CN114125710A - 基于多径利用信号反射线参数的室内目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多径利用信号反射线参数的室内目标定位方法，主要解决现有技术在多径环境下对室内目标进行定位精度低和系统成本高的问题。其实现步骤是：(1)生成反射线；(2)构建超宽带室内目标几何定位模型；(3)生成目标几何定位模型的向量；(4)路径匹配；(5)对室内目标进行定位。本发明所建立的几何定位模型简单，成本低，可有效的对不同路径信号的波达时间进行正确匹配后实现超宽带室内目标定位，提高了定位精确度，降低了系统成本。

Description

基于多径利用信号反射线参数的室内目标定位方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于多径利用信号反射线参数的室内目标定位方法。本发明可用于在多径无线通信环境中，通过超宽带利用多径的有关信息对室内目标进行定位。

背景技术

在城市环境下，信号在通信中由于建筑物、墙体等阻挡使得信号产生反射，导致接收机获得的信号不仅包括直射径传来的信号，还包括了反射信号甚至反射信号之间互相干扰，这种现象称为多径现象。对于多径信号的影响，传统方法主要是通过抑制多径信号来获取室内目标的真实位置信息。但是这些传统方法，对不同路径的到达时间精准度有严格的要求，同时，还存在着成本较高、处理复杂、适用范围小的问题。然而，多径信号中包含着低于直达信号的信号能量以及有用的位置信息，对这部分信号的抑制会导致能量和信息的损失，如果能够加以合理利用，就可以提升多径环境下的定位性能；其中，多径信号反射线的估计被广泛应用于多径利用中。

武汉大学在其拥有的专利技术“一种基于UWB定位系统的室内定位方法”(专利申请号2015109202802，授权公告号CN105547297B)中公开了一种基于UWB定位系统的室内定位方法。该方法通过在每个需要定位的标签上分别安装用于感知标签的天线姿态的姿态传感器，预先测量标签和锚点分别所使用的天线的群延迟参数得到天线群延迟参数表，测量每个锚点的位置以及锚点的天线姿态并存储。该方法在进行室内定位时，标签从姿态传感器获取自身的姿态，并将姿态参数传输到锚点，锚点接收标签的姿态参数并和距离传输到定位解算服务器。当定位解算服务器进行定位时，进行初始解算得到标签的粗略位置，根据粗略位置和标签的姿态信息计算标签天线与每个锚点天线之间的相互方向关系，查找天线群延迟参数表对标签和各锚点的原始距离信息进行修正，再次解算得到标签的修正后位置。该方法存在的不足之处是，该方法在进行室内目标定位前排除了多径信号，认为多径信号是无用信号，因此该方法是在抑制多径信号以后进行的定位，在遮挡环境下定位精度难以更加精确；且多径信号中含有大量的有用信息，若只是一昧的抑制，会造成资源的浪费。

邵以伦在其发表的论文“基于GNSS多径信号的反射面参数估计算法”(全球定位系统2021年2月第46卷第1期1008-9268202101-0001-06)中提出了一种多径信号的反射面参数估计方法。该方法是在码相位延迟幅度联合跟踪算法实现GNSS多径信号感知和特征参数提取的基础上，设计实现的基于粒子滤波的反射面参数估计。该方法通过对城市峡谷环境下全球导航卫星系统信号中的直达波信号和多径信号的传播模型进行建模分析，采用粒子滤波算法实现了多径反射面的位置参数估计，具有较高精度。但是，该方法仍然存在的不足之处是，由于该方法仅针对全球导航卫星系统信号中的多径信号，对于其他系统的信号并不适用，可见该反射面参数估计方法适用范围十分有限。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有方法的不足，提出一种基于多径利用信号反射线参数的室内目标定位方法，旨在解决目标真实位置的定位精度低，处理复杂度高，有效资源浪费等问题。

