CN110351655A - 一种基于信号多径传播测量的室内定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信号多径传播测量的室内定位方法及系统，其中，包括以下步骤：步骤S1、于室内的多个信源中确定可用信源以及所述可用信源坐标；步骤S2、获取移动终端到所述可用信源的距离；步骤S3、基于所述距离获取所述移动终端当前的坐标；步骤S4、所述移动终端基于所述坐标在电子地图上执行定位显示；步骤S5、基于所述可用信源以及所述移动终端的坐标执行信道环境指纹分析引擎的训练。其技术方案的有益效果是，对移动终端与可用信源之间的伪距离测量精度高，采用公开可见基站和公开可见无线电信号，如LBS、WiFi、WiMAX、FM、ZigBee等固定基站信号实现定位，不需要基站所有者的访问授权，不增加基础设施建设投入和能耗，不加运营成本负担。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于信号多径传播测量的室内定位方法及系统。
背景技术
全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)不能应用于室内定位和导航。为了满足用户室内定位的需求，学者们开发了基于WiFi、Bluetooth、LBS、ZigBee、UWB等技术的用于室内定位。但是总体上定位精度不高，仅能达到5米左右的精度。利用有源RFID技术能够实现的进度可以达到厘米级别，但是实际使用上存在很多问题，全域推广成本很高。第五代通讯技术具有一定定位能力，但是5G的定位依靠其密集的基站，定位精度也只有5米左右。
基于移动通讯的定位技术主要是RSSI技术，通过基站到用户设备(UE，UserEquipment)的信号强度计算相对距离，但是由于基站发射天线具有方向性，即使等距离在信号主瓣或者旁瓣覆盖区域RSSI值也不会相同；进一步，现代基站都有功率调整功能，使得基站在繁忙和低负载状态下RSSI值出现波动。同时由于信道复杂，特别是室内条件下多径信道给定位带来很大偏差，造成RSSI测距不可靠。
在移动通讯领域，多径信道直接造成符号间干扰(ISI，Inter-symbolinterference)，因此多径分量一直以来被作为干扰信号进行处理。为了保证ISI被抑制，通讯领域专家开发出了多种原型滤波器，保证信号鲁棒性和有效性和可实现性。比如MB-OFDMUWB信道是一种典型的多径信道，接收机方案中采用频域均衡来补偿信道的各种失真；公布号CN109633697A公开的《一种多载波信号的多径抑制方法》，给出了另外一种抑制多径分量的方法。
但是多径信道除了造成ISI和信号失真之外，多径分量也可以被利用，比如公布号CN109669176A公开的《基于无线电多径测量户型的方法、装置及存储介质》。公布号CN109669176A文件方案中描述，根据AP接收到同一客户端发送的信号的信道状态和返回时间信息，获取所述信号到达所述AP时所经过的每一条路径的路径信息(包括到达角和路径长度)。进一步实现对和户型测量。
波达方向(DOA，Direction of Arrival)、波达时间差(TDOA，Time Difference ofArrival)(根据语境或用“传播时间差”、“到达时间差”描述TDOA)、波达时间(TOA，Time ofArrival)技术在雷达和定位系统中得到应用，公开号CN109743777A文件公开的《一种定位方法、装置、电子设备及可读存储介质》方案中描述，分别计算个测量基站发射信号到达UE的时间与基准基站发射的信号到达UE的TDOA值，根据各测量基站和基准站的三维坐标和各TDOA值以及其他辅助参数求解UE的坐标。
上述两份申请文件中目标非常明确，公开号CN109669176A方案采用多径分量的方法实现户型测绘，而公开号CN109743777A文件利用DOA和TDOA实现定位；上述两份申请文件相同之处是都明确表述采用到了测量基站到UE一条或者多路径的到达时间或者到达时间差，但是上述两个文件都没有给出DOA和TDOA的测量方法。
发明内容
针对现有的在室内可用高精度定位导航信号的上述问题，现提供一种旨在实现解决室内高精度定位信号问题的方法及系统。
具体技术方案如下：
一种基于信号多径传播测量的室内定位方法，其中，包括以下步骤：
步骤S1、于室内的多个信源中确定可用信源以及所述可用信源坐标；
步骤S2、获取移动终端到所述可用信源的距离；
步骤S3、基于所述距离获取所述移动终端当前的坐标；
步骤S4、所述移动终端基于所述坐标在电子地图上执行定位显示；
步骤S5、基于所述可用信源以及所述移动终端的坐标执行信道环境指纹分析引擎的训练。
优选的，在所述步骤S1中，所述移动终端确定所述可用信源以及所述可用信源坐标的方法包括以下步骤：
S101、于室内周边搜索所述可用信源；
S102、使用已知通讯协议进行测试是否匹配到已知协议；
若是，执行步骤S104；
若否，执行步骤S103；
S103、评估未知协议的协议参数，并返回步骤S102；
S104、将获取的所述可用信源的编号、信道参数加入到可用信源列表；
S 105、继续判断GNSS信号(GNSS，Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)是否可用；
若是，执行步骤S106；
若否，执行步骤S109；
S106、测定自身位置坐标；
S107、判断是否能正常取得位置坐标；
若是，执行步骤S108；
若否，执行步骤S110；
S108、搜索所述可用信源，并测定所述移动终端到所述可用信源的伪距；
S109、判断是否满足计算所述可用信源坐标的条件；
