CN107861100B

CN107861100B - 一种基于三维波束的室内定位方法

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Publication number: CN107861100B
Application number: CN201711106986.0A
Authority: CN
Inventors: 王衍文; 王世芳; 王渭森; 马晓璠; 马玥
Original assignee: Xijing University
Current assignee: Xi'an Maode Communication Technology Co ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: CN107861100A

Abstract

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：标签包括四个以上的任意三个均不处于同一平面的空间位置的标签；第二步，标签的环境反向散射：标签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；第三步，移动终端Q对接收到的标签信号进行检测及定位：取其中信号强度RSSI值最大的四个标签，记为T_a’、T_b’、T_c’和T_d’；第四步，四个坐标可确定唯一的三棱锥，通过该三棱锥确定出唯一的移动终端Q的位置坐标(x,y,z)。本发明提高了目标的有用信号接收功率，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。

Description

一种基于三维波束的室内定位方法

技术领域

本发明涉及空间定位技术领域，具体涉及一种基于三维波束的室内定位方法。

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。当前的大多数定位算法只是针对无线二维网络展开研究的，然而在实际应用中无线网络节点也会经常处于三维环境中，这些场合下需要提供节点的三维位置信息，研究人员提出了许多基于射频识别的室内定位解决方案。

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)利用参考信标实现定位,如申请号为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。

3)利用波束扫描实现定位，如申请号为201710697495.1的专利。该专利采用多天线标签，结合波束扫描，实现室内定位。但二维波束中垂直方向的天线下倾角是固定的，只是利用水平方向的空域资源，能量的汇聚度不够高，从而限制了覆盖范围。

综上所述方法均不适用于环境复杂、定位精准、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三维波束的无线室内定位方法，利用多天线标签的三维波束扫描并结合环境反向散射技术，实现室内实时空间定位。

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；

所述的信号为室内的WIFI信号，或为室外基站或其它设备在特定频段内的信号。

所述的射频源并不限定为一个，或有多个射频源。

第二步，标签的环境反向散射：标签T_a,T_b,T_c,T_d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T_a,T_b,T_c,T_d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三维波束扫描对定位需求空间进行扫描覆盖，设标签T_a,T_b,T_c,T_d的扫描周期时间相同，三维波束扫描定位区域的时间周期为t_s，

其中，n_θ为三维波束的方位角扫描切换次数，方位角指入射信号与平面阵的夹角，且波束扫描重复进行；

为三维波束的俯仰角扫描切换次数，俯仰角指入射信号与水平的夹角；

为扫描波束在空间方向

的持续时间，其中θ为方位角，

为俯仰角。

第三步，移动终端Q对接收到的标签信号进行检测及定位：实际检测时，在一段时间t_j内做多次检测并取平均值，t_j≥t_s，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t_j时间内移动终端Q进行了m次检测，估计均值：T_a,T_b,T_c,T_d的计算公式如式(1)所示：

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T_a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T_b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T_c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T_d的信号强度值；

且检测到标签T_a,T_b,T_c,T_d按信号强度由大到小依次排列如式(2)所示：

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。实际上，四个标签Ta、Tb、Tc和Td预先布置时将它们分别安装在不在同一平面的空间位置上。

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l_a、l_b、l_c和l_d，且四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标分别为(x_a,y_a,z_a)、(x_b,y_b,z_b)、(x_c,y_c,z_c)和(x_d,y_d,z_d)，采用基于到达时间的距离估计方法，得到关于l_a、l_b、l_c和l_d的方程组(3)：

最后，进行移动终端的空间定位：根据上述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l_a、l_b、l_c和l_d，求解方程组得到移动终端Q的坐标，上述方程组求解可视为求空间4个球体的相交点。

当

时，移动终端Q坐标相当于四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标(x_a,y_a,z_a)、(x_b,y_b,z_b)、(x_c,y_c,z_c)和(x_d,y_d,z_d)，构成的三棱锥的外接球的球心坐标。

本发明的有益效果：

a)本发明的多天线标签，结合三维波束扫描，在传统水平维波束的基础上，增加了垂直维的波束，使得波束在水平和垂直方向上同时对准目标，提高了目标的有用信号接收功率，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。

b)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。

总之，基于多天线三维波束扫描的室内空间定位方法利用环境反向散射技术结合多天线三维波束扫描，其具备功耗低、抗多径效果好、覆盖空间广等特点，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是移动终端本身不带电源的定位方式示意图；

