CN109633523B - 用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法，包括采用多个定向天线共点安装，实现定向天线方向图的重叠。通过多个定向天线对于接收到的来波信号强度(Rss)进行差分运算，利用Rss差分值估计AoA。本发明具有低复杂度和较高AoA估计精度的特点，为基于WLAN网络和Rss的室内移动目标位置估计精度的提高创造了条件。

Description

用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法

技术领域

本发明属于室内定位导航技术领域，尤其涉及一种基于接收信号强度(Rss)估计来波角度(AoA)进行室内定位的方法。

背景技术

室内定位系统在近些年发展得非常迅速，随着802.11X无线局域网作为常用的网络架构的普及，使得基于WLAN的室内定位技术得到了越来越多研究者的关注。在一些GPS信号无法良好工作，而WLAN信号已经大面积覆盖的环境中，如仓库、图书馆、机场和医院等，依靠智能手机、移动电脑或其他移动通信设备实现近距离定位已成为室内定位商业应用的重点。

作为用于定位的无线射频信号的测量值主要包括射频信号传播时间，入射角度和接收信号强度Rss。对于WLAN，信号传播时间的测量复杂度较高，它需要非常高的测量时钟以及精准的同步设计。而入射角度测量实现的方法通常是基于阵列天线，对于WLAN而言阵列天线的采用造成设计成本高昂而不能接受。而Rss的获取比较容易，几乎所有移动终端都可实现，且成本低廉，较适用于WLAN条件下的室内定位。

但基于Rss的室内定位容易获取受噪声(包括信道噪声和接收机处理噪声)、多径(室内环境的复杂造成了严重的多径影响)、射频信号衰减模型的不确定性(主要包括发射功率和衰减因子两个模型参数)等因素影响导致定位精度和稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种仅仅基于Rss测量结果就能够实现对多径干扰、噪声干扰以及射频信号衰减模型中不确定性参数造成的扰动进行一定程度抑制的用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法。

用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法，包括以下步骤：

步骤一、室内定位中的锚节点由至少三个定向天线共点安装组成，采用极坐标绘制的各定向天线的辐射场强方向图两两重叠且相邻方向图的夹角一致并且与波束宽度相等，每个定向天线的辐射场强方向图的波束宽度一致；

步骤二、对基于多个定向天线共点安装形成锚节点的各个定向天线的辐射场强方向图特性进行重叠天线方向图测量得到各个定向天线的重叠天线方向图，各个定向天线的重叠天线方向图是具有与相邻定向天线方向图重叠效果的方向图；

步骤三、由处理器发送控制信号给射频开关选择多个定向天线中的一个，将被选中的定向天线接收到的射频信号送入处理器，对接收信号强度Rss进行抑制噪声信号处理，然后将不同定向天线的Rss值两两相减得到Rss差分值；

步骤四，依据步骤二中测量得到的各个定位天线的重叠天线方向图和步骤三中得到的经过滤波之后的不同定向天线之间的Rss差分值进行来波角度AoA估计，计算确定最终的AoA估计值，具体步骤为：

(2a)AoA估计值定义：

第一步，建立以AoA估计值为横坐标X，纵坐标Y为天线增益差的直角坐标系，在获得锚节点中每个定向天线的重叠天线方向图之后，通过将每个定向天线的重叠天线方向图两两求差，在建立的直角坐标系中获得方向图差分曲线；

第二步，分别以某一时刻各个定位天线之间的Rss差分值为纵坐标值做平行于X轴的平行线，各平行线分别与相应的两个定向天线的方向图差分曲线形成至少一个交点，每个交点在X轴的对应值定义为AoA估计值；

(2b)采用置信度和统计方法对不同的交点对应着X轴上不同的AoA估计值进行处理，确定最终的AoA估计值，具体步骤为；

第一步，给每个AoA估计值设置一个置信度C_ij，C_ij定义为第i个定向天线和第j个定向天线通过下式计算得到的置信度，置信度定义为在计算某一时刻Rss差分值对应的两个Rss值的乘积，见下式：

C_ij＝Rss_{ant_i}(mW)*Rss_{ant_j}(mW)

其中Rss_{ant_i}和Rss_{ant_j}值为定向天线i和定向天线j在某一时刻各自的接收信号强度，单位为毫瓦；

第二步，从每个方向图差分曲线上均挑选一个交点所对应的AoA估计值形成至少一组AoA估计值组合，计算每组组合的方差并求方差倒数S_ij，S_ij为来自定向天线i、定向天线j的AoA估计值的方差倒数；当某个AoA估计值对应着一个组合时，这个组合的方差倒数就是这个AoA估计值的方差倒数；当某个AoA估计值对应着多个组合时，这个AoA估计值的方差倒数取多个组合的所有方差倒数的最大值；