若是，执行步骤S111；
若否，执行步骤S110；
S110、延迟N秒，返回步骤S105；
S111、计算获得所述可用信源坐标；
S112、将所述可用信源坐标写入坐标数据库以及所述电子地图中；
S113、移动移动终端进入下一所述可用信源坐标的测量。
优选的，在所述步骤S2中，包括以下步骤：
S201、接收无线电信号，分离得到1个时隙的1个载频的信号，通过下式计算获得：
其中，a(k，l)多径衰减系数，具体表示第l个子载波的第k路多径分量的衰减系数；
Tl为第l个子载波第0路多径分量传播时间，或记作T(0，l)；
τ(k，l)表示以Tl为基准第l个子载波的第k路多径分量的时延，即TDOA；
低速短距离忽略多普勒频移条件下，同一个子载波所有多径分量的频率相同，第l个子载波的频率为f(l)；
S202、构建K个载波跟踪函数，如下式所示：
sk(t)＝p(k)exp[i2πf(k)t+θ(k)]；
其中，p(k)是路径时延t(k)上路径衰弱的相对功率；
f(k)是载波频率；
s(t)是接收到达信号；
sk(t)是第k路多径分量；
θ(k)是相位偏差；
p(k)是固定时延参量t(0)和附加时延参量t(k)的函数；
S203、测量可观测值ΔN(j)+Δφ(j)；
S204、正弦曲线拟合精确求解Δφ(j)；
S205、有限元逼近法求解整周模糊度N(j)；
S206、求解移动终端到可用信源j的距离，通过下式求解获得：
d(j)＝λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j))；
其中，N(j)为相位整周数；
ΔN(j)是首次测量之后累计变化整周数；
Δφ(j)为不足一周的部分；
N(j)是未知数；
实际观察到的值是ΔN(j)+Δφ(j)；
被称为理论相位差，N(j)被称为“整周模糊相位”；
当求解第l个子载波第k路多径分量的传播距离时，通过下式求解获得：
其中，为第l个子载波第k个路径分量相位整周数；
是首次测量之后第l个子载波第k个路多径分量累计变化整周数；
为第l个子载波第k个路多径分量不足一周的部分；
是未知数；
第l个子载波第k个路多径分量实际观察到的值是
被称为第l个子载波第k个路多径分量的理论相位差，被称为第l个子载波第k个路多径分量的“整周模糊相位”；
S207、求解所述可用信源j到所述移动终端的传播时间TOA，通过下式求解获得：
t＝(λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j)))/c；
其中，λ(j)表示信源子载波的波长，t传播时间即TOA，c表示光速。
优选的，在所述步骤S3中，获取所述移动终端的坐标的方法包括以下步骤：
S301、获取所述可用信源列表，包括每个所述可用信源的编号、三维坐标、信源协议、信号频率，信道环境参数；
S302、当根据区域信道条件判断使用多信源定位时，设定可用信源编号j＝0；
S303、取所述可用信源j的参数，包括信源编号、三维坐标、信源协议、信号频率；
S304、接收所述可用信源j的信号s(t)，求解所述移动终端到该信源距离d(j)，j＝j+1；
S305、判断信源数量是否满足j＞3，j取任意大于3的整数；
如条件成立执行步骤S306；
如件不成立执行步骤S303；
S306、利用所述移动终端到所述可用信源的一组伪距d(j)，计算所述移动终端坐标Q(t，x，t，z)。
优选的，在所述步骤S3中，获取所述移动终端的坐标的方法包括以下步骤：
S3001、获取所述可用信源列表，包括每个所述可用信源的编号、三维坐标、信源协议、信号频率，信道环境参数；
S3002、当根据区域信道条件判断使用单一信源定位时设定信源编号j＝0；
S3003、取所述可用信源j的参数，包括信源ID、三维坐标、信源协议、信号频率，信道参数；
S3004、接收所述可用信源j的第l个子载波信号，求解第l个子载波的所有k路多径距离重复求解所有l个子载波的多径距离
S3005、利用所述可用信源j和所述移动终端多径距离和所述可用信源j坐标、信道参数计算所述移动终端坐标Q(t，x，t，z)。
优选的，在所述步骤S5中，还包括以下步骤：
S51、以所述可用信源和所述移动终端的坐标为索引建立信道环境指纹数据库；
S52、以TOA或者TDOA大到小或小到大为序排列为波达向量，并保存到信道环境指纹数据库；
S53、用波达向量训练信道环境指纹分析引擎；
S54、更新信道环境指纹知识库；
S55、利用信道环境指纹知识库和信道环境指纹分析引擎计算所述移动终端坐标。
还包括一种基于信号多径传播测量的室内定位方法及系统，其中包括：
端信号处理与信源资源管理单元，用以于室内的多个信源中确定可用信源以及所述可用信源坐标；
距离计算单元，用以计算获取移动终端到所述可用信源的距离；
坐标计算单元，用以基于所述距离获取所述移动终端当前的坐标，以及基于所述可用信源以及所述移动终端的坐标执行信道环境指纹分析引擎的训练；
位置服务资源管理单元，用以基于所述坐标在电子地图上执行定位显示。
优选的，所述端信号处理与信源资源管理单元包括：
信号收发模块，用以实现模数/数模转换、调制解调、编码解码功能；
频谱感知自适应数字滤波模块，用于搜索感知无线电频谱，提取载波频率和相位；
信源锁定模块，用以向所述距离计算单元输出所述可用信源的信号；
信源搜索模块，用以搜索在所述移动终端当前位置周围的所述可用信源；
空闲信道选择模块，用以发送测距信号对当前的所述移动终端进行定位。
优选的，所述距离计算单元包括：
多径分量分离模块，用以以1个时隙为单位获取1个子载波信号，并将信号分解出K路多径分量，所述可用信源发出的信号经过多径传播，接收端接收到的信号如下式所示：