实现本发明目的的技术思路是：本发明在多径环境中利用超宽带进行室内目标定位时，由于多径信号的存在会使定位精度降低，传统的方法是在抑制多径信号以后进行目标定位。通过利用多径信号可以解决多径信号抑制不彻底的现象。本发明在利用超宽带进行室内目标定位时，传统的定位方法认为多径信号是无用甚至是不利信号并对其进行抑制；通过改变天线放置策略，使直达波信号和多径信号几乎同时到达天线，或设计地平面天线，遮挡来自天线下方的多径信号。本发明通过利用多径信号中的有关信息可以减少相关天线的设计，从而降低处理复杂度且可以减少资源的浪费。本发明在利用超宽带进行室内目标定位时，由于多径信号中包含着低于直达信号的信号能量以及有用的位置信息；在定位时可以通过多径信号的传播特点确定多径信号的反射线，并由超宽带基站和多径信号的反射线确定虚拟超宽带基站，由虚拟超宽带基站和超宽带基站共同进行室内目标定位，虚拟超宽带基站的引入大大减少了资源的浪费。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

步骤1，生成反射线：

根据每个反射点对应的一阶多径信号的到达时间，构建以基站和目标位置为焦点，以一阶多径信号的传播长度为长轴的椭圆，再经过霍夫变换得到两条反射线；

步骤2，构建超宽带室内目标几何定位模型：

(2a)对于直达波信号，构建以超宽带基站的位置为圆心，以超宽带基站到室内待测目标位置的距离为半径的几何模型β(τ_A)；

(2b)对于一阶多径信号，构建以两个虚拟超宽带基站的位置为圆心，以该虚拟超宽带基站到室内待测目标位置的距离为半径的几何模型β(τ_B)和β(τ_C)；

步骤3，生成目标几何定位模型的向量如下：

将直达波信号的几何模型、一阶多径信号的几何模型构成行向量；ξ＝[β(τ_A),β(τ_B),β(τ_C)]^T，其中，T表示转置操作；

步骤4，路径匹配：

将直达波信号的到达时间，分别经过两条不同的反射线反射的一阶多径信号的到达时间，带入到几何模型构成的行向量ξ中；当||ξ||²为最小值时，代表一阶多径信号的到达时间和两条不同的反射线路径匹配；

步骤5，对室内目标进行定位：

将路径匹配后三个信号的到达时间带入到步骤(2)中建立的超宽带室内目标几何定位模型中，得到三个不同的圆，将三个圆的交点的坐标位置作为室内待测目标定位后的位置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，由于本发明利用多径信息构建超宽带室内目标几何定位模型，克服了现有技术中通过改变天线放置策略或设计地平面天线，遮挡来自天线下方的多径信号，对接收信号处理算法复杂的不足，使得本发明利用多径信息建立超宽带室内目标几何定位模型，由所建模型得到目标的真实位置，模型简单，不用天线后降低了系统的成本，提高了资源的利用率。

第二，由于本发明利用多径信息生成反射线，克服了现有技术的匹配滤波方法易受到多径信号的干扰，通过抑制多径信号进行目标定位时产生多径抑制不彻底的现象，使得目标的定位精度低不足，使得本发明可以高效的利用反射线进行下一步目标定位，提高了室内目标定位的精度。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明生成的一条反射线示意图；

图3是本发明生成的两条反射线示意图；

图4是本发明构建对的超宽带室内目标几何定位模型图；

图5是本发明仿真实验中反射线上不同反射点的传输轨迹图；

图6是本发明仿真实验中采用霍夫变化估计得到的反射线位置图；

图7是本发明仿真实验中超宽带室内目标几何定位的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

参照图1，对本发明实现的具体步骤做进一步的描述。

步骤1，生成反射线。

根据每个反射点对应的一阶多径信号的到达时间，构建以基站和目标位置为焦点，以一阶多径信号的传播长度为长轴的椭圆，再经过霍夫变换得到两条反射线。

步骤2，构建超宽带室内目标几何定位模型。

对于直达波信号，构建以超宽带基站的位置为圆心，以超宽带基站到室内待测目标位置的距离为半径的几何模型β(τ_A)为：

其中，τ_A表示直达波信号的到达时间，x表示平面直角坐标系中待测目标的横坐标，y表示平面直角坐标系中待测目标的横坐标；x_R表示平面直角坐标系中超宽带基站的横坐标，y_R表示平面直角坐标系中超宽带基站的纵坐标；c为电磁波在空间中的传播速度。