第三步，将所有置信度排序，形成新索引标志的置信度C_k；将所有方差倒数排序，形成新的索引标志的方差倒数S_k；然后对新的置信度和方差倒数进行归一化，公式如下：

其中k＝1..N，N为所有AoA估计值的个数；

第四步，采用加权质心法计算最终的AoA估计值，公式如下：

其中Angle_est为最终的AoA估计值，Angle_k表示第k个AoA估计值，权值W_k定义如下：

W_k＝C_{norm_k}+S_{norm_k}

步骤五、重复步骤三-步骤四，重新开始新的一轮射频开关切换周期，开始新的时间点条件下的AoA估计。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1，能够对于多径干扰和噪声干扰进行一定程度的抑制。

2，能够对于射频信号衰减模型中不确定参数造成的扰动进行一定程度的抑制。

3，由于信号处理只是在锚节点一侧完成，对于被定位的移动终端的要求非常低，只需要有信号发射功能即可，因此具有较高的普适性。

附图说明

图1是三个定向天线构成的锚节点的极坐标方式方向图；

图2是本发明方法采用的天线排列方式以及射频开关工作示意图；

图3是三个定向天线构成的锚节点的直角坐标方式方向图；

图4是三个定向天线构成的锚节点的方向图差分曲线；

图5是滤波前后效果比较图；

图6是根据测量的Rss差分值与方向图差分曲线的交点开展AoA估计的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明加以详细说明：

如附图所示的本发明的用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法，包括以下步骤：

步骤一、室内定位中的锚节点由至少三个定向天线共点安装组成，采用极坐标绘制的各定向天线的辐射场强方向图两两重叠且相邻方向图的夹角一致并且与波束宽度相等，每个定向天线的辐射场强方向图的波束宽度一致；

作为本发明的一个实施例，如图1所示为三个定向天线的方向图，室内定位中的锚节点由这三个定向天线共点安装而成，三个方向图形成重叠效果，每个方向图的波束宽度一致，相邻方向图的夹角一致并且与波束宽度相等。采用该结构主要是为了抑制多径，具体验证过程如下：

锚节点有效角度估计范围为锚节点中两侧天线的方向图主轴之间的角度范围。在图2中描述了锚节点的分时工作方式(其中三个定向天线的排列方式为顶视图)，即在某一时刻，只有锚节点中的一个定向天线在工作，通过射频开关进行不同定向天线的切换。在本发明中做以下假设：由于切换速度快，在图2所示锚节点的所有天线轮换工作的一个周期内，被测目标的移动位置、工作环境以及工作参数没有发生改变，在这个周期内，锚节点中的每个定向天线所接收到的信号可以近似认为是同一时刻接收到的。

本发明应用于室内环境中，而室内环境对于基于接收信号强度(Rss)的定位设计最大的干扰是多径干扰。针对多径干扰，本发明利用图1所示的定向天线方向图之间的重叠部分(图3为与图1相对应的直角坐标系描述)，特别是在图3所示的方向图交点(图中的黑点)及其周围所对应的X轴的角度区域内，通过将这个区域角度内对应的两个定向天线采集的接收信号强度(Rss)进行求差处理，利用Rss差分值估计来波角度(AoA)。

基于图1所示重叠方向图的Rss差分值抑制多径干扰的理论依据如下描述。在多径条件下，定位天线的射频信号传播模型中接收信号强度P_r(分贝形式)描述为：

其中下标t代表发射,下标r代表接收,下标i代表多径索引,λ是波长，P_t是发射端平均发射功率(dB)，M代表多径的总数，d_i是第i个多径的信号传播距离，n_i是第i个多径的衰减因子，G_t(θ_ti)是在第i个多径的AoD(离开角)θ_ti处的发射天线增益，G_r(θ_ri)是在第i个多径的AoA(到达角)θ_ri处的接收天线增益，

是第i个多径信号相对直射径信号的相位差。并且假设第一个多径信号(i＝1)对应着直射径信号。

在室内定位系统设计中，公式(1)中的P_t和n_i的随机变化以及多径信号的存在造成了以射频信号传播模型为基础的基于Rss的室内定位设计的精度较低。

根据公式(1)的描述，当不存在多径干扰时，两个定向天线在同一时刻针对同一个发射信号的接收信号强度(Rss)P_r1、P_r2的差分结果用下式表示：

P_r1-P_r2＝10logG_r1(θ_r1)-10logG_r2(θ_r1) (2)

