一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法技术

一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，本发明专利技术涉及基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有现有指纹图定位系统定位精度低，定位精度取决于近似算法的优劣，指纹图定位需要预先在定位环境部署大量定位节点并采集指纹图，消耗大量的物力财力以及单节点实现定位误差大的缺点。过程为：一、室内定位系统接收机得到A组信道状态信息；二、获取信道状态信息中的相位信息和幅度信息；三、采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；四、对幅度信息和消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；五、将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置。本发明专利技术用于室内定位领域。

A single node indoor location method based on power delay distribution and angle of arrival distance measurement

The invention relates to a single node indoor positioning method based on power delay distribution and angle of arrival distance measurement, which relates to a single node indoor positioning method based on power delay distribution and angle of arrival distance measurement. The purpose of the invention is to solve the existing fingerprint positioning system of low positioning accuracy, positioning accuracy depends on the approximation algorithms, fingerprint positioning prior to the deployment of a large number of nodes and collecting fingerprint positioning in the environment, consume a lot of resources as well as single points to realize the positioning error of the shortcomings of. The process is: first, the indoor positioning system receivers group A channel state information; two, to obtain the channel state information in the phase information and amplitude information; three, the interpolation method to obtain the phase information of channel state information of error elimination; four, processing the amplitude information and phase information to eliminate the error of the obtained transmission distance; five, transmission distance is obtained in step four, based on three side positioning solving customer position. The invention is used in the field of indoor positioning.

