CN107883959B - 一种基于相控阵原理的WiFi室内多人定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相控阵原理的单设备WiFi室内多人定位方法，主要包括测角和测距两个部分。在室内环境下，部署一个天线阵，利用相控阵的思想进行角度测量，利用粗粒度到细粒度的扫描减少扫描时间，利用等信号法提高测角精度，通过上述步骤可以得到每个目标所在角度。然后利用多重频法对每个目标进行距离测量，将角度信息和距离信息组合起来，进行多人定位。

Description

一种基于相控阵原理的WiFi室内多人定位方法

技术领域

本发明属于无线感知领域,具体涉及一种使用相控阵原理的非绑定的基于单个设备的Wi-Fi室内多人定位方法。

背景技术

室内定位是指在室内环境中实现位置定位，可以用于机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术(如GPS)目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，主要分为三大类，基于计算机视觉、基于GPS技术和基于无线定位技术。

使用计算机视觉进行定位时，需要在室内安装摄像头，通过图像处理的方式识别目标所在位置。虽然使用计算机视觉的方式可以实现较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得仅能视距传播。不仅如此，基于计算机视觉的室内定位计算复杂度较高，容易受到背景颜色的影响，并且摄像头会侵犯用户的隐私。

基于GPS的定位系统是目前应用最为广泛的定位技术。当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低。利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，使得定位精度很低，而且定位器终端的成本较高。

随着无线通信技术的发展，新兴的无线网络技术，例如WiFi、蓝牙等，在办公室、家庭等得到了广泛应用。在基于无线的室内定位中，主要分为三种方法，其中指纹法是目前应用最广泛的算法，主要分为两个阶段，首先要离线采集数据(例如RSS、CSI等)建立一个数据库(即用户在不同位置对无线数据产生的影响)，然后是在线定位阶段，将目标实时的无线数据和指纹数据库中的数据进行匹配，以实现定位。然而这样的系统存在一些固有的缺点，首先是数据采集的过程非常繁琐，其次周围环境的微小变化都会导致匹配不成功，甚至需要重新建立数据库。第二种是测距法，一般是通过测量电磁波的飞行时间来达到对目标的定位，例如使用FMCW直接测量飞行时间，或者使用相位来间接求得飞行时间，然而由于很难准确测得飞行时间，需要目标在预定义的位置做一些预定义的动作。第三种是测角法，利用music算法求得目标和天线阵之间的角度，通过多个天线阵和目标之间的角度进行交汇定位。

总的来说，目前的室内定位系统都不完善，都有些缺点和不足。无线定位技术由于其可穿墙及非绑定的优点，成为了室内定位的主流。然而基于指纹的方法需要大量的训练，基于飞行时间的方法需要用户的干预，基于测角的方法需要多个设备。不仅如此，上述的方法一般用于单人定位，在多人定位时，由于人的相互影响、相互遮挡，使得上述技术的定位结果很差。本发明将测角和测距相结合，提出一种使用相控阵原理的单个设备的Wi-Fi室内多人定位方法。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种针对室内的多人定位问题，无需进行提前训练，基于相控阵原理的Wi-Fi多人定位的方法。

本发明的技术方案是这样解决的：

一种基于相控阵原理的单设备WiFi室内多人定位方法，包括以下步骤：

1)构建相控阵系统：将多个天线单元排成直线而构成均匀直线阵，在每个天线上添加一个移向器；

2)对多个目标进行角度测量：

2.1)选取中间的两根天线，通过相控阵原理调节每个天线的移向器形成一个波束，在-90度到90度的范围内进行快速扫描；

2.2)不断增加天线的数量，通过相控阵原理形成一个越来越窄的波束，在上一次扫描中回波能量较高的方向进行细粒度扫描；

2.3)使用所有的天线构成一个窄波束，在所述的步骤2.2)中确定的方向上使用等波束法确定目标所在方向；

3)对多个目标进行测距：测得目标所在方向后，针对每个目标，利用多重频法进行测距；

3.1)在不同的时隙，天线发送不同频率的射频信号，可以得到不同频率下，由距离产生的相位滞后；

3.2)对相位滞后中的相位模糊数n_i进行遍历搜索，找到最小二乘准则下误差最小时对应的n_i；

3.3)根据n_i计算目标的真实距离；

4)多目标定位：通过所述的步骤2)可以对多个目标进行精确的角度测量，通过所述的步骤3)可以对每个目标进行精确的距离测量，将角度信息和距离信息结合起来，即可得到每个目标的所在位置。