其中，a(k，l)多径衰减系数；
Tl为第l个子载波第0路多径分量传播时间，或记作T(0，l)；
τ(k，l)表示以Tl为基准第l个的第k路多径分量的时延，即TDOA；
在低速短距离忽略多普勒频移条件下，同一个子载波所有多径分量的频率相同，第l个子载波的频率为f(l)；
子载波信号跟踪模块，用以构建K个载波跟踪函数重构第0到k-1路多径分量，具体如下式所示：
sk(t)＝p(k)exp[i2πf(k)t+θ(k)]；
其中，p(k)是路径时延t(k)上路径衰弱的相对功率；
f(k)是载波频率；
s(t)是接收到达信号；
sk(t)是第k路多径分量；
θ(k)是相位偏差；
p(k)是固定时延参量t(0)和附加时延参量t(k)的函数；
相位跟踪锁定模块，用以建立一个锁相环，将所述多径分量分离模块分离出的第0路信号为路径最短信号，锁定该信号的初始相位φopt；
精准相位测量模块，用以求解θ(k)，检测第k路多径分量相位，与初始相位φopt比较，得到观测相位差；
距离和时间计算模块，用以根据相位求解距离以及时间，所述移动终端至所述可用信源的相位差通过下式计算获得：
其中，N(j)为相位整周数；
ΔN(j)是首次测量之后累计变化整周数；
Δφ(j)为不足一周的部分；
N(j)是未知数；
实际观察到的值是ΔN(j)+Δφ(j)；
实际观测值ΔN(j)+Δφ(j)被称为“观测相位差”；
被称为理论相位差，N(j)被称为“整周模糊相位”；
所述移动终端至所述可用信源之间的距离以及传播时间通过下式计算获得：
d(j)＝λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j))；
t＝(λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j)))/c；
其中，d(j)表示移动终端到可用信源的距离；
λ(j)表示信源子载波的波长，t传播时间即TOA，c表示光速。
优选的，所述坐标计算单元包括：
信源坐标计算模块，用以检测每个所述可用信源坐标；
信道环境指纹分析引擎，用以利用信号的多径分量TOA或者TDOA构造“波达向量”用于描述信道特征，并用于计算所述移动终端的坐标；
终端坐标计算模块，用以利用所述距离与时间计算模块输出的所述移动终端到一个或者多个信源的一组TOA或者TDOA，计算所述移动终端所在位置的坐标。
优选的，所述位置服务资源管理单元包括：
信道环境指纹数据库信道环境指纹知识库，用以保存信道环境指纹数据和信道环境指纹分析引擎的环境指纹知识；
地图访问中间件模块，用以实现所述移动终端与云端位置服务资源之间数据的交互，从云端资源获取本地资源，上传所述移动终端测量和定位数据；
地图引擎与位置服务模块，用以为所述移动终端提供服务资源数据，包括地图数据和基于位置服务的数据。
上述技术方案的有益效果是：对移动终端与可用信源之间的伪距离测量精度高，理论距离测量精度优于10-5定位信号波长；
实现优于10-2纳秒时间精度测量，满足优于10-2米精度定位的需求；实现室内三维坐标定位，定位精度优于10-2米；
采用公开可见基站和公开可见无线电信号，如LBS、WiFi、WiMAX、FM、ZigBee等固定基站信号实现定位，不需要基站所有者的访问授权，不增加基础设施建设投入和能耗，不加运营成本负担；
移动终端即主流配置的手机可用，用户手机不需要增加辅助设备。
附图说明
图1为本发明的一种基于信号多径传播测量的室内定位方法的实施例的流程示意图；
图2为本发明的一种基于信号多径传播测量的室内定位方法的实施例中，关于获取可用信源以及可用信源坐标的流程示意图；
图3为本发明的一种基于信号多径传播测量的室内定位方法的实施例中，关于获取移动终端至可用信源之间距离的方法的流程示意图；
图4为本发明的一种基于信号多径传播测量的室内定位方法及系统的实施例中，关于使用多信源定位的方法的流程示意图；
图5为本发明的一种基于信号多径传播测量的室内定位方法的实施例中，关于使用单一信源定位的方法的流程示意图；
图6为本发明的一种基于信号多径传播测量的室内定位方法的实施例中，关于信道环境指纹分析引擎的训练方法的流程示意图；
图7为本发明的一种基于信号多径传播测量的室内定位系统的实施例的结构示意图；
图8为本发明的一种基于信号多径传播测量的室内定位系统的另一实施例的结构示意图。
附图标记表示：
1、端信号处理与信源资源管理单元；2、距离计算单元；3、坐标计算单元；4、位置服务资源管理单元；
11、信号收发模块；12、频谱感知自适应数字滤波模块；13、信源锁定模块；14、信源搜索模块；15、空闲信道选择模块；
21、多径分量分离模块；22、子载波信号跟踪模块；23、相位跟踪锁定模块；24、精准相位测量模块；25、距离和时间计算模块；
31、信源坐标计算模块；32、信道环境指纹分析引擎；33、终端坐标计算模块；
41、信道环境指纹数据库信道环境指纹知识库；42、地图访问中间件模块；43、地图引擎与位置服务模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
需要说明的是，在不冲突的前提下，以下描述的实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本发明的技术方案中提供一种基于信号多径传播测量的室内定位方法。
如图1所示，一种基于信号多径传播测量的室内定位方法的实施例，其中，包括以下步骤：
步骤S1、于室内的多个信源中确定可用信源以及可用信源坐标；
步骤S2、获取移动终端到可用信源的距离；
步骤S3、基于距离获取移动终端当前的坐标；
