CN112415470A - 基于信号波动情况的目标定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于信号波动情况的目标定位方法。其包括在待检测空间内呈网格状均匀布置多个信号接收器，将信号发射器分散部署在待检测空间内；获得各固定节点处实际信号值；当待定位信号接收器附着于待定位目标而进入到待检测空间后，获得此种情况下所有固定节点处信号接收器所反射出的信号值；确定出待定位信号接收器所在网格的标号；估计出待定位信号接收器位置等步骤。本发明对固定节点的布局进行设定，将固定节点部署于均匀网格的交点，且设定固定节点的间隔距离为特定值，以提高邻近固定节点选择的准确性。由于固定节点处与待定位节点均位于同样的传播环境，因此本方法对动态环境因素具有很好的鲁棒性。

Description

基于信号波动情况的目标定位方法

技术领域

本发明属于室内无线定位技术领域，特别是涉及一种基于信号波动情况的目标定位方法。

背景技术

随着物联网技术的不断进步，基于位置的服务的越来越引起人们的兴趣，因此高精度的位置信息估计成为目前研究的重点及难点问题。目前常见的无线定位技术包括GPS，蓝牙，超声波，超宽带，Wi-Fi，计算机视觉，超高频射频识别(UHF RFID)等技术。其中对于室内环境下的定位技术，尤其是需要定位大量物品，人员等应用环境，无源UHF RFID凭借其非接触、造价低、易铺设、低功耗等优势，成为了近来年室内定位研究的热点。

目前无源UHF RFID定位技术中比较经典的定位方法就是引入固定节点，在固定节点处部署位置信息已知的参考标签，通过比较参考标签与待定标签之间无线信号信息的近似度来选择邻近参考标签，并利用邻近参考标签估计待定位目标的位置信息。固定节点位于均匀网格中的交点处，为提高定位精度传统方法在预算条件允许的前提下会尽量增加固定节点部署的密度。但由于固定节点之间会产生互耦影响，密度过高时反而会降低邻近标签选择的准确性，进而导致定位精度下降，因此单纯通过增加固定节点的部署密度来提高定位精度是存在局限性的。已有研究表明，标签天线的互耦效应对标签反向散射信号的影响与标签之间的间隔距离存在一定关系，并且呈现一定周期规律性。根据这一结论，可在参考标签的部署间隔距离方面展开探索，对间隔距离设定具体要求，从而提高邻近参考标签的选择准确性，最终降低定位误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于信号波动情况的目标定位方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于信号波动情况的目标定位方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)在待检测空间内呈网格状均匀布置多个作为固定节点的信号接收器，给每个网格设定一个标号，并将信号发射器分散部署在待检测空间内；

2)利用信号发射器发射信号并接收各固定节点所反射出的信号，获得各固定节点所反射出的实际信号值；

3)当待定位信号接收器t附着于待定位目标而进入到待检测空间后，获得此种情况下所有固定节点所反射出的信号值，并利用该信号值与上述实际信号值的差值获得初步邻近固定节点及各固定节点处信号值的变化量的欧式距离；

4)利用上述初步邻近固定节点确定出待定位信号接收器t所在网格的标号q；

5)根据上述待定位信号接收器t所在网格的标号q，获得其四个最终邻近固定节点以及信号值的变化量的欧式距离，由此确定出这四个最终邻近固定节点的权重，最终估计出待定位信号接收器t的位置。

在步骤1)中，所述的在待检测空间内呈网格状均匀布置多个作为固定节点的信号接收器，给每个网格设定一个标号，并将信号发射器分散部署在待检测空间内的方法是：当确定好待检测空间内需布置的num个信号发射器和n个信号接收器后，计算信号发射器发射出的信号波长λ，然后根据信号波长λ将固定节点的间隔距离设定为λ/2+8*p，其中p为非负整数，二分之一波长选取一个整数，之后按上述间隔距离将n个信号接收器作为固定节点均匀布置在待检测空间内，由此将待检测空间均匀分成多个网格，固定节点处于网格交点，并给每个网格设定一个标号，将num个信号发射器分散部署在待检测空间内。