所述的步骤2.3)中等波束法的具体实现的第一种方法的步骤是：

1)通过调整天线阵的相位，使得产生两个相同且彼此部分重叠的波束，然后进行电扫描；

2)比较两个波束回波的强弱，根据比值法或和差法判断目标偏离等信号轴的方向；

3)调整波束的指向，直到两个波束的回波信号强度近似相等，则目标即在两个波束的角平分线上。

所述的步骤2.3)中等波束法的具体实现的第二种方法的步骤是：

1)通过调整天线阵的相位，使用所有天线构成一个窄波束，假设波束的主瓣宽度为10度，然后以2度为间隔进行细粒度电扫描，波束将按照时间顺序出现在一个个的角度上；

2)比较相邻时刻两个波束回波的强弱，根据比值法或和差法判断目标偏离等信号轴的方向；

3)当两个波束的回波信号强度近似相等时，目标即在两个波束的角平分线上。

所述的步骤3.1)中，发射不同频率的信号是在所述的步骤2)中确定的目标方向上发送不同频率的信号。

与现有的无线定位技术相比，本发明无需进行提前训练，利用单设备即可进行多人定位。本发明使用天线阵进行测角，使用粗粒度的扫描到细粒度的扫描的方法减少扫描时间，使用等信号法提高测角精度。本发明通过发射多个不同频率的信号，利用不同频率信号的时延相位不同进行精确的单设备的距离测量。通过测角和测距相结合的方法在室内环境下对多个目标进行定位。

进一步，本发明仅需要一个无线收发天线阵，即可完成多人定位。

进一步，本发明采用等信号法测量角度，测角的精度比传统的最大信号法高，因为当目标位于等信号轴附近时，若略微偏离等信号轴时，两信号强度变化明显。

进一步，本发明根据两个波束收到的信号的强弱可以判别目标偏离等信号轴的方向，便于自动测角。

进一步，本发明中采用的多重频测距方法，解决了相位模糊问题，使用单个设备可以进行精确定位。

附图说明

图1是本发明的定位流程图；

图2是均匀直线阵示意图；

图3是均匀直线阵仿真方向图；

图4是等波束法波束示意图；

图5是利用等波束法收到的回波大小示意图；

图6(a)是两波束的方向图；

图6(b)是差波束相应；

图6(c)是和波束相应；

图7是本发明定位示意图；

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

本发明的目的在于，针对现有的室内定位技术在多人定位时表现较差的情况，提出一种在室内环境下，基于无线的非绑定的多人定位系统，该系统无需进行大量训练建立数据库，只需在室内环境下，部署一定数量的天线，利用相控阵的思想进行角度测量，然后利用多重频法进行测距，将角度和距离信息结合起来，即可完成多人定位。简要流程如图1所示。

本发明分以下四步完成：

步骤1)构建天线阵系统

本发明进行多人定位所使用的系统模型是使用天线构成的相控阵系统，即使用一组天线构成一个天线阵，根据相控阵原理，通过调节不同天线的相位可以形成一个窄波束，当改变天线的馈电相位时，波束的指向将发生改变，据此可以形成一个波束扫描的相控阵系统。下面，详细介绍一下相控阵的系统模型。

参见图2，将多个天线按照一定的方式排列在一起便构成了阵列天线(或称天线阵)。阵列天线的辐射可由阵内多个天线的辐射叠加而成。因此它与每一个天线的形式、相对位置和电流分布等都有关系。相控阵天线指通过电子控制天线的相位，使阵列天线可以在空间平面内完成波束扫描或转动的天线。本发明中采用均匀直线阵。

均匀直线阵由多个天线单元排成直线而构成，每个天线单元都带有一个移向器，移相器可以改变各个小天线之间的信号的相位关系。各天线元的电流幅度相同，相位以均匀比例递增或递减，而且以相等间距排列在一条直线上。

图2表示一个N元均匀直线阵，相邻两天线之间的间距为d，由于相邻天线之间的距离引起的相邻阵元辐射场的相位差为

相邻天线激励电流相位差为α。天线元1辐射的电磁波比天线元0超前

天线元2辐射的电磁波比天线元1超前

天线元3辐射的电磁波比天线元2超前

因此天线阵在观察点P产生的场强为：

E＝E₀(1+e^jφ+e^j2φ+e^j3φ+…+e^j(N-1)φ) (1)

