CN107544054A - 一种基于环境反向散射的室内定位方法和装置 - Google Patents
一种基于环境反向散射的室内定位方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于环境反向散射的无线室内定位方法和装置，方法是射频源RFs发射信号，然后标签进行环境反向散射，移动终端Q对接收到的标签信号进行检测，最后进行移动终端的三维定位；装置包括射频源、标签、移动终端，本发明利用环境反向散射技术并结合多天线标签的波束扫描，实现室内实时三维定位，具备功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于环境反向散射的室内定位方法和装置。
背景技术
随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、超市、图书馆、地下停车场等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。而成熟的借助GPS等全球导航卫星系统的室外定位技术，由于卫星信号难以穿透建筑物，且室内环境复杂多变，因此难以用于室内定位。
目前，受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的室内定位技术还无法很好地实现，研究人员提出了许多基于射频识别技术的室内定位技术解决方案。
1)利用无源标签与读卡器相结合，实时读取标签位置，如申请号201210528602.5的专利。该方法采用无源标签，无源标签具有体积小、稳定性高、价格便宜的优点，但其有效作用范围一般小于2米，这就为现场天线的布局增加了难度，为有效增加标签的读取范围，就需提高接收灵敏度，增大天线发射功率，以及增加发射接收的方向性，因而，提高了成本而且降低了它的安装和使用的灵活性。
2)基于有源RFID的室内定位,申请号为201110101432.8的专利申请的一种基于有源RFID的室内定位方法，设有L个阅读器，按照二维的正方形网格分布放置X个节点标签和M个参考标签，X个节点标签和M个参考标签分别覆盖着整个定位区域，跟踪标签处于任意定位区域内，X个节点标签、M个参考标签和跟踪标签均为有源RFID标签；跟踪标签采集X个节点标签的信号强度值并根据信号强度值确定跟踪标签所处位置的子区域；阅读器在子区域内采集参考标签和跟踪标签的信号强度值，利用基于信号强度值的定位算法计算出跟踪标签的位置。定位精度较高，但由于采用有源RFID，所以成本较高。
3)利用参考信标实现定位,申请号为201310323316.X的专利。这种方法在实施时存在很大的局限性,专利中利用RFID阅读器作为待定位点，RFID阅读器就目前技术而言如果需要满足远距离传输，体积就会相应的增大，这种大体积的设备如果用于绑定在人或小型工具上那是不适用的。
综上所述方法均不适用于环境复杂、易于携带、实时性要求高的室内定位。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于环境反向散射的无线室内定位方法和装置，利用环境反向散射技术并结合多天线标签的波束扫描，实现室内实时三维定位。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于环境反向散射的室内定位方法，包括以下步骤：
第一步，射频源RFs发射信号：该信号频段在标签检测频带内；
第二步，标签的环境反向散射：标签Ta,Tb,Tc,Td端分别接收射频源信号RFs并通过反向散射方式传输给移动终端Q，标签Ta,Tb,Tc,Td发送的信息包括标签的id和位置信息，标签是自身不带有电源的通信设备；
标签为多天线并采用波束扫描对定位需求空间进行扫描覆盖，设标签Ta,Tb,Tc,Td的扫描周期时间相同，波束扫描定位区域的时间周期为ts，且波束扫描重复进行；
第三步，移动终端Q对接收到的标签信号进行检测：实际检测时，在一段时间tj内做多次检测并取平均值，tj≥ts，即终端检测周期不小于标签波束扫描周期，取其中信号强度RSSI值最大的四个标签；
假设在tj时间内移动终端Q进行了m次检测，估计均值
其中，分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Ta的信号强度值；
分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Tb的信号强度值；
分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Tc的信号强度值；
分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Td的信号强度值；