对于一阶多径信号，构建以两个虚拟超宽带基站的位置为圆心，以该虚拟超宽带基站到室内待测目标位置的距离为半径的几何模型β(τ_B)和β(τ_C)。其几何模型的表达如下：

其中，τ_B、τ_C分别表示经过不同反射线反射的一阶多径信号的到达时间，x表示平面直角坐标系中待测目标的横坐标值，y表示平面直角坐标系中待测目标的纵坐标值；x_vr1表示虚拟超宽带基站P₁位置的横坐标，P₁表示超宽带基站关于步骤1生成的两条反射线中的一条反射线对称的基站，y_vr1表示虚拟超宽带基站位置P₁的纵坐标；x_vr2表示虚拟超宽带基站位置P₂的横坐标，P₂表示超宽带基站关于步骤1生成的两条反射线中的另一条反射线对称的基站，y_vr2表示虚拟超宽带基站位置P₂的纵坐标；c表示电磁波在空间中的传播速度。虚拟超宽带基站指的是超宽带基站关于步骤1生成的两条反射线中的每个反射线对称的基站。

步骤3，生成目标几何定位模型的向量。

将直达波信号的几何模型、一阶多径信号的几何模型构成行向量；ξ＝[β(τ_A),β(τ_B),β(τ_C)]^T，其中，T表示转置操作。

步骤4，路径匹配。

将直达波信号的到达时间，分别经过两条不同的反射线反射的一阶多径信号的到达时间，带入到几何模型构成的行向量ξ中；当||ξ||²为最小值时，代表一阶多径信号的到达时间和两条不同的反射线路径匹配。

步骤5，对室内目标进行定位。

将路径匹配后三个信号的到达时间带入到步骤(2)中建立的超宽带室内目标几何定位模型中，得到三个不同的圆，将三个圆的交点的坐标位置作为室内待测目标定位后的位置。

下面通过实施例对本发明做进一步的描述：

第一步，生成反射线。

用超宽带接收机接收到的六个经过不同反射点反射的信号的时间分别减去超宽带基站和超宽带辅助基站发射信号的时间，分别得到六个不同的一阶多径信号的到达时间τ_r1、τ_r2、τ_r3、τ_s1、τ_s2、τ_s3，单位为秒，τ_r1＝6.8394e-07，τ_r2＝6.9602e-07，τ_r3＝8.5700e-07；τ_s1＝5.7348e-07，τ_s2＝6.2561e-07，τ_s3＝6.8394e-07。

下面结合图2对反射线上的反射点的轨迹进行进一步描述。

对于一个一阶多径信号而言，由于超宽带基站和超宽带接收机的位置是固定的，信号的传播路径长度是确定的，反射点是未知的。每个一阶多径信号在该反射点的轨迹均是以超宽带基站和目标位置为焦点，以信号的传播路径长度为长轴的椭圆。

图2中由基站T₁发射的超宽带信号经过反射点r₁，传播τ_r1秒后到达目标待测点R，得反射点r₁的运动轨迹为以R和T₁为焦点，以传播路径长度τ_r1*c为长轴的椭圆。同理反射点r₂、r₃的运动轨迹分别是以R和T₂为焦点，以传播路径长度τ_r2*c为长轴的椭圆，以R和T₃为焦点，以传播路径长度τ_r3*c为长轴的椭圆。图2中三个椭圆的公切线为反射线1。

图3是在图2的基础上增加一条反射线2。

由基站T₁发射的超宽带信号经过反射点s₁，传播τ_s1秒后到达目标待测点R，可得s₁的运动轨迹为以R和T₁为焦点，以传播路径长度τ_s1*c为长轴的椭圆；同理反射点s₂、s₃的运动轨迹分别为以R和T₂为焦点，以传播路径长度τ_s2*c为长轴的椭圆，以R和T₃为焦点，以传播路径长度τ_s3*c为长轴的椭圆。图3中三个虚线椭圆的公切线为反射线2。