步骤S4、移动终端基于坐标在电子地图上执行定位显示；
步骤S5、基于可用信源以及移动终端的坐标执行信道环境指纹分析引擎的训练。
上述技术方案中，可通过移动终端和可用信源之间的配合，执行上述步骤S1-S5，其解决的问题是利用公共可见信源在不使用授权许可、不增加通讯负担的条件下实现高精度室内定位。
在一种较优的实施方式中，如图2所示，在步骤S1中，移动终端确定可用信源以及可用信源坐标的方法包括以下步骤：
需要说明的是，室内条件下GNSS不可用，通过LBS基站、WiFi等基站实现高精度定位的前提条件是测定可以用作定位信号源基站高精度坐标。实现这个目标第一步要发现周边可用信源；
S101、首先加载无线电授权许可列表和已知通讯协议到信源搜索模块，于室内周边搜索可用信源(具体包括LBS基站、WiFi基站、WiMax基站、蓝牙基站、LoRa基站、ZigBee基站等，FM、GPS、BDS等所有可见信号源(固定基站))；
S102、使用已知通讯协议进行测试是否匹配到已知协议；
若是，执行步骤S104；
若否，执行步骤S103；
S103、评估未知协议的协议参数(其具体评估方法可采用多频带盲采样算法对未知协议的参数进行预测)，并返回步骤S102；
S104、将获取的可用信源的编号、信道参数加入到可用信源列表；
上述步骤S101-S104，用以获取可用信源，并将获取的可用信源加入到可用信源列表，在获取了可用信源之后，需要测定信源坐标，借助部分信源室内室外均可见的特性，先利用GNSS测定室外可见的室内基站，逐级测定室内基站，具体如下所示：
S105、路测模块开启，继续判断GNSS信号是否可用；
若是，执行步骤S106；
若否，执行步骤S109；
S106、路测接收机测定自身位置坐标；
S107、判断路测接收机是否正常取得位置坐标；
若是，执行步骤S108；
若否，执行步骤S109；
S108、搜索所述可用信源，并测定所述移动终端到所述可用信源的伪距；
S109、判断是否满足计算所述可用信源坐标的条件；
若是，执行步骤S111；
若否，执行步骤S110；
S110、延迟N秒，返回步骤S105；其中，N取为任意大于0的有理数，具体的取值范围为，1≤N≤100)；
S111、计算获得所述可用信源坐标；
S112、将所述可用信源坐标写入坐标数据库以及所述电子地图中；
S113、移动移动终端进入下一所述可用信源坐标的测量。
上述技术方案中，采集了可用信源到周边位置坐标和到信源的距离，利用前文“有限元逼近法”求解信源坐标，其他如机器学习方法、最大似然方法等都可以求解。
在一种较优的实施方式中，如图3所示，在步骤S2中，利用精确测定移动终端到信源信号传播相位的方式测量两者之间的距离，相位是时间的函数，工程上所测相位是指某一频率成分在某一时刻的瞬时相位。通过计算相位时间函数的反函数得到相位时间，具体可包括以下步骤：
S201、接收无线电信号，分离得到1个时隙的1个载频的信号，通过下式计算获得：
其中，a(k，l)多径衰减系数；
Tl为第l个子载波第0路多径分量传播时间，也记作T(0，l)；
τ(k，l)表示以Tl为基准第l个子载波的第k路多径分量的时延，即TDOA；
在低速短距离忽略多普勒频移条件下，同一个子载波所有多径分量的频率相同，第l个子载波的频率为f(l)；
S202、构建K个载波跟踪函数，如下式所示：
sk(t)＝p(k)exp[i2πf(k)t+θ(k)]；
其中，p(k)是路径时延t(k)上路径衰弱的相对功率；
f(k)是载波频率；
s(t)是接收到达信号；
sk(t)是第k路多径分量；
θ(k)是相位偏差；
p(k)是固定时延参量t(0)和附加时延参量t(k)的函数；
S203、测量可观测值ΔN(j)+Δφ(j)；
S204、正弦曲线拟合精确求解Δφ(j)；
S205、有限元逼近法求解整周模糊度N(j)；
S206、求解移动终端到可用信源j的距离，通过下式求解获得：
d(j)＝λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j))；
其中，N(j)为相位整周数；
ΔN(j)是首次测量之后累计变化整周数；
Δφ(j)为不足一周的部分；
N(j)是未知数；
实际观察到的值是ΔN(j)+Δφ(j)；
被称为理论相位差，N(j)被称为“整周模糊相位”；
在求解第l个子载波第k路多径分量的传播距离时，通过下式求解获得：
其中，为第l个子载波第k个路径分量相位整周数；
是首次测量之后第l个子载波第k个路多径分量累计变化整周数；
为第l个子载波第k个路多径分量不足一周的部分；
是未知数；
第l个子载波第k个路多径分量实际观察到的值是
被称为理论相位差，被称为“整周模糊相位”；S207、求解可用信源j到移动终端的传播时间TOA，通过下式求解获得：
t＝(λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j)))/c；其中，λ(j)表示信源子载波的波长，t传播时间即TOA，c表示光速。
在一种较优的实施方式中，在步骤S3中，上述的可用信源坐标多次可重复使用，计算得到信源坐标后可保存至坐标数据库，计算移动终端的坐标时直接下载使用。在周边可用信源多于3个时，可以使用多信源坐标计算，不满足多信源条件时可以使用单一信源定位方法。
如图4所示，采用多信源坐标计算获取移动终端的坐标的方法包括以下步骤：
S301、获取可用信源列表，包括每个可用信源的编号、三维坐标、信源协议、信号频率，信道环境参数；
S302、当根据区域信道条件判断使用多信源定位时，设定可用信源编号j＝0；
S303、取可用信源j的参数，包括信源编号、三维坐标、信源协议、信号频率；
