CN106932752A - 一种基于射频相位监测的实时室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，它属于无线射频识别和定位技术领域，包括定位参照部分、定位目标部分、定位分析部分和定位校准部分，适用于固定轨迹定位和任意轨迹定位。本发明利用布置的天线在短时间间隔内测量移动标签的相位变化、运动速度和移动距离即时构建三维坐标系图，通过误差分析处理和定位环境的优化对移动标签轨迹跟踪和实时定位。本发明抗干扰性强、可行性高、精准度高，具有良好的经济意义和市场价值。

Description

一种基于射频相位监测的实时室内定位方法

技术领域

本发明属于无线射频识别和定位技术领域，具体涉及一种基于射频相位监测的实时室内定位方法。

背景技术

近年来，无线定位在军事和民用技术中得到了广泛应用，但是多数应用包括GPS和北斗定位系统都集中于户外定位，进入室内环境后，这些定位技术都将大打折扣甚至失去定位效能，所以高精度的实时室内定位技术一直是研究热点问题。现今室内定位技术主要分为ZigBee定位、蓝牙定位和RFID定位技术等，采用监听反馈信号的强弱来进行距离判定和位置预估，它们非常易受干扰，稳定性差，精度低，需要通过增加有源参考标签数量的方法提高定位精度，增加了定位系统成本。

无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，即RFID)，其主要结构分为射频标签、阅读器、应用软件系统三大部分。射频标签部分即将标签作为射频信号应答器，写入所需存入的电子信息，编上唯一的电子编码，附着于所需标识目标对象，等待阅读器进行识别；阅读器部分则主要由天线，耦合元件组成，即读取标签信息的设备，调制成特定频率的电磁场使标签在该电磁场产生感应电流将所存储数据传输出去，以自动辨识与追踪目标；应用软件系统部分即应用层软件，主要是把收集的数据进一步处理，为后续数据分析提供依据。

本发明基于射频相位监测，所需要的定位系统由四部分构成：定位参照部分，布设的接收端天线；定位目标部分，被测对象或被测对象组；定位分析部分，将定位参照部分接收端天线测得的标签实时相位变化、运动速度和移动距离进行三维坐标系图的绘制；定位校准部分，沿固定轨迹运动的目标经历前三部分即可完成定位，沿任意轨迹运动的目标在定位校准部分需进行标签轨迹拟合，再将最优轨迹代入定位目标部分进行相关分析计算完成定位。

发明内容

本发明针对现有室内定位技术存在的不足，为提高室内定位技术的精度和实时性，提出了一种基于射频相位监测的实时室内定位方法。

本发明采用以下技术方案实现：

一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，包括定位参照部分、定位目标部分、定位分析部分和定位校准部分，适用于固定轨迹定位和任意轨迹定位。

所述的固定轨迹定位包括以下步骤：

步骤A，观测空间的网格分割；

利用测量工具或室内无线网络设备确定观测空间大小及相对位置关系，根据观测时间粗略划分，之后则根据相位值变化、时间和天线相对运动速度确定固定尺寸对网格进行分割。

以矩形观测空间为例，在矩形空间内质点位置固定信号发射装置，在矩形观测空间的四个顶点处设置天线进行信号接收，通过信号强度换算出矩形空间的长宽，得出空间尺寸大小，增加矩形观测空间内信号接收点数量，可以大大提升空间的测量精度，减小测量误差。选取最佳单位时间t₀,使天线监测到的相位变化φ₀尽量为无线射频信号的分辨率ψ₀的确定倍数，则t₀时间内天线相对标签运动距离S₀，以S₀为单位将整个观测空间划分成M×N个网格单元。

步骤B，监测网格内相位值变化、时间和相对运动速度；

相位值变化、时间数据均由天线(阅读器)监测得知，根据相位值变化和运动距离测算出天线相对运动速度，进而可以初步分析出所研究物体的运动状态。

步骤C，构建三维坐标系图；

根据网格内相位值变化、运动速度和移动距离构建这三个变量的三维坐标系图，实时反映出三个变量随着物体运动变化的情况，确定定位目标大致位置；直观反映三个变量产生的误差，可以分析不同测量条件、不同误差分布情况下和不同网络环境下的系统误差和随机误差。