根据每个反射点对应的一阶多径信号的到达时间，构建以基站和目标位置为焦点，以一阶多径信号的传播长度为长轴的椭圆，再经过霍夫变换得到两条反射线。

第二步，构建超宽带室内目标几何定位模型。

下面结合图4对构建的超宽带室内目标几何定位模型做进一步描述。

对于直达波信号的到达时间τ_A，信号从基站Q发射，沿路径QA到达接收机A，其几何图是以基站Q点为圆心，以QA长度为半径的圆。

对于一阶多径信号的到达时间τ_B，信号从基站Q发射，沿路径QF₁传播，经反射点F₁发生反射后再沿路径F₁A到达接收机A；由于基站Q和虚拟基站P₁关于反射轴x对称，可知信号从基站Q发射沿路径QF₁传播的路径长度与信号从虚拟基站P₁发射沿路径P₁F₁传播的路径长度相等，即QF₁＝P₁F₁。根据等式QF₁+F₁A＝P₁F₁+F₁A＝P₁A，可将上述信号传播路径看成信号从虚拟基站P₁发射，沿路径P₁A到达接收机，其几何图是以P₁点为圆心，以P₁A长度为半径的圆。

对于一阶多径信号的到达时间τ_C，信号从基站Q发射，沿路径QF₂传播，经反射点F₂发生反射后再沿路径F₂A到达接收机A；由于基站Q和虚拟基站P₂关于反射轴y对称，可知信号从基站Q发射沿路径QF₂传播的路径长度与信号从虚拟基站P₂发射沿路径P₂F₂传播的路径长度相等，即QF₂＝P₂F₂。根据等式QF₂+F₂A＝P₂F₂+F₂A＝P₂A，可将上述信号传播路径看成信号从虚拟基站P₂发射，沿路径P₂A到达接收机，其几何图是以P₂点为圆心，以P₂A长度为半径的圆；

由上述过程可得超宽带室内目标几何定位模型，建立数学模型表达式：

其中，公式＜1＞是以超宽带基站Q的位置为圆心，以超宽带基站到待测目标位置的距离为半径的直达波信号的几何模型的表达式。

公式＜2＞是以虚拟超宽带基站P₁的位置为圆心，以虚拟超宽带基站P₁到待测目标位置的距离为半径的一阶多径信号的几何模型的表达式。

公式＜3＞是以虚拟超宽带基站P₂的位置为圆心，以虚拟超宽带基站P₂到待测目标位置的距离为半径的一阶多径信号的几何模型的表达式。

上述三个公式中，x表示平面直角坐标系中待测目标的横坐标，y表示平面直角坐标系中待测目标的横坐标；x_R表示平面直角坐标系中超宽带基站的横坐标，y_R表示平面直角坐标系中超宽带基站的纵坐标；x_vr1表示虚拟超宽带基站P₁位置的横坐标，y_vr1表示虚拟超宽带基站位置P₁的纵坐标；x_vr2表示虚拟超宽带基站位置P₂的横坐标，y_vr2表示虚拟超宽带基站位置P₂的纵坐标；c表示电磁波在空间中的传播速度。

第三步，生成目标几何定位模型的向量。

将直达波信号的几何模型、一阶多径信号的几何模型构成行向量；ξ＝[β(τ_A),β(τ_B),β(τ_C)]^T，其中，T表示转置操作。

第四步，路径匹配。

由于直达波信号不经过任何反射面的反射，故其到达时间为最短的，即5.6964e-07秒，为直达波信号的到达时间。而经过不同反射线反射的信号的波达时间无法直接确定，即经过x轴反射的一阶多径信号的到达时间可能是6.2542e-07秒或是5.7739e-07秒，对应的经过y轴反射的一阶多径信号的到达时间则为5.7739e-07秒或是6.2542e-07秒。