根据公式(1)和(2)的定义和比较，本发明将公式(1)中除直射径以外的其他多径的矢量和之差定义为由于多径干扰而造成的Rss差分值的误差，用下式来表示：

已有文献证明，室内多径环境中，从统计角度分析，多径信号的入射角度以直射径入射角度为中心呈现拉普拉斯分布特点，当直射径入射角度在图3所示的两个方向图交点附近时，公式(3)由于

和

呈现较强的相似性导致其从统计意义上趋近于0。即越接近图3所示的方向图的交点，从统计意义角度分析，所对应的两个天线的Rss差分值对多径干扰的抑制能力越强。

图4是图3所描述的三个方向图相互求差的结果，定义为方向图差分曲线，过Y轴上的0点做平行于X轴的直线，该直线与各个方向图差分曲线的交点附近的曲线定义为过零点线性曲线，这个曲线近似线性，对于多径干扰的抑制主要体现在方向图差分曲线在零点附近近似线性的曲线所对应的区域，例如图4中的粗线部分为方向图1与方向图2的差分曲线中的过零点线性曲线。

根据上面对于多径抑制的理论描述，多径抑制的效果受到了图4所描述的方向图差分曲线中过零点线性曲线斜率的影响。说明如下：根据图4所示，在较大斜率条件下，Y轴所代表的Rss差分值即使有噪声引起的较大波动，通过过零点线性曲线映射到X轴的AoA估计结果上也只有较小的波动范围，因此当过零点线性曲线斜率较大时，在图1所描述的锚节点有效角度估计范围内能够获得较高的AoA估计精度。

根据图3中曲线的特点，图4中过零点线性曲线斜率受到了方向图波束宽度的影响，波束宽度越小，则斜率越大。但是，波束宽度小也带来了有效角度估计范围小的不足。因此，本方法所描述的锚节点设计中，需要根据具体的定位区域和AoA估计精度要求综合考虑定向天线个数和定向天线波束宽度的选择。定向天线波束宽度小则可以获得较高的AoA估计精度；锚节点中的定向天线个数多则可以获得较大的有效角度估计范围。

步骤二、对基于多个定向天线共点安装形成锚节点的各个定向天线的辐射场强方向图特性进行重叠天线方向图测量得到各个定向天线的重叠天线方向图，各个定向天线的重叠天线方向图是具有与相邻定向天线方向图重叠效果的方向图；测量采用现有方法即可。

对于根据步骤一中的参数构造的锚节点天线，进行重叠天线方向图的测量，是由于图1所描述的锚节点是多个定向天线的共点安装，天线之间的耦合现象必然存在，对于单个定向天线的方向图特性必然产生影响，因此需要对锚节点中的各个定向天线的辐射场强方向图进行重新测量。

步骤三、由处理器发送控制信号给射频开关选择多个定向天线中的一个，将被选中的定向天线接收到的射频信号送入处理器，对接收信号强度Rss进行抑制噪声信号处理，然后将不同定向天线的Rss值两两相减得到Rss差分值；

作为本发明的一种实施方式，本发明的锚节点中包含处理器和射频开关，不同定向天线的Rss差分值求解步骤为；

(1a)处理器采用分时方式向射频开关输出切换信号控制各定向天线依次开启，并读取不同定向天线的Rss值形成一组数据，且认为锚节点中多个定向天线采用分时方式获取的Rss值为同一时刻被测节点发送到不同定向天线的射频信号所对应的Rss值；本发明采用较高的切换速度(如120ms完成3个定向天线的切换)，相比室内定位中被测节点的运行速度要高很多，因此可以假设在切换周期内，被测节点以及周围环境没有发生大的变化，可以近似认为锚节点中多个定向天线采用分时方式获取的Rss值为同一时刻被测节点发送到不同定向天线的射频信号所对应的Rss值。

(1b)对步骤(1a)获取的对应不同定向天线的Rss值进行抑制噪声的信号处理，具体步骤为：

设定时间窗口宽度，即连续的时间点的个数，然后将在此时间范围内的数据统一采用均值法进行滤波处理。时间窗口宽度选择是根据定位系统的实时性要求以及射频开关切换频率而决定的。

由于多径干扰以及噪声的影响，本发明采用均值法对于时间窗口范围内接收到的Rss数据进行滤波处理。基于图1所描述的由三个定向天线构成的锚节点，采用切换周期120ms(每个定向天线占时40ms)的射频开关进行天线切换，时间窗口宽度＝120ms X 50次＝6000ms条件下原始采样数据和滤波后数据的比较展示在图5，可以发现经过均值滤波可以实现对噪声的一定程度的抑制。