且检测到标签Ta,Tb,Tc,Td按信号强度由大到小依次排列如下：
则选择出用于定位估计的四个标签Ta、Tb、Tc和Td。
对于标签数大于4时，按上述方法类似处理；
验证四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标不在同一平面上，四个坐标确定唯一的三棱锥，进而确定出唯一的移动终端位置坐标；
设移动终端Q的坐标为(x,y,z)，Q与四个标签Ta、Tb、Tc和Td的欧式距离分别为la、lb、lc和ld，且四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标分别为(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)和(xd,yd,zd)，采用基于到达时间的距离估计方法，得到：
第四步，移动终端的三维定位：根据第三步检测估计得到的移动终端Q与四个标签Ta、Tb、Tc和Td的欧式距离la、lb、lc和ld，求解得到移动终端Q的坐标，实现了对移动终端Q的定位：
其中上角标-1表示矩阵求逆运算。
当时，移动终端Q坐标相当于四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)和(xd,yd,zd)，构成的三棱锥的外接球的球心坐标。
所述的第一步信号为室内的WIFI信号，或为室外基站或其它设备在特定频段内的信号。
所述的第一步射频源并不限定为一个，或有多个射频源。
一种基于环境反向散射的室内三维定位装置，包括射频源501、标签502、移动终端503，射频源501的射频信号频段在标签检测频带内；
标签502包括环境反向散射模块、编码模块、波束扫描发射模块，环境反向散射模块检测接收射频源发射的射频信号，并产生与载波相同频率的载波信号；编码模块处理标签的id标识信息，及标签在空间的坐标信息；波束扫描发射模块采用波束扫描对定位需求空间进行扫描覆盖；
移动终端503包括射频接收模块、解码模块、定位计算模块、电源模块，射频接收模块接收标签波束切换发射模块发送的射频波束，解码模块将接收到的波束信号进行解码，获得标签的id标识及空间坐标信息；定位计算模块对移动终端测得的标签的id标识及空间坐标信息进行估计，得到移动终端在室内的位置坐标，从而实现定位；电源模块为移动终端提供工作电源。
本发明的有益效果：
a)本发明的标签通过吸收周围环境中的射频信号，摆脱了对电源的依赖性。与有源射频标签相比，环境反向散射的标签避免了需要定期更换电池和繁琐的人工维护，降低了成本。另外，可以有效延长移动终端与标签的通信距离。在传统反向散射系统中，射频信号需要经历往返两次的路径损耗，因而通信距离比较短。而在本发明中，射频信号来自于周围环境中，标签反射的信号只需要经历一次的路径损耗，通信距离可以大大延长，从而增大了室内定位的覆盖空间。
b)本发明的多天线标签，结合波束扫描，使得波束具有方向性，增大覆盖空间，具有较好的抗多径效果，节省标签的布置数量，降低定位装置成本。
总之，基于环境反向散射的室内三维定位方法利用环境反向散射技术结合多天线波束扫描，其具备功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低等特点，可以实现室内实时高精度定位。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明方法的定位框图。
图3(a)是移动终端本身不带电源的定位方式示意图；图3(b)是移动终端本身带电源的定位方式示意图。
图4是本发明的波束扫描的室内空间覆盖示意图。
图5是本发明装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
实施例的射频源可以为欲定位环境周围的基站等，标签是自身不带有电源的通信设备，移动终端为具有读写功能的装置。
参照图1，一种基于环境反向散射的室内定位方法，包括以下步骤：
第一步，射频源RFs发射信号：该信号频段在标签检测频带内，可以是室内的WIFI信号，也可以是室外基站或其它设备在特定频段内的信号；
射频源并不限定为一个，也可以有多个射频源，仅要求射频源发射的信号频段在标签的检测频段内；
第二步，标签的环境反向散射：标签Ta,Tb,Tc,Td端分别接收射频源信号RFs并通过反向散射方式传输给移动终端Q，如图2所示，标签Ta,Tb,Tc,Td发送的信息包括标签的id和位置信息，标签是自身不带有电源的通信设备；
图3(a)和图3(b)分别为移动终端Q本身不带电源的通信设备和本身带电源的通信设备，图3(a)中移动终端Q和标签均是本身不带电源的通信设备，这时，移动终端Q和标签T采用环境反向散射方式接收射频源RFs信号，然后标签T发送自身id和位置信息，移动终端Q检测得到标签T发送的位置信息及信号强度RSSI，进而估计得到移动终端自身的位置坐标；