【技术实现步骤摘要】
一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法
本专利技术涉及基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法。
技术介绍
目前主流的基于WLAN的室内定位系统采用的是指纹定位技术。在指纹定位技术中，接收机通过将接收信号测量结果与预先存储的指纹图进行对比，计算出自身的位置，而指纹图是在系统建立过程中，通过对选定的测量点逐点测量得出的。指纹定位的基本原理就是在一定区域内选择一些测试点，在这些点处测量某种特征向量，比如RSS、AOT、AOA，从而生成指纹图，然后再在待定位的位置上测量同样的特征向量，然后比较这一向量与指纹图中的向量，找到最相近的向量，则认为待测点在对应的测试点附近。但传统的指纹图定位系统定位精度低，定位精度取决于近似算法的优劣。同时指纹图定位需要预先在定位环境部署大量定位节点并采集指纹图，消耗大量的物力财力，因此使用指纹图技术的室内定位系统目前仅适用于大型商城等环境，难以在更大的应用场景中使用，大大限制了室内定位系统的推广。为扩展应用场景就有了使用单个AP节点进行室内定位的研究，但是单节点实现定位误差大，例如无法获得AP到达定位点准确的传输距离，也无法获得AP和定位点之间的角度信息。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有现有指纹图定位系统定位精度低，定位精度取决于近似算法的优劣，指纹图定位需要预先在定位环境部署大量定位节点并采集指纹图，消耗大量的物力财力以及单节点实现定位误差大的缺点，而提出一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法。一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法具体过程为：步骤一、室内定位系统接收机和发射机跳频A次，室内定位系统接收机得到A组信道状态信息，每一组信道状态信息维度为30×1的复数数组，A组信道状态信息维度为30×A的复数数组，A为跳频次数，取值为正整数；步骤二、获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；步骤三、采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；步骤四、利用功率延迟分布和波达角对步骤二得到的幅度信息和步骤三得到的消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；步骤五、将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置。本专利技术的有益效果为：本专利技术一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法相比于传统的基于指纹技术的定位系统，定位精度不取决于近似算法的优劣，无需预先在定位环境部署大量定位节点并采集指纹图，节约人力物力，减小定位误差。在简化部署的同时提高了定位精度。如图3所示，在置信度60％的情况下，本专利技术直射路径测距误差不超过1m，CUPID的系统测距误差为2m，得出本专利技术单节点实现定位误差小，测距精度大幅提高；在图4中给出本专利技术方法利用三边定位技术在功率延迟分布结合波达角测距方法下的定位误差，与现有中国剩余定理定位方法在同样使用三边定位技术的情况下进行了比对。利用本专利技术方法在视距路径下置信度50％时定位误差为0.8米，本专利技术在非视距路径下置信度50％时定位误差为1.25米；利用现有技术在视距路径下置信度50％时定位误差为1.1米，利用现有技术在视距路径下置信度50％时定位误差为1.8米；可得出本专利技术方法与现有技术相比定位误差小，定位精度高。附图说明图1为本专利技术定位系统测试环境示意图，AP为室内定位系统接收机；图2为本专利技术插值相位消除法的消除效果图；图3为本专利技术与现有技术CUPID的测距误差的累积分布函数图；CUPID是AvoidingMultipathtoReviveInbuildingWiFiLocalization论文里提到的一种技术，作者是SouvikSen,JeongkeunLee,Kyu-HanKim,PaulCongdon；图4为本专利技术与基于中国剩余定理和多天线三边定位的单节点室内定位方法的定位误差对比图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法具体过程为：对于支持IEEE802.11n协议的无线设备，当接收机收到数据包后会对数据包进行一定的处理并产生一些数据信息存储在数据当中，包括接收信号强度，信道噪声，还有信道状态信息。以往的室内定位系统常用接收信号强度RSS进行定位，但信号强度信息极易收到多径效应的影响，且每一个数据包仅能携带一个信号强度。对此，本专利技术采用信道状态信息作为数据源来分析待定位点的位置。介绍定位方法前先介绍信道状态信息和相位误差组成。接收机得到的信道状态信息也称作信道频率响应，如下所示，H(fk)即为中心频率为fk的信道频率响应，表征信道的幅度衰落，θk是对应的相位信息，表征信道的相位衰落。由于IEEE802.11n协议的设备支持OFDM技术，传播的无线信号均携带若干个子载波，而每个子载波均有其对应的信道频率响应，即每收到一个数据包就可以得到若干个反映信道状态的数据。通过逆离散傅里叶变换可以从频域信息得到时域信息，表示如下：时域信息也称作信道冲激响应，同样是一组复数信息，包含幅度与相位的信息，幅度信息与功率相关，因此有功率延迟分布的概念，定义为p(τ)＝E[h(t,τ)2]步骤一、室内定位系统接收机和发射机跳频A次，室内定位系统接收机得到A组信道状态信息，每一组信道状态信息维度为30×1的复数数组，A组信道状态信息维度为30×A的复数数组，A为跳频次数，取值为正整数；步骤二、获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；步骤三、采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；步骤四、利用功率延迟分布和波达角对步骤二得到的幅度信息和步骤三得到的消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；步骤五、将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；具体过程为：通过工具包CSITOOLS从室内定位系统接收机的数据包中求解信道状态信息，信道状态信息为信道频率响应，信道频率响应公式为：式中，H(fk)为频率为fk的信道频率响应，||H(fk)||为信道的幅度衰落，θk是频率fk对应的真实信道状态信息的相位信息，j为虚数，j2＝-1；信道频率响应是一组维度为30×A的复数数组，取值为正整数；求解复数的角度信息，得到室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φk；室内定位系统接收机的数据包包括信道状态信息、接收信号强度、噪声功率等；复数信息包括相位信息和幅度信息。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；具体过程为：室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φk和载波频率fk对应的真实信道状态信息的相位信息θk之间的关系表示为φk＝θk-2πKkfkδ+β+Z式中，Kk表示子载波的维度，本例中为-28,-26,...,-2,-1,1,3,5,...,27,28；1≤k≤N，N为wifi设备可采集到的子载波个数，下标k为从1到30的序号，β为室内定位系统接收机等效相位偏差，δ为接收机的采样频率偏差和接收到的数据包检测时延偏差(接收机检测数据包需要一定的时间)，fk为载波频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，其特征在于该方法具体过程为：步骤一、室内定位系统接收机和发射机跳频A次，室内定位系统接收机得到A组信道状态信息，每一组信道状态信息维度为30×1的复数数组，A组信道状态信息维度为30×A的复数数组，A为跳频次数，取值为正整数；步骤二、获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；步骤三、采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；步骤四、利用功率延迟分布和波达角对步骤二得到的幅度信息和步骤三得到的消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；步骤五、将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，其特征在于该方法具体过程为：步骤一、室内定位系统接收机和发射机跳频A次，室内定位系统接收机得到A组信道状态信息，每一组信道状态信息维度为30×1的复数数组，A组信道状态信息维度为30×A的复数数组，A为跳频次数，取值为正整数；步骤二、获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；步骤三、采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；步骤四、利用功率延迟分布和波达角对步骤二得到的幅度信息和步骤三得到的消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；步骤五、将步骤四得到的传输距离基于三边定位求解客户位置。2.根据权利要求1所述一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，其特征在于：所述步骤二中获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息和幅度信息；具体过程为：通过工具包CSITOOLS从室内定位系统接收机的数据包中求解信道状态信息，信道状态信息为信道频率响应，信道频率响应公式为：式中，H(fk)为载波频率为fk的信道频率响应，||H(fk)||为信道的幅度衰落，θk是载波频率fk对应的真实信道状态信息的相位信息，j为虚数，j2＝-1；信道频率响应是一组维度为30×A的复数数组；求解复数的角度信息，得到室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φk；室内定位系统接收机的数据包包括信道状态信息、接收信号强度、噪声功率；复数信息包括相位信息和幅度信息。3.根据权利要求2所述一种基于功率延迟分布与波达角测距的单节点室内定位方法，其特征在于：所述步骤三中采用插值法对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；具体过程为：室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φk和载波频率fk对应的真实信道状态信息的相位信息θk之间的关系表示为φk＝θk-2πKkfkδ+β+Z式中，Kk表示子载波的维度；1≤k≤N，N为wifi设备可采集到的子载波个数，β为室内定位系统接收机等效相位偏差，δ为接收机的采样频率偏差和接收到的数据包检测时延偏差，fk为载波频率；Z为信道随机噪声产生的相位误差；将室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φk数据按照对称子载波进行插值得到插值相位信息将未插值的相位信息φk和插值的相位信息分别求和后做差得到相位误差temp为通过相位误差temp的公式得：式中，是可知，从而求得室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息φk和载波频率fk对应的真实信道状态信息的相位信息θk偏差中...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩帅，李毅，孟维晓，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23