(1c)将经过滤波处理后的不同定向天线的Rss值两两相减得到Rss差分值。

步骤四，依据步骤二中测量得到的各个定位天线的重叠天线方向图和步骤三中得到的经过滤波之后的不同定向天线之间的Rss差分值进行来波角度AoA估计，计算确定最终的AoA估计值，具体步骤为：

(2a)AoA估计值定义：

第一步，建立以AoA估计值为横坐标X，纵坐标Y为天线增益差的直角坐标系，在获得锚节点中每个定向天线的重叠天线方向图之后，通过将每个定向天线的重叠天线方向图两两求差，在建立的直角坐标系中获得方向图差分曲线。

图4展示了三个定向天线构成的锚节点中的每个定向天线将其各自的方向图两两求差后得到的方向图差分曲线。

第二步，分别以某一时刻各个定位天线之间的Rss差分值为纵坐标值做平行于X轴的平行线，各平行线分别与相应的两个定向天线的方向图差分曲线形成至少一个交点，每个交点在X轴的对应值定义为AoA估计值；

如图4所示，第一定向天线1与第二定向天线2在同一时刻获得Rss的差分值，在图4所示的方向图差分曲线中与上述Rss差分值相对应的差分曲线是“方向图1-方向图2曲线”，在图4的直角坐标系中，根据Rss差分值做平行于X轴的平行线，该平行线与“方向图1-方向图2曲线”会形成一个或多个交点，这些交点在X轴的对应值定义为AoA估计值。其他定向天线之间的Rss差分值所对应的AoA估计值以此类推。

(2b)采用置信度和统计方法对不同的交点对应着X轴上不同的AoA估计值进行处理，确定最终的AoA估计值，具体步骤为；

第一步，给每个AoA估计值设置一个置信度C_ij，C_ij定义为第i个定向天线和第j个定向天线通过公式(3)计算得到的置信度，置信度定义为在计算某一时刻Rss差分值对应的两个Rss值的乘积，见下式：

C_ij＝Rss_{ant_i}(mW)*Rss_{ant_j}(mW) (3)

其中Rss_{ant_i}和Rss_{ant_j}值为定向天线i和定向天线j在某一时刻各自的接收信号强度(毫瓦)。置信度定义的理论依据是：当入射角度在图3所描述的两个方向图的交点附近时，Rss差分值的计算能够大幅度地抑制多径和噪声的干扰，当入射角度远离交点则这种抑制能力在下降。公式(3)所描述的置信度在交点附近为最大，越远离交点则越小。

第二步，从每个方向图差分曲线上均挑选一个交点所对应的AoA估计值形成至少一组AoA估计值组合，计算每组组合的方差并求方差倒数S_ij，S_ij为来自定向天线i、定向天线j的AoA估计值的方差倒数；当某个AoA估计值对应着一个组合时，这个组合的方差倒数就是这个AoA估计值的方差倒数；当某个AoA估计值对应着多个组合时，这个AoA估计值的方差倒数取多个组合的所有方差倒数的最大值。

每个AoA估计值对应着以某一时刻的两个定向天线i、j的Rss差分值为y值做一个平行于X轴的直线，该直线与相应的差分曲线的交点与其他差分曲线上的交点形成了不同的组合。以图6为例，由于方向图差分曲线的非单调性，根据一个Rss差分值所作的平行于X轴的平行线在同一方向图差分曲线中可能具有多个交点，如图6中的R1-R2在方向图1-方向图2的差分曲线中形成了A、B和C三个交点。同理，R1-R3形成了F和G两个交点，R2-R3形成了D和E两个交点。本发明分别从每个方向图差分曲线上挑选一个交点所对应的AoA估计值形成一个组合，以图6为例，形成组合的交点为：(DAF)、(DAG)、(DBF)、(DBG)、(DCF)、(DCG)、(EAF)、(EAG)、(EBF)、(EBG)、(ECF)和(ECG)。本发明计算每个组合的方差，当某个组合的方差越小，则这个组合中多个AoA估计值之间的差距越小，从统计角度分析，这个组合中的AoA估计值接近真实值的概率越大。每个AoA估计值对应着一个Rss差分值与相应的差分曲线的交点，这个交点与其他差分曲线上的交点形成了不同的组合，以图6中的交点A为例，A点与其他差分曲线上的交点所形成的组合为：(DAF)、(DAG)、(EAF)、(EAG)，取这些组合中方差最小值为A点的AoA估计值的方差值。为了与置信度变化趋势保持一致，每个AoA估计值的方差值取倒数，因此每个AoA估计值的方差倒数越大，从统计意义分析，这个AoA估计值就越接近真实值。