步骤D，误差分析，修正实时定位位置。

结合运动辐角对运动方向的判定，分析轨迹上相邻网格内定位点的曲线距离，对于偏离较大的位置点优先修正。

所述的任意轨迹定位包括以下步骤：

步骤a，任意轨迹坐标系拟合；

根据定位点落于拟合轨迹上的情况，进行曲线拟合和动态参数检测工作，结合误差分布特性分析的相关反馈，可以及时调整拟合计算策略。

步骤b，误差分析，选取最优轨迹；

任意轨迹坐标系拟合出的结果不是唯一的，分析误差点的偏离特性，选取偏离最少的拟合轨迹作为最优轨迹。

误差分析，选取最优轨迹建立在拟合轨迹的分析之上的，对于拟合轨迹存在的两种情况应采取不同措施予以处理：

b1.轨迹点落于拟合轨迹之外。对于做线性回归分析、曲线拟合分析等数学处理，轨迹点落于拟合轨迹之外的点，即误差点，主要由系统误差和随机误差引起。系统误差，可增大试验次数，即缩短观测时间间隔，增加观测点的数量，减少实际轨迹和拟合轨迹间的误差度；随机误差，移动标签的运动状态受外部环境影响可对实验环境采取限制，而阅读器-标签间信号传输受到干扰的分析，可以通过接受信号和返回信号强度比值或者信号噪声比的反馈来处理误差点。

b2.多条拟合轨迹。轨迹点落于拟合轨迹之外的分析，多条拟合轨迹的产生也是理所当然的。对于误差点判断自然会影响整条轨迹的形状，因而对落于轨迹外的轨迹点分析是首要的，在稳定的环境情况下，信噪比偏离平均信噪比最大的点可以确定为误差点，然后对误差点进行修正或排除，选用经历最少误差点的轨迹可视为最优轨迹。

步骤c，最优轨迹迭代进固定轨迹定位步骤中进行轨迹分析。

本发明相对于现有室内定位技术具有以下有益效果：

1.抗干扰性强。本发明选用监听移动标签相位变化的方法，信号传输受到干扰时采用信噪比大小比较法来筛选校正定位点，可以很好地解决定位时延和定位不准的问题。

2.可行性强。本发明对规则轨迹和不规则轨迹定位均可采用固定轨迹定位方法，而对室内未知运动轨迹的目标或者对不规则轨迹精度有较高要求的情况，可采用任意轨迹定位方法，避免了传统室内坐标定位单一的局限性。

3.精准度高。本发明通过对定位过程中产生的系统误差和随机误差因素进行分析修正，提高了室内定位的精准度。

附图说明

图1为本发明的定位整体流程图。

图2为本发明的固定轨迹定位的网格内大致位置校正方法示意图。

图3为本发明的任意轨迹定位的运动轨迹拟合示意图。

图4为本发明的误差处理结构流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，包括定位参照部分、定位目标部分、定位分析部分和定位校准部分，适用于固定轨迹定位和任意轨迹定位。所述的固定轨迹定位包括以下步骤：

步骤A，观测空间的网格分割；

步骤B，监测网格内相位值变化、时间和相对运动速度；

步骤C，构建三维坐标系图；

步骤D，误差分析，修正实时定位位置。

所述的任意轨迹定位包括以下步骤：

步骤a，任意轨迹坐标系拟合；

步骤b，误差分析，选取最优轨迹；

步骤c，最优轨迹迭代进固定轨迹定位步骤中进行轨迹分析。

如图2所示，固定轨迹定位的网格内大致位置校正方法：选取运动定位点轨迹通过的四个网格，采用类似像素对比度邻域选择的方法，圈定所需研究网格区域，对各网格进行区域编号，连接网格内运动线路上的定位点；测得轨迹方向上相邻定位点距离；利用相位值变化，时间，相对运动速度三个变量构建的三维坐标系分析出定位目标实时运动辐角；比较多段定位点间距离、多个实时运动辐角，测出平均值、方差，用卡尔曼滤波等数学方法进行误差分析过滤，从而修正定位点位置。

如图3所示，对于任意轨迹定位的运动轨迹拟合，利用相对运动原理，测量各时间间隔Δti内天线轨迹差ΔDi，以各点连线时切线斜率作为天线运动夹角Δɑi(代表天线运动方向)。获得Δti、ΔDi、Δɑi后，借助高精度测量仪器绘制分析或者借助计算机软件进行拟合，得到若干条拟合轨迹。根据实际偏离情况，对每个点实时记录的信号噪声比进行分析，筛选误差点，选取通过误差点少的轨迹；当出现多条轨迹误差较大时，适当增加观测次数来使轨迹正常化，使得量多的点落在所研究的拟合轨迹中。