在步骤2)中，所述的利用信号发射器发射信号并接收各固定节点所反射出的信号，获得各固定节点所反射出的实际信号值的方法是：

将各固定节点处所对应的理论信号值记为：

利用信号发射器发射信号并接收各固定节点所反射出的信号，重复多次实验，记录各个固定节点处信号值的小幅波动情况，获得各固定节点所反射出的实际信号值并记为：

其中，

表示固定节点i与第num个信号发射器之间传输的无线信号由于多径传播、设备热噪声和环境噪声在内的因素而引起的信号值小幅波动的统计值。

在步骤3)中，所述的当待定位信号接收器t附着于待定位目标而进入到待检测空间后，获得此种情况下所有固定节点所反射出的信号值，并利用该信号值与上述实际信号值的差值获得初步邻近固定节点及各固定节点处信号值的变化量的欧式距离的方法是：

利用信号发射器发射信号并接收从固定节点所反射出的信号，统计m次实验下各个固定节点处所对应的信号值的均值，记为

然后计算该信号值的均值与上述实际信号值的差值而获得各个固定节点处信号值的变化量

将上述信号值的变化量

与变化量的阈值进行比较，筛选出超过阈值的固定节点，并将这些固定节点归类为初步邻近固定节点；

计算固定节点处信号值的变化量的欧式距离Δ'_i：

在步骤4)中，所述的利用上述初步邻近固定节点确定出待定位信号接收器t所在网格的标号q的方法是：

根据网格的标号统计出该网格对应的固定节点的标号，并将上述初步邻近固定节点的标号与每一个网格对应的所有固定节点的标号进行比对，最终将包含最多初步邻近固定节点的网格的标号确定为待定位信号接收器t所在的网格的标号q。

在步骤5)中，所述的根据上述待定位信号接收器t所在网格的标号q，获得其四个最终邻近固定节点以及信号值的变化量的欧式距离，由此确定出这四个最终邻近固定节点的权重，最终估计出待定位信号接收器t的位置的方法是：

根据待定位信号接收器t所在网格的标号q确定出其对应的四个最终邻近固定节点，再利用这四个最终邻近固定节点所对应的信号值的变化量确定出每个邻近固定节点的权重：

四个最终邻近固定节点的坐标为：

N(x₁,y₁,z₁),N(x₂,y₂,z₂),N(x₃,y₃,z₃),N(x₄,y₄,z₄) (5)

利用公式(4)获得的信号值的变化量的欧式距离，计算出四个邻近固定节点的权重：

最后利用四个最终邻近固定节点的坐标和权重确定出待定位信号接收器t的坐标(x,y,z)：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，本发明对固定节点的布局进行设定，将固定节点部署于均匀网格的交点，且设定固定节点的间隔距离为特定值，以提高邻近固定节点选择的准确性，克服以往固定节点之间天线互耦性对定位精度的负面影响。由于固定节点处与待定位节点均位于同样的传播环境，因此本方法对动态环境因素具有很好的鲁棒性。然后基于无线信号波动情况对待定位节点实现初步定位，也是非常重要的定位环节，最后利用信号相似性完成定位。实验结果表明，本发明方法初步判定待定位节点所处的网格正确率100％，因此定位性能较高且硬件设备简单易实现。

附图说明

图1为本发明实施例中参考标签布局示意图。

图2为本发明实施例以信号能量信息为例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图2所示，本实施例以无源超高频射频识别技术为例来说明本发明提供的基于信号波动情况的目标定位方法，其中信号发射器由包含发射/接收一体天线的读卡器表示，待定位节点由待定位无源射频标签(待测标签)表示，固定节点由已知位置的无源射频标签表示，可称为参考标签，发射信号频率为922MHz。

