于HFM信号而言

fd(t)＝μ/(t-τ+μ/sf0) (7)

其中是信号的时延TOA；是高速运动的物体的多普勒扩展因子；当时，式(6)f(t)＝f_d(t-t₀)成立，故此HFM信号具有多普勒不变性。

所述卡尔曼滤波对TOA数据进行优化处理，其中标签节点和锚节点发射的非线性调频脉冲信号s(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

h(t)＝s^*(t₀-t) (8)

t表示时间，t₀表示时延；

如图6-1、图6-2、图7-1图7-2所示，对非线性调频脉冲进行匹配滤波处理实现脉冲压缩的功能，脉压以后的信号为：

y(t)＝s(t)*h(t)＝ifft(S(ω)S*(-ω))；S(ω)＝fft(s(t)) (9)

S(ω)为傅里叶变换后的频域表达式，S(-ω)表示S(ω)的共轭表达式；

通过寻找脉压以后波形最大值所在的位置，即获得回波信号的延时TOA；

如图8、图9所示，所述在多径环境下对原始回波信号进行CLEAN算法处理，获得信号的首达径TOA，该方法的流程包括以下步骤：

Step1.对原始回波数据进行脉冲压缩处理，得到并且记录下来处理后数据的最大峰值以及最大峰所处的位置，该位置作为某条路径下的TOA；

Step2.将记录的峰值以及TOA信息作为某个目标的回波，利用发送的原始非线性调频信号重构该目标下的回波，并且在原始回波信号中去掉该目标的回波，作为更新以后的目标回波；

Step3.对剩余的回波信号进行脉冲压缩处理，并且判断处理后的最大峰值是否超过预先设置的阈值：倘若超过阈值，把剩余回波信号作为原始回波信号，并转入步骤Step1；没有超过阈值则转入步骤Step4；

Step4.在上述步骤记录的所有TOA中找到最小值，作为该路径下的首达径TOA数据。

下面结合附图及具体实施案例对本发明进行更加详细和完整的说明，此处声明，所描述的具体实施案例仅用于对本发明的一种解释，并不是对本发明的限定。另外还需要说明，为了方便描述，附图中只显示了与本发明相关的部分并不是全部内容。

本发明设计了一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位方案，采用基于SDS-TWR方法获得TOA方法，并且利用CLEAN算法消除多径效应，通过测量准确的信号达到时间实现对标签的精确定位功能。本发明的目的是克服现有定位技术在多径环境下定位精度不高，在高速动态定位时候误差较大的缺点，设计的一种具有抗多普勒频偏、抗信号多径效应、高实时动态性、高精度、较低功耗的室内定位方案。

为了解决上述技术方面的难题，本发明采用了以下技术方案：

如附图1所示，基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位方案结构框图(其中点虚线表示无线通信协议，实虚线表示测距信号)，从图中可以看出，本方案由待定位标签节点、至少三个不在同一条直线上的锚节点和导航定位显示终端组成；所述标签节点、锚节点以及显示终端具有数据双向通信功能，所述标签节点与锚节点能够发射和接收非线性调频脉冲信号并且具有数字信号处理能力，可以对接收到的脉冲信号进行自相关运算等信号分析功能；所述标签节点和锚节点之间采用基于SDS-TWR进行测量信号到达时间(TOA)过程；同时可以统计每条路径上TOA的分布特性，判断该路径上是否存在多径效应；然后利用卡尔曼滤波对TOA数据进行优化处理，获取有效的TOA数据；锚节点或者标签节点可以把获取的有效数据通过无线通信协议发送给显示终端，终端先对数据进行预处理，通过最小二乘定位算法并且结合地图匹配算法实时动态显示出标签所在的位置，显示定位结果。

进一步的，在本案例中，为了让相关领域内的技术人员了解本发明的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位方案，利用非线性调频脉冲信号来实现定位功能，还提出了该方案实行定位的整体流程图，如附图10所示，该方法的流程包括以下步骤：

SS1.显示终端向锚节点和标签节点发送定位开始命令，系统自动选择不少于三个的并且不在同一条直线上的锚节点依次发送非线性调频信号，然后进入接收信号状态；

SS2.标签节点和锚节点之间对各自接收到的回波进行匹配滤波处理，实现脉冲压缩功能，并在检测脉压以后数据中最大峰值所在的位置，以此获得标签与锚节点之间信号到达时间(TOA)；为了防止时钟不同步带来的误差，本方案采用基于SDS-TWR(对称双面双向测距)方法消除系统误差，提高了定位的精度；