如图4所示，误差分析是本发明实时室内定位方法中重要的环节，主要对系统误差和随机误差进行处理修正。系统误差，包括任意轨迹定位中的误差和两种轨迹定位公共步骤产生的误差。任意轨迹定位中的系统误差包括拟合轨迹误差和选取轨迹误差，误差点偏离轨迹的程度、多条拟合轨迹则会产生不同的误差点和误差点偏离，对于偏离情况则需要进行统计分析，评价均值、方差等数据稳定性的数学指标并根据误差情况进行轨迹筛选和误差控制；两种轨迹定位公共步骤产生的误差，包含了观测空间内网格分割误差，相位变化、运动速度和移动距离测量误差和坐标系校正位置的误差。网格分割产生的误差通过调整分割固定尺寸进行误差校正，三个物理量测量误差结合定位环境相关参数和应用需求，通过误差分析算法验证误差是否在允许范围内，超出范围则针对误差不同环境因素进行影响因素消除措施。随机误差包括射频相位测量时接收端热噪声的影响，快速变化的环境产生的混合射频传播因素和不同标签兼容性产生的读取误差。

本发明提出的一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，其定位本质是利用一定数量和顺序布置的接收端天线在短时间间隔内测量移动标签的相位变化、运动速度和移动距离即时构建三维坐标系图，通过误差分析处理和定位环境的优化对移动标签轨迹跟踪和实时定位，适用于固定轨迹定位和任意轨迹定位且较现有室内定位技术精度和实时性方面均有较大提升，具有良好的经济意义和市场价值。

Claims (9)

1.一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，包括定位参照部分、定位目标部分、定位分析部分和定位校准部分，适用于固定轨迹定位和任意轨迹定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，其特征在于，所述固定轨迹定位包括以下步骤：

步骤A，观测空间的网格分割；

步骤B，监测网格内相位值变化、时间和相对运动速度；

步骤C，构建三维坐标系图；

步骤D，误差分析，修正实时定位位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，其特征在于，所述的任意轨迹定位包括以下步骤：

步骤a，任意轨迹坐标系拟合；

步骤b，误差分析，选取最优轨迹；

步骤c，最优轨迹迭代进固定轨迹定位步骤中进行轨迹分析。

4.根据权利要求2所述的一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，其特征在于，所述的观测空间的网格分割(步骤A)，利用测量工具或室内无线网络设备确定观测空间大小及相对位置关系，根据观测时间粗略划分，之后则根据相位值变化、时间和天线相对运动速度确定固定尺寸对网格进行分割。

5.根据权利要求2所述的一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，其特征在于，所述的监测网格内相位值变化、时间和相对运动速度(步骤B)，相位值变化、时间数据均由天线(阅读器)监测得知，根据相位值变化和运动距离测算出天线相对运动速度，进而可以初步分析出所研究物体的运动状态。

6.根据权利要求2所述的一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，其特征在于，所述的构建三维坐标系图(步骤C)，根据网格内相位值变化、运动速度、移动距离构建这三个变量的三维坐标系图，实时反映出三个变量随着物体运动变化的情况，确定定位目标大致位置；直观反映三个变量产生的误差，可以分析不同测量条件、不同误差分布情况下和不同网络环境下的系统误差和随机误差。

7.根据权利要求2所述的一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，其特征在于，所述的误差分析，修正实时定位位置(步骤D)，结合运动辐角对运动方向的判定，分析轨迹上相邻网格内定位点的曲线距离，对于偏离较大的位置点优先修正。

8.根据权利要求3所述的一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，其特征在于，所述的任意轨迹坐标系拟合(步骤a)，根据定位点落于拟合轨迹上的情况，进行曲线拟合和动态参数检测工作，结合误差分布特性分析的相关反馈，可以及时调整拟合计算策略。

9.根据权利要求3所述的一种基于射频相位监测的实时室内定位方法，其特征在于，所述的误差分析，选取最优轨迹(步骤b)，任意轨迹坐标系拟合出的结果不是唯一的，分析误差点的偏离特性，选取偏离最少的拟合轨迹作为最优轨迹。