其中，

利用等比级数求和公式，简化上式并取绝对值可得：

f(φ)是N元均匀直线阵的阵因子；其最大值可由其一阶导数为0求得，即为：

求得的条件为φ＝0。此时的最大值为N，因此归一化后的阵因子为：

将阵因子有最大值的条件φ＝0代入公式

可得：

由上式可知，天线阵的最大辐射方向为θ_m，与相邻两天线之间的电流相位差α和间距d有关。在θ_m方向，各天线阵元的辐射场之间，由于波程差引起的相位差正好与移相器引入的相位差相抵消，导致各分量同相相加获得最大值。显然，在d一定的条件下，改变相位差α，便可改变主瓣的辐射方向，从而实现波束的电扫描。

基于以上相控阵模型，可以实现波束的电扫描，本发明给出三种具体的实施例。本发明采用8元均匀直线阵，天线之间的距离为半波长，要实现波束从-160°到160°的电扫描，通过改变馈电相位差α，使得主瓣的辐射方向发生变化，图3显示了三种馈电相位差情况下的天线阵的方向图。

步骤2)使用上述系统对多目标进行角度测量

基于以上相控阵系统，当天线波束作圆周扫描或在一定扇形范围内作匀角速度扫描时，天线收到的回波幅度最大时，表示该时刻的波束轴线指向即为目标所在方向。本发明中采用等信号法，即采用两个相同且彼此部分重叠的波束，其方向图如图4所示。如果目标处在两波束的交叠轴OA方向时，则两波束收到的信号强度相等，否则一个波束收到的信号强度高于另一个。故称OA为等信号轴。当两个波束收到的回波信号相等时，等信号轴所指方向极为目标所在方向。如果目标处在OB方向，波束2的回波比波束1的强；当目标处在OC方向时，波束2的回波较波束1的弱。因此，比较两个波束回波的强弱就可以判断目标偏离等信号轴的方向，并可用查表的方法估计出偏离等信号轴的大小。

基于以上等信号法测角原理，本发明提出两种具体实施例。

设天线电压方向性函数为F(θ)，等信号轴OA的指向为θ₀，则波束1和2的方向性函数可分别写成：

F₁(θ)＝F(θ₁)＝F(θ+θ_k-θ₀) (6)

F₂(θ)＝F(θ₂)＝F(θ-θ_k-θ₀) (7)

θ_k为θ₀与波束最大值方向的偏角。

用等信号法测量时，波束1接收到的回波信号u₁＝KF₁(θ)＝KF(θ_k-θ_t)，波束2收到的回波电压值u₂＝KF₂(θ)＝KF(-θ_k-θ_t)＝KF(θ_k+θ_t)，式中θ_t为目标方向偏离等信号轴θ₀的角度。本发明中提出两种方法对u₁和u₂进行处理，来获得目标方向θ_t。

第一种实施例为幅度相比法，即求两个信号幅度的比值：

根据比值的大小可以判断目标偏离θ₀的方向，查找预先制定的表格就可以估计出目标偏离θ₀的比值。

第二种实施例为求和求差法，即由u₁和u₂可求得其差值Δ(θ₁)及和值∑(θ₁)：

Δ(θ)＝u₁(θ)-u₂(θ)＝K[F(θ_k-θ_t)-F(θ_k+θ_t)] (9)

在等信号轴θ＝θ₀附近，差值Δ(θ)可近似表示为

和信号为：

Δ(θ)＝u₁(θ)+u₂(θ)＝K[F(θ_k-θ_t)+F(θ_k+θ_t)] (11)

在等信号轴θ＝θ₀附近，和值可近似表示为

∑(θ₁)≈2F(θ₀)k (12)

即可求得其差、和波束Δ(θ₁)与∑(θ₁)，如图6所示，归一化的和差值为

因为Δ/∑正比于目标偏离θ₀的角度θ_t，故可以用它来判断角度θ_t的大小和方向。

本发明提出的实施例在具体实现时，可以采用两种方式。一种是通过调整天线阵的相位，使得同时产生两个波束；另一种是只要其中的一个波束，它在进行电扫描的同时，波束便按时间顺序在1、2位置出现。