S304、接收可用信源j的信号s(t)，求解移动终端到该信源距离d(j)，j＝j+1；
S305、判断信源数量是否满足j＞3，j取任意大于3的整数，具体取值范围在4≤j≤10；
如条件成立执行步骤S306；
如件不成立执行步骤S303；
S306、利用移动终端到可用信源的一组伪距d(j)，计算移动终端坐标Q(t，x，t，z)。
在一种较优的实施方式中，如图5所示，在步骤S3中，采用单一信源计算获取移动终端的坐标的方法包括以下步骤：
S3001、获取可用信源列表，包括每个可用信源的编号、三维坐标、信源协议、信号频率，信道环境参数；
S3002、当根据区域信道条件判断使用单一信源定位时设定信源编号j＝0；
S3003、取可用信源j的参数，包括信源ID、三维坐标、信源协议、信号频率，信道参数；
S3004、接收所述可用信源j的第l个子载波信号，求解第l个子载波的所有k路多径距离重复求解所有l个子载波的多径距离
S3005、利用多径距离和可用信源j坐标、信道参数计算移动终端坐标Q(t，x，t，z)。
上述技术方案中，在获取可用信源列表，包括每个可用信源的编号、三维坐标、信源协议、信号频率，信道环境参数等之后，根据区域信道条件判断使用单一信源定位还是使用多信源坐标计算获得移动终端坐标。
在步骤S4中，移动终端上传坐标到云端地图服务引擎，云端将根据移动终端的行为和位置推送信息到移动终端并显示在屏幕上。
以下以一种具体实施方式进行说明，在技术侦测中，进行实时定位的方法步骤如下，我们假设移动终端为技侦终端，可用信源为被侦测终端发出的信号；
技侦终端识别被侦测终端身份和信号，确定被侦测终端使用的信道。
技侦终端接收被侦测终端一个或多个子载波信号。
多径分量测距法测量被侦测终端到侦测终端的伪距。
技侦终端测定自己的坐标。
根据技侦终端坐标和多径传播距离，计算被侦测终端坐标。
移动技侦终端，变更技侦终端坐标，重复以上步骤优化测量结果。
指示被侦测终端所在方向和距离，在地图上显示被定位终端位置。
上述实施例中，能够有效克服被侦测终端所在区域信道条件复杂的问题，能够准确的指示被侦测终端即被测目标所在方位，为公检法等机构定位到个体目标。
在一种较优的实施方式中，如图6所示，在步骤S5中，还包括以下步骤：
S51、以可用信源和移动终端的坐标为索引建立信道环境指纹数据库；
S52、以TOA或者TDOA大到小或小到大为序排列为波达向量，并保存到信道环境指纹数据库；
S53、用波达向量训练信道环境指纹分析引擎；
S54、更新信道环境指纹知识库；
S55、利用信道环境指纹知识库和信道环境指纹分析引擎计算移动终端坐标。
本发明的技术方案中还包括一种基于信号多径传播测量的室内定位系统。
如图7所示，一种基于信号多径传播测量的室内定位系统的实施例，其中，包括：
端信号处理与信源资源管理单元，用以于室内的多个信源中确定可用信源以及可用信源坐标；
距离计算单元，用以计算获取移动终端到可用信源的距离；
坐标计算单元，用以基于距离获取移动终端当前的坐标，以及基于可用信源以及移动终端的坐标执行信道环境指纹分析引擎的训练；
位置服务资源管理单元，用以基于坐标在电子地图上执行定位显示。
上述技术方案中，各单元可形成于一移动终端中，通过移动终端与可用信源之间的配合，可有效的解决利用公共可见信源在不使用授权许可、不增加通讯负担的条件下实现高精度室内定位。
在一种较优的实施方式中，端信号处理与信源资源管理单元主要实现无线电信号收发基本功能和可用信源、信道、载波子载波的检测和认知，管理可用信道/信号资源，接收和发送信号，如图8所示，其具体包括：
信号收发模块，由软件无线电方法实现的数字信号接发模块，用以实现模数/数模转换、调制解调、编码解码功能由天线、DSP/FPGA等硬件和软件构成；
频谱感知自适应数字滤波模块，由软件方法实现的参数可调节滤波器，用于搜索感知无线电频谱，提取载波频率和相位；
信源锁定模块，用以向距离计算单元输出可用信源的信号，用于计算移动终端到可用信源的距离，选择规则由信源锁定模块维护管理。；
信源搜索模块，用以搜索在移动终端当前位置周围的可用信源，作为定位信源的可用信源必须具有固定位置、可识别的ID和稳定的信号，信源搜索模块发现这些信号源并识别其ID、频谱、协议等无线电特性参数；
空闲信道选择模块，移动终端在自定位过程用以发送测距信号，使用可见信源，如WiFi的空闲信道或者使用手机信号用手机的空闲信道发射测距信号，对当前的移动终端进行定位。
在一种较优的实施方式中，距离计算单元实现移动终端到可用信源的高精度测距，通过分离多径分量并对多径分量波达相位差进行测量，实现高精度测距，具体包括：
多径分量分离模块，用以以1个时隙为单位获取子载波信号，并将信号分解出K路多径分量，可用信源发出的信号经过多径传播，接收端(可为移动终端)接收到的信号如下式所示：
其中，a(k，l)多径衰减系数；
Tl为第l个子载波的第0路多径分量的传播时间；
低速短距离忽略多普勒频移条件下，τ(k，l)表示以Tl为基准第l个子载波的第k路多径分量的时延，即TDOA；
在低速短距离忽略多普勒频移条件下，同一个子载波所有多径分量的频率相同，第l个子载波的频率为f(l)；
需要说明的是，目前用于分离多径分量的方法常用的由Gabor方法、小波展开法、自相关法、神经网络分离法、机器学习法等；
子载波信号跟踪模块，用以构建K个载波跟踪函数重构第0到k-1路多径分量，具体如下式所示：
sk(t)＝p(k)exp[i2πf(k)t+θ(k)]；
其中，p(k)是路径时延t(k)上路径衰弱的相对功率；
f(k)是载波频率；
s(t)是接收到达信号；
sk(t)是第k路多径分量；
θ(k)是相位偏差；