步骤1、部署参考标签：

待检测空间的大小为1.6×0.96米的二维空间，将读卡器连接电脑用于上传数据，部署一个读卡器在待检测空间的一边，正对待检测空间，如图1所示。

虽然已经说明参考标签应部署在网格交点处，但应遵循以下几点原则：

1)固定节点间隔距离应取整值，方便统计参考标签的位置信息；

2)标签类型繁多，参考标签应统一类型；

3)读卡器天线的发射功率应保证所有参考标签均能被激活。

遵循上述原则可以保证部署环节的有效性，降低部署工作强度。

按照特定的间隔距离划定出15个网格，网格间距为32cm，假设规划的网格包含有24个固定节点，且每个固定节点均称为一个参考标签。

利用读卡器发射信号并接收各参考标签所反射出的信号，各个参考标签处所对应的理论信号值记为：

重复多次实验，记录各个参考标签处信号值的小幅波动的统计值，在实验环境下，小幅波动的统计值

为±0.5dBm。

步骤2、筛选邻近参考标签：

待测标签t附着于待定位目标进入待检测空间后，获得所有参考标签所反射出的信号值：

对于24个参考标签，1个读卡器，通过重复获取的方式，统计m次实验下出各个参考标签处所对应的信号值，记为

计算各个参考标签处信号值的变化量

并找出信号值的变化量大于等于1dBm(变化量的阈值)的参考标签，并将这些参考标签归类为邻近参考标签。

计算各个邻近参考标签处信号值的变化量的欧式距离

步骤3、初步确定待测标签所在网格的标号q：

根据网格的标号统计该网格对应的参考标签的标号，比如标号为grid₁的第一个网格对应的参考标签的标号为grid₁＝{1，2，5，6}，并将上述邻近参考标签的标号与每一个网格的标号grid₁对应的所有参考标签的标号grid₁＝{1，2，5，6}进行比对，最终将包含最多邻近参考标签的网格的标号确定为待测标签t所在网格的标号q。

步骤4、待测标签位置估计：

根据待测标签t所在网格的标号q确定出其对应的四个邻近参考标签，再利用这四个邻近参考标签所对应的信号值的变化量确定出每个邻近固定节点的权重：

四个邻近固定节点的坐标为：

N(x₁,y₁,z₁),N(x₂,y₂,z₂),N(x₃,y₃,z₃),N(x₄,y₄,z₄) (9)

仍假设待测标签t位于第一个网格内，利用上述步骤2获得的信号值的变化量的欧式距离{Δ'₁,Δ'₂,Δ'₅,Δ'₆}，计算出四个邻近参考标签的权重：

最后利用四个邻近参考标签的坐标和权重确定出待测标签t的坐标(x,y,z)：

假设待测标签进入第一个网格，实际位置为(15,19)(cm)，通过步骤3可判断出其位于第一个网格内，且参考标签1处对应的能量变化量为0.5dBm，参考标签2处对应的能量变化量为1dBm，参考标签5处对应的能量变化量为3dBm，参考标签6处对应的能量变化量为2.5dBm。利用步骤4中公式(11)估计出待测标签的位置约为：(16,25)(cm)，则位置估计误差约为：6.08cm。本测试采用的标签约为5cm×5cm，一般标签附着物品的自身尺寸要大于标签的尺寸，可见此误差在物品自身尺寸数量级中，所以可认为此误差在可接受范围内。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于信号波动情况的目标定位方法，其特征在于：所述的基于信号波动情况的目标定位方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)在待检测空间内呈网格状均匀布置多个作为固定节点的信号接收器，给每个网格设定一个标号，并将信号发射器分散部署在待检测空间内；

2)利用信号发射器发射信号并接收各固定节点所反射出的信号，获得各固定节点所反射出的实际信号值；

3)当待定位信号接收器t附着于待定位目标而进入到待检测空间后，获得此种情况下所有固定节点所反射出的信号值，并利用该信号值与上述实际信号值的差值获得初步邻近固定节点及各固定节点处信号值的变化量的欧式距离；