图3(b)中移动终端Q是带电源的通信设备，标签是本身不带电源的通信设备，这时，标签T可以采用环境反向散射方式接收移动终端Q发射的信号；然后标签T发送自身id和位置信息，移动终端Q检测得到标签T位置信息及信号强度RSSI，进而估计得到移动终端自身的位置坐标；
标签为多天线(天线数≥2)并采用波束扫描对定位需求空间进行扫描覆盖，设标签Ta,Tb,Tc,Td的扫描周期时间相同，波束扫描定位区域的时间周期为ts，且波束扫描重复进行，如图4所示，图4是本发明的波束扫描的室内空间覆盖图，采用三个波束(即波束1、波束2和波束3)完成对预定位空间的覆盖，每个波束方向对应着一组固定的权值，标签根据所选择的波束的权值进行加权，在时间周期ts内，标签波束由波束1切换到波束2，再到波束3，一般采用离散均匀扫描，即波束1、波束2和波束3的波束切换时间为ts/3，从而实现对预定位空间的完整覆盖,且波束扫描重复进行；
第三步，移动终端Q对接收到的标签信号进行检测：实际检测时，在一段时间tj(tj≥ts，即终端检测周期不小于标签波束扫描周期)内做多次检测并取平均值，取其中信号强度RSSI值最大的四个标签；
假设在tj时间内移动终端Q进行了m次检测，估计均值
其中，分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Ta的信号强度值；
分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Tb的信号强度值；
分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Tc的信号强度值；
分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Td的信号强度值；
且检测到标签Ta,Tb,Tc,Td按信号强度由大到小依次排列如下：
则选择出用于定位估计的四个标签Ta、Tb、Tc和Td。
对于标签数大于4时，按上述方法类似处理；
验证四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标不在同一平面上，四个坐标确定唯一的三棱锥，进而确定出唯一的移动终端位置坐标；
设移动终端Q的坐标为(x,y,z)，Q与四个标签Ta、Tb、Tc和Td的欧式距离分别为la、lb、lc和ld，且四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标分别为(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)和(xd,yd,zd)，采用基于到达时间的距离估计方法，得到：
第四步，移动终端的三维定位：根据第三步检测估计得到的移动终端Q与四个标签Ta、Tb、Tc和Td的欧式距离la、lb、lc和ld，求解得到移动终端Q的坐标，实现了对移动终端Q的定位：
其中上角标-1表示矩阵求逆运算。
当时，移动终端Q坐标相当于四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)和(xd,yd,zd)，构成的三棱锥的外接球的球心坐标。
如图5所示，一种基于环境反向散射的室内三维定位装置，包括射频源501、标签502、移动终端503，射频源501的射频信号频段在标签检测频带内，可以是室内的WIFI信号，也可以是室外基站或其它设备在特定频段内的信号；射频源并不限定为一个，也可以视为有多个射频源的等效源，仅要求射频源发射的信号频段在标签的检测频段内。
标签502包括环境反向散射、编码、波束扫描发射，环境反向散射模块检测接收射频源发射的射频信号，并产生与载波相同频率的载波信号；编码模块处理标签的id标识信息，及标签在空间的坐标信息；波束扫描发射模块采用波束扫描对定位需求空间进行扫描覆盖。
移动终端503包括射频接收模块、解码模块、定位计算模块、电源模块，射频接收模块接收标签波束切换发射模块发送的射频波束，解码模块将接收到的波束信号进行解码，获得标签的id标识及空间坐标信息；定位计算模块对移动终端测得的标签的id标识及空间坐标信息进行估计，得到移动终端在室内的位置坐标，从而实现定位；电源模块为移动终端提供工作电源。
本发明可克服目前室内定位存在的定位方法复杂，定位精度较低等问题，具有功耗低、抗多径效果好、可扩展性强和便于维护等特点，可以实现室内实时高精度定位。
Claims (5)
1.一种基于环境反向散射的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，射频源RFs发射信号：该信号频段在标签检测频带内；