p(k)是固定时延参量t(0)和附加时延参量t(k)的函数；
相位跟踪锁定模块，用以建立一个锁相环，将多径分量分离模块分离出的第0路信号为路径最短信号，锁定该信号的初始相位φopt；
精准相位测量模块，用以求解θ(k)，检测第k路多径分量相位，与初始相位φopt比较，得到观测相位差；
需要说明的是，上述可用的求解方法包括相关法、希尔伯特变换法等，本发明应用“加细函数”改良的“正弦曲线拟合”方法求解多径分量相位差。“正弦曲线拟合”为该领域技术人员熟知的函数，此处不再赘述，经过加细函数改良之后测相精度和测量效率进一步提高。
距离和时间计算模块，用以根据相位求解距离以及信号传播时间，移动终端至可用信源的相位差通过下式计算获得：
其中，N(j)为相位整周数；
ΔN(j)是首次测量之后累计变化整周数；
Δφ(j)为不足一周的部分；
N(j)是未知数；
实际观察到的值是ΔN(j)+Δφ(j)；
实际观测值ΔN(j)+Δφ(j)被称为“观测相位差”；
被称为理论相位差，N(j)被称为“整周模糊相位”；
移动终端至可用信源之间的距离以及时间差通过下式计算获得：
d(j)＝λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j))；
t＝(λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j)))/c；
其中，d(j)表示移动终端到可用信源的距离；
λ(j)表示信源子载波的波长，t传播时间即TOA，c表示光速。
当求解第l个子载波第k路多径分量的传播距离时，通过下式求解获得：
其中，为第l个子载波第k个路径分量相位整周数；
是首次测量之后第l个子载波第k个路多径分量累计变化整周数；
为第l个子载波第k个路多径分量不足一周的部分；
是未知数；
第l个子载波第k个路多径分量实际观察到的值是
被称为理论相位差，被称为“整周模糊相位”。
上述技术方案中，求解过程分为三步，具体如下：
第一步求解“整周模糊相位”N(j)，室内环境下，移动终端与信源距离有限，本发明给出一个“有限元逼近法”。
首先将目标空域切分成B×W×H个边长为定位波长λ(j)的立方体并编号，计算立方体到信源的距离使之满足由观察值构成的方程，根据马尔可夫和贝叶斯模型滤除干扰解，得到N(j)值。计算过程可以用先验信息和机器学习模型进行优化，例如利用信道环境指纹分析引擎107进行快速计算N(j)值。
第二步求解，精确求解相位差，由“精准相位检测模块”执行上述检测方法。
第三步计算移动终端到可用信源距离，频率和时间是与“相位”关联的物理量；
具体计算公式如下：
d(j)＝λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j))，
t＝(λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j)))/c，
式中d(j)表示移动终端到可用信源j的距离，λ(j)表示信源子载波的波长，t传播时间差，c表示光速。带入各值求出传播距离d(j)和传播时间t。时变条件下由于多普勒效应的存在，使得同一个信源同一子载波信号也会存在频率偏差和传播时间偏差。
一般信道条件下第0条到达路径信号为最短波达路径，波达方向DOA为目标所在方向。复杂信道条件下，第一波达信号可能是反射或者衍射信号。多径定位算法不受影响。
在一种较优的实施方式中，坐标计算单元包括：
信源坐标计算模块，用以检测每个可用信源坐标，测量过程需要先利用户外GNSS确定室外可见信源坐标，由室内可见的室外信源坐标逐级优化室外不可见信源坐标；
具体信源坐标计算模块执行的计算方法如下：
路测装置首先利用GNSS确定自身的精确坐标Q(t，x，t，z)；
GNSS不可用的时候检测是由已经测定坐标的可用信源，逐级测定；
路测装置识别可用信源j，测量信源j到路测装置s的距离Δt(s，j)；
变换路测装置的位置，重复以上步骤，获得多次坐标和距离观测值；
路测装置坐标和距离观测值上传到网络中心或者在本地，以计算获得可用信源坐标。
需要说明的是计算方法采用公知的几何测量法，或者采用本发明前文“有限元逼近法”，在指定位置空域划分有限元空间进行多步逼近计算。得到可用信源j的三维坐标。信源j坐标在地图(地图数据库)上标注备用。
信道环境指纹分析引擎，用以利用信号的多径分量传播时间TOA或传播时间差TDOA构造“波达向量”用于描述信道特征，并用于计算移动终端的坐标，具体计算方法如下：
将TOA或者TDOA按照顺序/反顺序排列成“波达向量”，用波达向量训练信道环境指纹分析引擎，得到信道环境指纹知识库。使用信道环境指纹分析引擎和信道环境指纹知识可以用于大粒度计算移动终端坐标，用于优化“有限元逼近法”快速计算N(j)值。
终端坐标计算模块，用以利用距离与时间计算模块105输出的移动终端到1个或者多个信源的一组TOA或者TDOA，计算移动终端所在位置的坐标，具体计算方法如下：
可用信源坐标确定，利用4个或4个以上信源可以实现精确定位，可用信源数不足4个，在信道环境确定的情况下可利用计算1个子载波多径信号传播时间TOA或者传播时间差TDOA、重复计算多个子载波实现移动终端定位计算或者利用信道环境指纹分析引擎实现移动终端定位计算。
计算和测量结果更新到地图数据库，每个子载波的波达向量保存到信道环境数据，并用来训练信道环境指纹分析引擎，生成信道环境指纹。
在一种较优的实施方式中，位置服务资源管理单元包括：
信道环境指纹数据库信道环境指纹知识库，用以保存信道环境指纹数据和信道环境指纹分析引擎的环境指纹知识；
地图访问中间件模块，用以实现移动终端与云端位置服务资源之间数据的交互，从云端资源获取本地资源，上传移动终端测量和定位数据；