4)利用上述初步邻近固定节点确定出待定位信号接收器t所在网格的标号q；

5)根据上述待定位信号接收器t所在网格的标号q，获得其四个最终邻近固定节点以及信号值的变化量的欧式距离，由此确定出这四个最终邻近固定节点的权重，最终估计出待定位信号接收器t的位置。

2.根据权利要求1所述的基于信号波动情况的目标定位方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的在待检测空间内呈网格状均匀布置多个作为固定节点的信号接收器，给每个网格设定一个标号，并将信号发射器分散部署在待检测空间内的方法是：当确定好待检测空间内需布置的num个信号发射器和n个信号接收器后，计算信号发射器发射出的信号波长λ，然后根据信号波长λ将固定节点的间隔距离设定为λ/2+8*p，其中p为非负整数，二分之一波长选取一个整数，之后按上述间隔距离将n个信号接收器作为固定节点均匀布置在待检测空间内，由此将待检测空间均匀分成多个网格，固定节点处于网格交点，并给每个网格设定一个标号，将num个信号发射器分散部署在待检测空间内。

3.根据权利要求1所述的基于信号波动情况的目标定位方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的利用信号发射器发射信号并接收各固定节点所反射出的信号，获得各固定节点所反射出的实际信号值的方法是：

将各固定节点处所对应的理论信号值记为：

利用信号发射器发射信号并接收各固定节点所反射出的信号，重复多次实验，记录各个固定节点处信号值的小幅波动情况，获得各固定节点所反射出的实际信号值并记为：

其中，

表示固定节点i与第num个信号发射器之间传输的无线信号由于多径传播、设备热噪声和环境噪声在内的因素而引起的信号值小幅波动的统计值。

4.根据权利要求1所述的基于信号波动情况的目标定位方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的当待定位信号接收器t附着于待定位目标而进入到待检测空间后，获得此种情况下所有固定节点所反射出的信号值，并利用该信号值与上述实际信号值的差值获得初步邻近固定节点及各固定节点处信号值的变化量的欧式距离的方法是：

利用信号发射器发射信号并接收各固定节点所反射出的信号，统计m次实验下各个固定节点处所对应的信号值的均值，记为

然后计算该信号值的均值与上述实际信号值的差值而获得各个固定节点处信号值的变化量

将上述信号值的变化量

与变化量的阈值进行比较，筛选出超过阈值的固定节点，并将这些固定节点归类为初步邻近固定节点；

计算固定节点处信号值的变化量的欧式距离Δ'_i：

5.根据权利要求1所述的基于信号波动情况的目标定位方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的利用上述初步邻近固定节点确定出待定位信号接收器t所在网格的标号q的方法是：

根据网格的标号统计出该网格对应的固定节点的标号，并将上述初步邻近固定节点的标号与每一个网格对应的所有固定节点的标号进行比对，最终将包含最多初步邻近固定节点的网格的标号确定为待定位信号接收器t所在的网格的标号q。

6.根据权利要求1或4所述的基于信号波动情况的目标定位方法，其特征在于：在步骤5)中，所述的根据上述待定位信号接收器t所在网格的标号q，获得其四个最终邻近固定节点以及信号值的变化量的欧式距离，由此确定出这四个最终邻近固定节点的权重，最终估计出待定位信号接收器t的位置的方法是：

根据待定位信号接收器t所在网格的标号q确定出其对应的四个最终邻近固定节点，再利用这四个最终邻近固定节点所对应的信号值的变化量确定出每个邻近固定节点的权重：

四个最终邻近固定节点的坐标为：

N(x₁,y₁,z₁),N(x₂,y₂,z₂),N(x₃,y₃,z₃),N(x₄,y₄,z₄) (5)

利用公式(4)获得的信号值的变化量的欧式距离，计算出四个邻近固定节点的权重：

最后利用四个最终邻近固定节点的坐标和权重确定出待定位信号接收器t的坐标(x,y,z)：

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