步骤3)使用上述系统，分别对多个目标进行距离测量。

通过步骤1)和步骤2)，实现了对多个目标精确的角度测量，在目标所在方向上，再进行精确测距即可对目标进行精确定位。

为了对多个目标进行有效定位，本发明采用多重频方法，天线在不同的时隙发送多个不同频率的信号，根据每个信号由距离产生的相位滞后可以求得其对应的距离。其原理是：

使用相位测距时，当距离变化波长的大小时，相位变化2π，假设目标和发射机的距离为R，发射信号的频率为f_i，由于发射机是通过回波定位，所以距离R可以表示为：

其中，

是由距离产生的相位滞后，由于它以2π为周期，所以

中可能包含n个2π，每个2π对应的距离为：

所以实际的距离为：

各个频率上的最大不模糊距离(相位变化2π)为：

若所测得的距离大于最小的a_i，就会出现相位模糊，使得测距模糊。为了解决模糊问题，需要求解出n_i的真实值。

根据距离的大致估计值，例如室内范围10米内，可计算出n_i的最大值n_max。在不大于n_i的最大值范围内对n_i进行搜索，同时用最小二乘准则对搜索结果进行判断。当误差最小时，就得到真实距离。

步骤4)将角度信息和距离信息结合起来，进行多人定位

本发明针对现有的室内定位技术在多人定位时表现较差的情况，提出一种在室内环境下，基于相控阵原理Wi-Fi多人定位系统。本发明无需进行大量训练建立数据库，只需在室内环境下，部署一个天线阵，利用相控阵的思想进行角度测量，然后利用多重频法进行距离测量，将角度信息和距离信息组合起来，进行多人定位，如图7所示。

进一步，本发明仅需要一个无线收发天线阵，即可完成多人定位。

进一步，本发明采用等信号法测量角度，测角的精度比传统的最大信号法高，因为当目标位于等信号轴附近时，若略微偏离等信号轴时，两信号强度变化明显。

进一步，本发明根据两个波束收到的信号的强弱可以判别目标偏离等信号轴的方向，便于自动测角。

进一步，本发明中采用的多重频测距方法，解决了相位模糊问题，使用单个设备可以进行精确定位。

Claims (4)

1.一种基于相控阵原理的单设备WiFi室内多人定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建相控阵系统：将多个天线单元排成直线而构成均匀直线阵，在每个天线上添加一个移向器；

2)对多个目标进行角度测量：

2.1)选取中间的两根天线，通过相控阵原理调节每个天线的移向器形成一个波束，在-90度到90度的范围内进行快速扫描；

2.2)不断增加天线的数量，通过相控阵原理形成一个越来越窄的波束，在上一次扫描中回波能量较高的方向进行细粒度扫描；

2.3)使用所有的天线构成一个窄波束，在所述的步骤2.2)中确定的方向上使用等波束法确定目标所在方向；

3)对多个目标进行测距：测得目标所在方向后，针对每个目标，利用多重频法进行测距；

3.1)在不同的时隙，天线发送不同频率的射频信号，可以得到不同频率下，由距离产生的相位滞后；

3.2)对相位滞后中的相位模糊数n_i进行遍历搜索，找到最小二乘准则下误差最小时对应的n_i；

3.3)根据n_i计算目标的真实距离；

4)多目标定位：通过所述的步骤2)可以对多个目标进行精确的角度测量，通过所述的步骤3)可以对每个目标进行精确的距离测量，将角度信息和距离信息结合起来，即可得到每个目标的所在位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于相控阵原理的WiFi室内多人定位方法，其特征在于，所述的步骤2.3)中等波束法的具体实现的第一种方法的步骤是：

1)通过调整天线阵的相位，使得产生两个相同且彼此部分重叠的波束，然后进行电扫描；

2)比较两个波束回波的强弱，根据比值法或和差法判断目标偏离等信号轴的方向；

3)调整波束的指向，直到两个波束的回波信号强度近似相等，则目标即在两个波束的角平分线上。

3.根据权利要求1所述的一种基于相控阵原理的WiFi室内多人定位方法，其特征在于，所述的步骤2.3)中等波束法的具体实现的第二种方法的步骤是：

1)通过调整天线阵的相位，使用所有天线构成一个窄波束，假设波束的主瓣宽度为10度，然后以2度为间隔进行细粒度电扫描，波束将按照时间顺序出现在一个个的角度上；

2)比较相邻时刻两个波束回波的强弱，根据比值法或和差法判断目标偏离等信号轴的方向；

3)当两个波束的回波信号强度近似相等时，目标即在两个波束的角平分线上。

4.根据权利要求1所述的一种基于相控阵原理的WiFi室内多人定位方法，其特征在于，所述的步骤3.1)中，发射不同频率的信号是在所述的步骤2)中确定的目标方向上发送不同频率的信号。

Images