对应的不同信号的到达时间的排列组合如下式：

其中，向量E的第一列表示直达波的到达时间；E的第二列表示经过反射线x轴反射的一阶多径信号的到达时间，E的第三列表示经过反射线y轴的一阶多径信号的到时间。

公式中右边的第一行为第一种情况：τ_A＝5.6964e-07、τ_B＝6.2542e-07、τ_C＝5.7739e-07；公式中右边的第二行为第二种情况：τ_A＝5.6964e-07、τ_B＝5.7739e-07、τ_C＝6.2542e-07。

将上述两种情况中不同信号的到达时间分别代入ξ＝[β(τ_A),β(τ_B),β(τ_C)]^T进行路径匹配，实际中，受热噪声、脉冲抖动等因素影响，测量的到达时间会存在误差，当向量ξ的模值||ξ||²达到最小时，代表路径匹配。取模后可得第一种情况对应的||ξ||²＝0.9248，第二种情况对应的||ξ||²＝7353.4792。可见最接近||ξ||²＝0的是第一种情况，对应为正确的路径匹配，即可确定不同路径信号的到达时间。

其中，

第五步，对室内目标进行定位。

将路径匹配后三个信号的到达时间带入到第二步中建立的超宽带室内目标几何定位模型中，得到三个不同的圆，将三个圆的交点的坐标位置作为室内待测目标定位后的位置。

本发明的效果可通过以下仿真进一步验证。

1.仿真实验的条件：

本发明仿真实验的硬件条件是：一个超宽带基站、两个超宽带辅助基站、超宽带接收机。

本发明仿真实验是基于matlab的仿真。

三个基站的发射时间均不受其他因素的影响，如环境的影响。

两条反射线均为镜面反射，信号反射能量不发生衰减。

2.仿真实验内容和结果分析：

本发明的仿真实验有三个。

2.1仿真实验1是对反射线上不同反射点的传输轨迹进行的仿真。

设置超宽带基站的位置坐标T₁(100,150)、超宽带辅助基站1的位置坐标T₂(100,175)、超宽带辅助基站2的位置坐标T₃(100,200)；假设待测目标位置坐标A＝[40,50]。

图5中的(a)图是以A和T₂为焦点，以τ_s2*c为长轴的椭圆图；图5中的(b)图是以A和T₂为焦点，以τ_r2*c为长轴的椭圆图；图5中的(c)图是以A和T₃为焦点，以τ_s3*c为长轴的椭圆图；图5中的(d)图是以A和T₁为焦点，以τ_s1*c为长轴的椭圆图；图5中的(e)图是以A和T₁为焦点，以τ_r1*c为长轴的椭圆图；图5中的(f)图是以A和T₃为焦点，以τ_r3*c为长轴的椭圆图。从图5中的(a)图、图5中的(c)图、图5中的(d)图中可见，三个椭圆图相切于x＝140直线，图5中的(b)图、图5中的(e)图、图5中的(f)图中可见，三个椭圆图相切于y＝0这条线。

2.2仿真实验2是对利用霍夫变换进行反射线估计的仿真。

由霍夫定理可知，若在平面直角坐标系中，同一条直线上有不同位置的三个点即反射线1上的三个反射点r₁、r₂、r₃，对其在[0～2π]上进行均匀采样，则在霍夫空间中，这三个点对应三条曲线，且这三条曲线会相交于同一点，即该点的坐标为反射线的参数，由此可得反射线1的参数信息。同理，由反射线2上的三个点s₁、s₂、s₃可得反射线2的参数信息。由此可得两条反射线的参数信息分别为(1，95，6)和(128，102，6)，对应图6中的两个峰值。图6中的横轴代表霍夫空间中的离散化空间ρ，纵轴代表霍夫空间中的θ。对应在平面直角坐标系中即两条反射线分别为x轴和y轴。