地图引擎与位置服务模块，用以为移动终端提供服务资源数据，包括地图数据和基于位置服务的数据。
以下以一种具体实施方式进行说明，基于信号相位时间测量方法可以测量所有多径分量由定位信源到移动终端的距离，本实施例中给出单一信源利用多径分量传播定位移动终端的流程，具体如下：
移动终端搜索周边可用信源，识别信源编号，获取信源坐标，获取移动终端所在位置范围和信道环境参数。
移动终端接收信源信号，计算移动终端到可用信源的多径距离。
应用信道环境数据库，计算移动终端的当前位置。
将相对位置转换成为地图坐标。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种基于信号多径传播测量的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、于室内的多个信源中确定可用信源以及所述可用信源坐标；
S2、获取移动终端到所述可用信源的距离；
S3、基于所述距离获取所述移动终端当前的坐标；
S4、所述移动终端基于所述坐标在电子地图上执行定位显示；
S5、基于所述可用信源以及所述移动终端的坐标执行信道环境指纹分析引擎的训练。
2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述移动终端确定所述可用信源以及所述可用信源坐标的方法包括以下步骤：
S101、于室内周边搜索所述可用信源；
S102、使用已知通讯协议进行测试是否匹配到已知协议；
若是，执行步骤S104；
若否，执行步骤S103；
S103、评估未知协议的协议参数，并返回步骤S102；
S104、将获取的所述可用信源的编号、信道参数加入到可用信源列表；
S105、继续判断GNSS信号是否可用；
若是，执行步骤S106；
若否，执行步骤S109；
S106、测定自身位置坐标；
S107、判断是否能正常取得位置坐标；
若是，执行步骤S108；
若否，执行步骤S110；
S108、搜索所述可用信源，并测定所述移动终端到所述可用信源的伪距；
S109、判断是否满足计算所述可用信源坐标的条件；
若是，执行步骤S111；
若否，执行步骤S110；
S110、延迟N秒，返回步骤S105；
S111、计算获得所述可用信源坐标；
S112、将所述可用信源坐标写入坐标数据库以及所述电子地图中；
S113、移动移动终端进入下一所述可用信源坐标的测量。
3.根据权利要求2所述的室内定位方法，其特征在于，在所述步骤S2中，包括以下步骤：
S201、接收无线电信号，分离得到1个时隙1个子载波的信号，通过下式计算获得：
其中，a(k，l)多径衰减系数，具体表示第l个子载波的第k路多径分量的衰减系数；
Tl为第l个子载波第0路多径分量传播时间，或记作T(0，l)；
τ(k，l)表示以Tl为基准第l个子载波的第k路多径分量相对第0路多径分量的时延，即TDOA；
在低速短距离忽略多普勒频移条件下，同一个子载波所有多径分量的频率相同，第l个子载波的频率为f(l)；
S202、构建K个载波跟踪函数，如下式所示：
sk(t)＝p(k)exp[i2πf(k)t+θ(k)]；
其中，p(k)是路径时延t(k)上路径衰弱的相对功率；
f(k)是载波频率；
s(t)是接收到达信号；
sk(t)是第k路多径分量；
θ(k)是相位偏差；
p(k)是固定时延参量t(0)和附加时延参量t(k)的函数；
S203、测量可观测值ΔN(j)+Δφ(j)；
S204、正弦曲线拟合精确求解Δφ(j)；
S205、有限元逼近法求解整周模糊度N(j)；
S206、求解所述移动终端到所述可用信源j的距离，通过下式求解获得：
d(j)＝λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j))；
其中，N(j)为相位整周数；
ΔN(j)是首次测量之后累计变化整周数；
Δφ(j)为不足一周的部分；
N(j)是未知数；
实际观察到的值是ΔN(j)+Δφ(j)；
被称为理论相位差，N(j)被称为“整周模糊相位”；
当求解第l个子载波第k路多径分量的传播距离时，通过下式求解获得：
其中，为第l个子载波第k个路径分量相位整周数；
是首次测量之后第l个子载波第k个路多径分量累计变化整周数；
为第l个子载波第k个路多径分量不足一周的部分；
是未知数；
第l个子载波第k个路多径分量实际观察到的值是
被称为第l个子载波第k个路多径分量的理论相位差，被称为第l个子载波第k个路多径分量的“整周模糊相位”；
S207、求解所述可用信源j到所述移动终端的传播时间，通过下式求解获得：
t＝(λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j)))/c；其中，λ(j)表示信源子载波的波长，t传播时间即TOA，c表示光速。
4.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，在所述步骤S3中，获取所述移动终端的坐标的方法包括以下步骤：
S301、获取所述可用信源列表，包括每个所述可用信源的编号、三维坐标、信源协议、信号频率，信道环境参数；
S302、当根据区域信道条件判断使用多信源定位时，设定可用信源编号j＝0；
S303、取所述可用信源j的参数，包括信源编号、三维坐标、信源协议、信号频率；
S304、接收所述可用信源j的信号s(t)，求解所述移动终端到该信源距离d(j)，j＝j+1；
S305、判断信源数量是否满足j＞3；j取任意大于3的整数；
如条件成立执行步骤S306；
如件不成立执行步骤S303；