SS3.锚节点对获得的TOA进行统计分析，具体统计TOA的期望和方差，并且判断方差是否在允许的范围内：倘若方差满足要求，认为该条路径下不存在明显的多径效应，把获得的TOA作为该条路径下的有效数据，并转入步骤SS5；否则，认为该条路径下存在明显的多径效应，不可以直接使用获得的TOA数据，并转入步骤SS4；

SS4.对原始回波信号进行CLEAN算法处理，通过预先设定退出循环的门限值，获得在该条路径下的首达径的TOA；

SS5.对各条路径上的TOA数据进行卡尔曼滤波优化处理，通过一定的优化算法求解出该条路径的最佳信号到达时间(TOA)；

SS6.当不少于三个锚节点都获取有效地TOA数据以后，通过预先设定好的无线通信协议，把各自锚节点的位置信息以及TOA信息发送到显示终端；

SS7.终端接收到不少于三个锚节点的位置信息以及各自的TOA信息以后，利用最小二乘算法进行多边定位并且结合室内地图设置的电子围栏进行地图匹配，求解出标签节点的位置，同时在终端上面实时动态的显示标签在电子地图中的位置。

所述步骤SS4中在多径环境下对原始回波信号进行CLEAN算法处理，获得信号的首达径TOA，具体CLEAN算法流程图详见附图8，该方法的流程包括以下步骤：

Step1.对原始回波数据进行脉冲压缩处理，得到并记录下来处理后数据的最大峰值以及最大峰所处的位置，该位置可以作为某条路径下的TOA；

Step2.将记录的峰值以及TOA信息作为某个目标的回波，利用发送的原始非线性调频信号重构该目标下的回波，并且在原始回波信号中去掉该目标的回波，作为更新以后的目标回波；

Step3.对剩余的回波信号进行脉冲压缩处理，并且判断处理后的最大峰值是否超过预先设置的阈值：倘若超过阈值，把剩余回波信号作为原始回波信号，并转入步骤Step1；没有超过阈值则转入步骤Step4；

Step4.在上述步骤记录的所有TOA中找到最小值，作为该路径下的首达径TOA数据。

CLEAN算法对数据处理后的效果图如附图9所示，从图中明显可以看出，原始数据中几乎无法分辨出多径信号的存在(上)，处理后可以明显看出在该条路径中存在2条多径信号(下)；因此本方案提出的CLEAN算法，可以明显改善多径条件下的TOA估计准确度，进而提高定位精度。

所述步骤SS7中终端获取不少于三个锚节点的位置信息以及TOA以后采用三边定位方法计算标签节点旳位置，并且结合室内地图设置的电子围栏进行地图匹配，根据室内地图的特性，把一些不可穿越或者突变的地方设置成电子围栏，并对标签位置进行合理修复；通过上述方法可以更进一步的提高定位的精度。

通过上述的方法后，在终端就可以实时动态的显示标签节点的位置与轨迹，实现对标签节点进行高精度定位导航。本发明成本低廉、能够减少累积误差，经过多次的实际实验测量，本发明的定位精度优于1米，特别是对车辆和行人的定位更加准确。

本发明实施案例适用如下场景：汽车在室内停车场行驶；行人在商场购物。总之室内定位旳应用需求也很广泛,比如在一个大型的商场中,客户可以根据室内定位提出的位置信息找到去哪购买自己要想的商品,而商家亦可从客户位置信息中争取到潜在用户；在医院中,为每一位病人随身携带一套生理指标的监视器,一旦病人的某项生理指标出现异常,监控中心能快速响应,确定病人的位置,从而赶往病人所在区域进行诊治；在监狱中,对重点犯人进行监控等。以上是本发明的较佳实施例，并不应用于限制本发明，凡依本发明技术方案所做的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的方案进行修改或者是部分技术的替换，凡非用于限制本发明的专利保护范围，本发明保护范围依然以权利要求书为准；凡是采用本发明附图内容或者是说明书所做的类似结构变动，同理均应该包含在该专利的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统，包括待定位标签节点、至少三个不在同一条直线上的锚节点和导航定位显示终端；