第二步，标签的环境反向散射：标签Ta,Tb,Tc,Td端分别接收射频源信号RFs并通过反向散射方式传输给移动终端Q，标签Ta,Tb,Tc,Td发送的信息包括标签的id和位置信息，标签是自身不带有电源的通信设备；
标签为多天线并采用波束扫描对定位需求空间进行扫描覆盖，设标签Ta,Tb,Tc,Td的扫描周期时间相同，波束扫描定位区域的时间周期为ts，且波束扫描重复进行；
第三步，移动终端Q对接收到的标签信号进行检测：实际检测时，在一段时间tj内做多次检测并取平均值，tj≥ts，即终端检测周期不小于标签波束扫描周期，取其中信号强度RSSI值最大的四个标签；
假设在tj时间内移动终端Q进行了m次检测，估计均值
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其中，分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Ta的信号强度值；
分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Tb的信号强度值；
分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Tc的信号强度值；
分别为第1次，第2次，…第m次移动终端Q检测到的标签Td的信号强度值；
且检测到标签Ta,Tb,Tc,Td按信号强度由大到小依次排列如下：
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则选择出用于定位估计的四个标签Ta、Tb、Tc和Td。
对于标签数大于4时，按上述方法类似处理；
验证四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标不在同一平面上，四个坐标确定唯一的三棱锥，进而确定出唯一的移动终端位置坐标；
设移动终端Q的坐标为(x,y,z)，Q与四个标签Ta、Tb、Tc和Td的欧式距离分别为la、lb、lc和ld，且四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标分别为(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)和(xd,yd,zd)，采用基于到达时间的距离估计方法，得到：
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第四步，移动终端的三维定位：根据第三步检测估计得到的移动终端Q与四个标签Ta、Tb、Tc和Td的欧式距离la、lb、lc和ld，求解得到移动终端Q的坐标，实现了对移动终端Q的定位：
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其中上角标-1表示矩阵求逆运算。
2.根据权利要求1所述的一种基于环境反向散射的室内定位方法，其特征在于：当时，移动终端Q坐标相当于四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)和(xd,yd,zd)，构成的三棱锥的外接球的球心坐标。
3.根据权利要求1所述的一种基于环境反向散射的室内定位方法，其特征在于：所述的第一步信号为室内的WIFI信号，或为室外基站或其它设备在特定频段内的信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于环境反向散射的室内定位方法，其特征在于：所述的第一步射频源并不限定为一个，或有多个射频源。
5.一种基于环境反向散射的室内三维定位装置，其特征在于：包括射频源(501)、标签(502)、移动终端(503)，射频源(501)的射频信号频段在标签检测频带内；
标签(502)包括环境反向散射模块、编码模块、波束扫描发射模块，环境反向散射模块检测接收射频源发射的射频信号，并产生与载波相同频率的载波信号；编码模块处理标签的id标识信息，及标签在空间的坐标信息；波束扫描发射模块采用波束扫描对定位需求空间进行扫描覆盖；
移动终端(503)包括射频接收模块、解码模块、定位计算模块、电源模块，射频接收模块接收标签波束切换发射模块发送的射频波束，解码模块将接收到的波束信号进行解码，获得标签的id标识及空间坐标信息；定位计算模块对移动终端测得的标签的id标识及空间坐标信息进行估计，得到移动终端在室内的位置坐标，从而实现定位；电源模块为移动终端提供工作电源。
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