S306、利用所述移动终端到所述可用信源的一组伪距d(j)，计算所述移动终端坐标Q(t，x，t，z)。
5.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，在所述步骤S3中，获取所述移动终端的坐标的方法包括以下步骤：
S3001、获取所述可用信源列表，包括每个所述可用信源的编号、三维坐标、信源协议、信号频率，信道环境参数；
S3002、当根据区域信道条件判断使用单一信源定位时设定信源编号j＝0；
S3003、取所述可用信源j的参数，包括信源ID、三维坐标、信源协议、信号频率，信道参数；
S3004、接收所述可用信源j的第l个子载波信号，求解第l个子载波的所有k路多径距离重复求解所有l个子载波的多径距离
S3005、利用多径距离和所述可用信源j坐标、信道参数计算所述移动终端坐标Q(t，x，t，z)。
6.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，在所述步骤S5中，还包括以下步骤：
S51、以所述可用信源和所述移动终端的坐标为索引建立信道环境指纹数据库；
S52、以TOA或者TDOA大到小或小到大为序排列为波达向量，并保存到信道环境指纹数据库；
S53、用波达向量训练信道环境指纹分析引擎；
S54、更新信道环境指纹知识库；
S55、利用信道环境指纹知识库和信道环境指纹分析引擎计算所述移动终端坐标。
7.一种基于信号多径传播测量的室内定位系统，其特征在于，包括：
端信号处理与信源资源管理单元，用以于室内的多个信源中确定可用信源以及所述可用信源坐标；
距离计算单元，用以计算获取移动终端到所述可用信源的距离；
坐标计算单元，用以基于所述距离获取所述移动终端当前的坐标，以及基于所述可用信源以及所述移动终端的坐标执行信道环境指纹分析引擎的训练；
位置服务资源管理单元，用以基于所述坐标在电子地图上执行定位显示。
8.根据权利7所述的室内定位系统，其特征在于，所述端信号处理与信源资源管理单元包括：
信号收发模块，用以实现模数/数模转换、调制解调、编码解码功能；
频谱感知自适应数字滤波模块，用于搜索感知无线电频谱，提取载波频率和相位；
信源锁定模块，用以向所述距离计算单元输出所述可用信源的信号；
信源搜索模块，用以搜索在所述移动终端当前位置周围的所述可用信源；
空闲信道选择模块，用以发送测距信号对当前的所述移动终端进行定位。
9.根据权利7所述的室内定位系统，其特征在于，所述距离计算单元包括：
多径分量分离模块，用以以1个时隙为单位获取1个子载波信号，并将信号分解出K路多径分量，所述可用信源发出的信号经过多径传播，接收端接收到的信号如下式所示：
其中，a(k，l)多径衰减系数；
Tl为第l个子载波第0路信号传播时间，或记作T(0，l)；
τ(k，l)表示以Tl为基准第l个子载波的第k路多径分量的时延，即TDOA；
在低速短距离忽略多普勒频移条件下，同一个子载波所有多径分量的频率相同，第l个子载波的频率为f(l)；
子载波信号跟踪模块，用以构建K个载波跟踪函数重构第0到k-1路多径分量，具体如下式所示：
sk(t)＝p(k)exp[i2πf(k)t+θ(k)]；
其中，p(k)是路径时延t(k)上路径衰弱的相对功率；
f(k)是载波频率；
s(t)是接收到达信号；
sk(t)是第k路多径分量；
θ(k)是相位偏差；
p(k)是固定时延参量t(0)和附加时延参量t(k)的函数；
相位跟踪锁定模块，用以建立一个锁相环，将所述多径分量分离模块分离出的第0路信号为路径最短信号，锁定该信号的初始相位φopt；
精准相位测量模块，用以求解θ(k)，检测第k路多径分量相位，与初始相位φopt比较，得到观测相位差；
距离和时间计算模块，用以根据相位求解距离以及时间，所述移动终端至所述可用信源的相位差通过下式计算获得：
其中，N(j)为相位整周数；
ΔN(j)是首次测量之后累计变化整周数；
Δφ(j)为不足一周的部分；
N(j)是未知数；
实际观察到的值是ΔN(j)+Δφ(j)；
实际观测值ΔN(j)+Δφ(j)被称为“观测相位差”；
被称为理论相位差，N(j)被称为“整周模糊相位”；
所述移动终端至所述可用信源之间的距离以及传播时间通过下式计算获得：
d(j)＝λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j))；
t＝(λ(j)(N(j)+ΔN(j)+Δφ(j)))/c；
其中，d(j)表示移动终端到可用信源的距离；
λ(j)表示信源子载波的波长，t传播时间即TOA，c表示光速。
10.根据权利9所述的室内定位系统，其特征在于，所述坐标计算单元包括：
信源坐标计算模块，用以检测每个所述可用信源坐标；
信道环境指纹分析引擎，用以利用信号的多径分量传播时间TOA或传播时间差TDOA构造“波达向量”用于描述信道特征，并用于计算所述移动终端的坐标；
终端坐标计算模块，用以利用所述距离与时间计算模块输出的所述移动终端到一个或者多个信源的一组TOA或TDOA，计算所述移动终端所在位置的坐标。
11.根据权利7所述的室内定位系统，其特征在于，所述位置服务资源管理单元包括：
信道环境指纹数据库信道环境指纹知识库，用以保存信道环境指纹数据和信道环境指纹分析引擎的环境指纹知识；
地图访问中间件模块，用以实现所述移动终端与云端位置服务资源之间数据的交互，从云端资源获取本地资源，上传所述移动终端测量和定位数据；
地图引擎与位置服务模块，用以为所述移动终端提供服务资源数据，包括地图数据和基于位置服务的数据。
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