第三步，将所有置信度排序，形成新索引标志的置信度C_k(k＝1…N，N为所有AoA估计值的个数)；同理将所有方差倒数排序，形成新的索引标志的方差倒数S_k。然后对新的置信度和方差倒数进行归一化，公式如下：

其中k＝1..N，N为所有AoA估计值的个数；

第四步，采用加权质心法计算最终的AoA估计值，公式如下：

其中Angle_est为最终的AoA估计值，Angle_k表示第k个AoA估计值，权值W_k定义如下：

W_k＝C_{norm_k}+S_{norm_k} (6)

步骤五、重复步骤三-步骤四，重新开始新的一轮射频开关切换周期，开始新的时间点条件下的AoA估计。

从步骤三到步骤四为一个时间点条件下AoA估计的流程，在这个流程中，图2所描述的处理器依次切换锚节点中的不同的定向天线，并假设由于切换间隔时间短，在这个切换周期内锚节点中所有定向天线测量到的Rss为被测节点在同一时间发送到不同定向天线的Rss。

Claims (1)

1.用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、室内定位中的锚节点由至少三个定向天线共点安装组成，采用极坐标绘制的各定向天线的辐射场强方向图两两重叠且相邻方向图的夹角一致并且与波束宽度相等，每个定向天线的辐射场强方向图的波束宽度一致；

步骤二、对基于多个定向天线共点安装形成锚节点的各个定向天线的辐射场强方向图特性进行重叠天线方向图测量得到各个定向天线的重叠天线方向图，各个定向天线的重叠天线方向图是具有与相邻定向天线方向图重叠效果的方向图；

步骤三、由处理器发送控制信号给射频开关选择多个定向天线中的一个，将被选中的定向天线接收到的射频信号送入处理器，对接收信号强度Rss进行抑制噪声信号处理，然后将不同定向天线的Rss值两两相减得到Rss差分值；

步骤四，依据步骤二中测量得到的各个定位天线的重叠天线方向图和步骤三中得到的经过抑制噪声信号处理之后的不同定向天线之间的Rss差分值进行来波角度AoA估计，计算确定最终的AoA估计值，具体步骤为：

(2a)AoA估计值定义：

第一步，建立以AoA估计值为横坐标X，纵坐标Y为天线增益差的直角坐标系，在获得锚节点中每个定向天线的重叠天线方向图之后，通过将每个定向天线的重叠天线方向图两两求差，在建立的直角坐标系中获得方向图差分曲线；

第二步，分别以某一时刻各个定位天线之间的Rss差分值为纵坐标值做平行于X轴的平行线，各平行线分别与相应的两个定向天线的方向图差分曲线形成至少一个交点，每个交点在X轴的对应值定义为AoA估计值；

(2b)采用置信度和统计方法对不同的交点对应着X轴上不同的AoA估计值进行处理，确定最终的AoA估计值，具体步骤为；

第一步，给每个AoA估计值设置一个置信度C_ij，C_ij定义为第i个定向天线和第j个定向天线通过下式计算得到的置信度，置信度定义为在计算某一时刻Rss差分值对应的两个Rss值的乘积，见下式：

C_ij＝Rss_{ant_i}(mW)*Rss_{ant_j}(mW)

其中Rss_{ant_i}和Rss_{ant_j}值为定向天线i和定向天线j在某一时刻各自的接收信号强度，单位为毫瓦；

第二步，从每个方向图差分曲线上均挑选一个交点所对应的AoA估计值形成至少一组AoA估计值组合，计算每组组合的方差并求方差倒数S_ij，S_ij为来自定向天线i、定向天线j的AoA估计值的方差倒数；当某个AoA估计值对应着一个组合时，这个组合的方差倒数就是这个AoA估计值的方差倒数；当某个AoA估计值对应着多个组合时，这个AoA估计值的方差倒数取多个组合的所有方差倒数的最大值；

第三步，将所有置信度排序，形成新索引标志的置信度C_k；将所有方差倒数排序，形成新的索引标志的方差倒数S_k；然后对新的置信度和方差倒数进行归一化，公式如下：

其中k＝1..N，N为所有AoA估计值的个数；

第四步，采用加权质心法计算最终的AoA估计值，公式如下：

其中Angle_est为最终的AoA估计值，Angle_k表示第k个AoA估计值，权值W_k定义如下：

W_k＝C_{norm_k}+S_{norm_k}

步骤五、重复步骤三-步骤四，重新开始新的一轮射频开关切换周期，开始新的时间点条件下的AoA估计。

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