2.3仿真实验3是在路径匹配正确以及反射线确定的情况下进行超宽带室内目标定位的仿真。

定义超宽带基站的坐标矢量为Q＝[100，150]m，假定目标即超宽带超宽带接收机的坐标矢量为A＝[40，50]m。

根据已经建立好的超宽带室内目标几何定位模型，超宽带基站位置、以及关于超宽带基站位置反射线1和反射线2对称的虚拟超宽带位置，不同信号的到达时间带入建立好的几何定位模型中可得：

其中，(x,y)是待测目标的位置。

经过50次蒙特卡洛实验，可解得目标的定位距离如图7所示，从图7中可见，用本发明方法对点目标进行定位可得点目标与超宽带基站之间的距离为138.592m，真实的的点目标与超宽带基站的距离为138.521m，两种的距离误差值仅为0.071m，证明本发明不仅能对多径环境下室内的点目标进行定位，且有很高的定位精度。

Claims (4)

1.一种基于多径利用信号反射线参数的室内目标定位方法，其特征在于，根据不同信号的到达时间和反射线建立超宽带室内目标几何定位模型，利用路径匹配后的不同信号的到达时间来进行室内目标定位；该方法的步骤包括如下：

步骤1，生成反射线：

根据每个反射点对应的一阶多径信号的到达时间，构建以基站和目标位置为焦点，以一阶多径信号的传播长度为长轴的椭圆，再经过霍夫变换得到两条反射线；

步骤2，构建超宽带室内目标几何定位模型：

(2a)对于直达波信号，构建以超宽带基站的位置为圆心，以超宽带基站到室内待测目标位置的距离为半径的几何模型β(τ_A)；

(2b)对于一阶多径信号，构建以两个虚拟超宽带基站的位置为圆心，以该虚拟超宽带基站到室内待测目标位置的距离为半径的几何模型β(τ_B)和β(τ_C)；

步骤3，生成目标几何定位模型的向量如下：

将直达波信号的几何模型、一阶多径信号的几何模型构成行向量；ξ＝[β(τ_A),β(τ_B),β(τ_C)]^T，其中，T表示转置操作；

步骤4，路径匹配：

将直达波信号的到达时间，分别经过两条不同的反射线反射的一阶多径信号的到达时间，带入到几何模型构成的行向量ξ中；当||ξ||²为最小值时，代表一阶多径信号的到达时间和两条不同的反射线路径匹配；

步骤5，对室内目标进行定位：

将路径匹配后三个信号的到达时间带入到步骤(2)中建立的超宽带室内目标几何定位模型中，得到三个不同的圆，将三个圆的交点的坐标位置作为室内待测目标定位后的位置。

2.根据权利要求1所述的基于多径利用信号反射线参数的室内目标定位方法，其特征在于，步骤(2a)中所述的几何模型β(τ_A)为：

其中，τ_A表示直达波信号的到达时间，x表示平面直角坐标系中待测目标的横坐标，y表示平面直角坐标系中待测目标的横坐标；x_R表示平面直角坐标系中超宽带基站的横坐标，y_R表示平面直角坐标系中超宽带基站的纵坐标；c为电磁波在空间中的传播速度。

3.根据权利要求1所述的基于多径利用信号反射线参数的室内目标定位方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的虚拟超宽带基站指的是超宽带基站关于步骤1生成的两条反射线中的每个反射线对称的基站。

4.根据权利要求1所述的基于多径利用信号反射线参数的室内目标定位方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的几何模型β(τ_B)和β(τ_C)为：

其中，τ_B、τ_C分别表示经过不同反射线反射的一阶多径信号的到达时间，x表示平面直角坐标系中待测目标的横坐标值，y表示平面直角坐标系中待测目标的纵坐标值；x_vr1表示虚拟超宽带基站P₁位置的横坐标，P₁表示超宽带基站关于步骤1生成的两条反射线中的一条反射线对称的基站，y_vr1表示虚拟超宽带基站位置P₁的纵坐标；x_vr2表示虚拟超宽带基站位置P₂的横坐标，P₂表示超宽带基站关于步骤1生成的两条反射线中的另一条反射线对称的基站，y_vr2表示虚拟超宽带基站位置P₂的纵坐标；c表示电磁波在空间中的传播速度。

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