图4是本发明空间扫描区划分示意图；

图5是方位角-30°、俯仰角60°的三维波束扫描的室内空间覆盖示意图；

图6是方位角0°，俯仰角60°的三维波束扫描的室内空间覆盖示意图；

图7是方位角30°，俯仰角60°的三维波束扫描的室内空间覆盖示意图。

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T_a,T_b,T_c,T_d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T_a,T_b,T_c,T_d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中标签为本身不带电源的通信设备，这时，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采用三维波束方式向不同空间位置发送信息，发送的信息包括标签T自身id和位置信息，处于不同空间位置的移动终端Q₁、移动终端Q₂和移动终端Q₃检测得到标签T发送的信息，并结合检测到的接收信号强度RSSI，进而估计得到移动终端自身的位置坐标；

标签为多天线，并采用三维波束扫描对定位需求空间进行扫描覆盖，设标签T_a,T_b,T_c,T_d的扫描周期时间相同，三维波束扫描定位区域的时间周期为t_s，

为扫描波束在空间方向

的持续时间，其中θ为方位角，

为俯仰角。

扫描过程：如图4(a)所示，将期望定位空间划分成

个区域，图中给出的是实际空间区域的平面映射图。当进行三维波束的扫描时，可以固定三维波束的俯仰角为某定值，切换三维波束的方位角为不同值；即三维波束扫描对相应的角度次序为：

如图4(b)所示，首先，保持

值不变，依次扫描

接着变更俯仰角为下一定值，即

重复上述过程，直到扫描完

从而达到对室内需定位空间的覆盖。

如图5～7是本发明的三维波束扫描的室内空间覆盖图，采用均匀平面阵，其中x轴、y轴方向阵元分别为N_x、N_y，且N_x＝N_y＝8，阵元间距d_x＝d_y＝λ/2，λ为载波波长。图5中，波束1能量集中在期望目标的(-30°,60°)方向，即方位角为-30°，俯仰角为60°；图6中，波束2能量集中在期望目标的(0°,60°)方向，即方位角为0°，俯仰角为60°；图7中，波束3能量集中在期望目标的(30°,60°)方向，即方位角为30°，俯仰角为60°。

实际上，每个三维波束对应着一组预编码矩阵

其中

为张量积符号，W_x为x轴维度的权矢量，W_y为y轴维度的权矢量，标签根据所选择的三维波束的预编码矩阵进行加权。假设三维波束的方位角扫描切换次数n_θ和俯仰角扫描切换次数

相等，且

在扫描周期t_s内，标签的三维波束依次由波束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的三维波束切换时间为t_s/(3×3)＝t_s/9；然后，变更俯仰角数值，重复上述过程，直到扫描覆盖整个预定位空间；且三维波束扫描重复进行。

第三步，移动终端Q对接收到的标签信号进行检测及定位估计：实际检测时，在一段时间t_j(t_j≥t_s，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t_j时间内移动终端Q进行了m次检测，估计均值，如式(1)所示：

其中，

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l_a、l_b、l_c和l_d，四个标签Ta、Tb、Tc和Td的坐标分别为(x_a,y_a,z_a)、(x_b,y_b,z_b)、(x_c,y_c,z_c)和(x_d,y_d,z_d)，采用基于到达时间的距离估计方法，得到关于l_a、l_b、l_c和l_d的方程组(3)：

最后，进行移动终端的空间定位：根据上述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l_a、l_b、l_c和l_d，求解得到移动终端Q的坐标，上述方程组求解可视为求空间4个球体的相交点。在实际应用中，由于存在测量误差，四个球可能不准确相交于一点，为此，采用最小二乘法对数据进行修正处理。

移动终端Q三维坐标的最小二乘估计值如式(4)所述:

式中，i＝1,2,3,4分别对应于标签Ta、Tb、Tc和Td，

表示使后面这个式子达到最小值时的x，y，z取值。

求解，得到移动终端Q三维坐标估计值，如式(5)所述：

其中，上角标T表示求转置运算，上角标-1表示求逆运算。

从而，得到移动终端Q三维坐标，如式(6)所示：

其中，A、B矩阵如式(7)、(8)所示：

当

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

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：射频源RFs向空间发射信号；所述射频源的数量为一个以上；所述发射信号的信号频段在标签检测的频带范围内；所述标签包括四个以上的分别设置在坐标(x_a,y_a,z_a)、(x_b,y_b,z_b)、(x_c,y_c,z_c)、(x_d,y_d,z_d)……的T_a,T_b,T_c,T_d……标签检测端；所述四个以上的标签中的任意四个均不处于同一平面的空间位置；

第二步，标签的环境反向散射：标签T_a,T_b,T_c,T_d……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T_a,T_b,T_c,T_d……发送的信息包括标签的id和位置信息；所述标签是自身不带有电源的通信设备；

第三步，移动终端Q对接收到的标签信号进行检测及定位：实际检测时，移动终端Q在一段时间t_j内做多次检测并记录T_a,T_b,T_c,T_d……中每个标签信号的信号强度RSSI值的平均值；取其中信号强度RSSI值最大的四个标签，记为T_a’、T_b’、T_c’和T_d’；移动终端Q检测并记录的时间周期，应满足t_j≥t_s，即终端检测周期t_j不小于标签的波束扫描周期t_s；

第四步，验证四个标签T_a’、T_b’、T_c’和T_d’：验证四个标签T_a’、T_b’、T_c’和T_d’的坐标是否在同一平面；若四个标签T_a’、T_b’、T_c’和T_d’不在同一平面上，则四个坐标可确定唯一的三棱锥，通过该三棱锥确定出唯一的移动终端Q的位置坐标(x,y,z)；若四个标签Ta’、Tb’、Tc’和Td’在同一平面上，假设标签Ta’、Tb’、Tc’和Td’按信号强度由大到小依次排列：

则选取信号强度RSSI值小于且最接近于标签Td’信号强度RSSI值的标签Td”，并重复上述验正四个标签Ta’、Tb’、Tc’和Td”不在同一平面上；实际上，标签是预先设计布置的，任意四个标签不在同一个平面上；

所述标签为多天线，并采用三维波束扫描对定位需求空间进行扫描覆盖；每个标签T_a,T_b,T_c,T_d……的扫描周期时间相同，三维波束扫描定位区域的时间周期为t_s，t_s可由式(Ⅱ)计算：

式中，n_θ为三维波束的方位角θ扫描切换次数，方位角θ指入射信号与平面阵的夹角；

为三维波束的俯仰角

扫描切换次数，俯仰角

指入射信号与水平的夹角；

为扫描波束在空间方向

的持续时间。

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，通过四个标签T_a’、T_b’、T_c’和T_d’的坐标(x_a',y_a',z_a')、(x_b',y_b',z_b')、(x_c',y_c',z_c')和(x_d',y_d',z_d')所确定的三棱锥计算唯一的移动终端Q的位置坐标(x,y,z)的方法为：

设移动终端Q的坐标为(x,y,z)，Q与四个标签T_a’、T_b’、T_c’和T_d’的欧式距离分别为l_a、l_b、l_c和l_d，且四个标签T_a’、T_b’、T_c’和T_d’的坐标分别为(x_a',y_a',z_a')、(x_b',y_b',z_b')、(x_c',y_c',z_c')和(x_d',y_d',z_d')，采用基于到达时间的距离估计方法，得到方程组(Ⅰ)：

根据检测估计得到的欧式距离l_a、l_b、l_c和l_d，求解方程组(Ⅰ)，得到移动终端Q的坐标。

3.根据权利要求2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，所述方程组(Ⅰ)的求解问题，为求解分别以(x_a',y_a',z_a')、(x_b',y_b',z_b')、(x_c',y_c',z_c')、(x_d',y_d',z_d')为球心，分别以l_a、l_b、l_c和l_d为半径的立体空间内的4个球体的相交点的问题。

4.根据权利要求3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(x,y,z)相当于四个标签T_a’、T_b’、T_c’和T_d’的坐标(x_a',y_a',z_a')、(x_b',y_b',z_b')、(x_c',y_c',z_c')、(x_d',y_d',z_d')，构成的三棱锥的外接球的球心坐标。

5.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，所述的信号包括WIFI信号、基站信号、以及根据设备设定的特定频段内的信号。

6.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，所述的波束扫描重复进行。