所述标签节点、锚节点以及导航定位显示终端具有数据双向通信功能，所述标签节点与锚节点能够发射和接收非线性调频脉冲信号并且具有数字信号处理能力，对接收到的脉冲信号进行自相关运算。

2.根据权利要求1所述的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统的定位方法，其特征在于：

所述标签节点和锚节点之间采用基于SDS-TWR进行测量信号到达时间的方法；同时统计每条路径上TOA的分布特性，判断该路径上是否存在多径效应；然后利用卡尔曼滤波对TOA数据进行优化处理，获取有效的TOA数据；通过在多径环境下对原始回波信号进行CLEAN算法处理，获得信号的首达径TOA；锚节点或者标签节点把获取的有效数据通过无线通信协议发送给显示终端，显示终端先对数据进行预处理，通过最小二乘定位算法并且结合地图匹配算法实时动态显示出标签所在的位置，显示定位结果；SDS-TWR即对称双面双向测距；TOA即信号到达时间。

3.根据权利要求2所述的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统的定位方法，其特征在于：所述的标签节点和锚节点发射的为非线性调频脉冲信号，包括：双曲线调频脉冲信号、正弦调频脉冲信号、二次调频脉冲信号或者指数调频脉冲信号；双曲线调频即HFM，正弦调频即SFM，二次调频即QFM，指数调频即EFM；

其中：HFM信号的时域表达式为：

其中A表示幅度，T表示周期，t表示时间，μ表示调制参数，f₀表示中心频率；

HFM信号的瞬时频率表达式是：

f_H(t)＝μ/(t+μ/f₀) (2)

SFM信号的瞬时频率表达式是：

f_S(t)＝α sin(2πωt) (3)

α表示调制参数，ω表示角频率，

QFM信号的瞬时频率表达式是：

f_Q(t)＝t²+at+b (4)

a、b为调制参数，

EFM信号的瞬时频率表达式是：

f_E(t)＝ke^t+l (5)

k表示调制参数，l表示调制参数，

对于低速动态定位系统中选择上述介绍的几种非线性调频脉冲信号；对于高速动态定位系统中采用HFM脉冲信号；

作为具有多普勒不变性信号，信号的瞬时频率需要满足以下条件：

f(t)＝f_d(t-t₀) (6)

t₀表示时延；

其中f_d(t)是由于多普勒扩展以后接收信号的瞬时频率，对于HFM信号而言

f_d(t)＝μ/(t-τ+μ/sf₀) (7)

其中是信号的时延TOA；是高速运动的物体的多普勒扩展因子；当时，式(6)f(t)＝f_d(t-t₀)成立，故此HFM信号具有多普勒不变性。

4.根据权利要求2所述的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统的定位方法，其特征在于：所述卡尔曼滤波对TOA数据进行优化处理，其中标签节点和锚节点发射的非线性调频脉冲信号s(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

h(t)＝s^*(t₀-t) (8)

t表示时间，t₀表示时延；

对非线性调频脉冲进行匹配滤波处理实现脉冲压缩的功能，脉压以后的信号为：

y(t)＝s(t)*h(t)＝ifft(S(ω)S^*(-ω))；S(ω)＝fft(s(t)) (9)

S(ω)为傅里叶变换后的频域表达式，S(-ω)表示S(ω)的共轭表达式；

通过寻找脉压以后波形最大值所在的位置，即获得回波信号的延时TOA。

5.根据权利要求2所述的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统的定位方法，其特征在于：所述在多径环境下对原始回波信号进行CLEAN算法处理，获得信号的首达径TOA，该方法的流程包括以下步骤：

Step1.对原始回波数据进行脉冲压缩处理，得到并且记录下来处理后数据的最大峰值以及最大峰所处的位置，该位置作为某条路径下的TOA；

Step2.将记录的峰值以及TOA信息作为某个目标的回波，利用发送的原始非线性调频信号重构该目标下的回波，并且在原始回波信号中去掉该目标的回波，作为更新以后的目标回波；

Step3.对剩余的回波信号进行脉冲压缩处理，并且判断处理后的最大峰值是否超过预先设置的阈值：倘若超过阈值，把剩余回波信号作为原始回波信号，并转入步骤Step1；没有超过阈值则转入步骤Step4；

Step4.在上述步骤记录的所有TOA中找到最小值，作为该路径下的首达径TOA数据。