一种无接触感知定位方法技术

本申请公开一种确定环境中的菲涅尔相位偏移的方法、系统以及计算机可读存储介质。所述确定环境中的相位偏移的方法包括：接收设备R从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包括两个或更多个载波；以发送设备T的位置、接收设备R的位置为椭圆焦点，构建所述两个或更多个载波的K层菲涅尔区；在所述环境中布置反射目标，使得反射目标在所述环境中移动；针对所述至少两个载波中的至少一个载波对组合，确定所述反射目标引起的不同载波之间的理论菲涅尔相位差；针对所述至少两个载波中的所述至少一个载波对组合，确定所述反射目标和环境引起的不同载波之间的实际菲涅尔相位差；将实际菲涅尔相位差与相应的理论菲涅尔相位差进行比较，确定在所述环境中的所述至少一个载波对组合的菲涅尔相位偏移。本申请还公开了一种基于确定环境中的相位偏移的方法，进行室内定位的方法。

A non contact perception localization method

A method, system, and computer-readable storage medium for determining Finel phase offsets in an environment are disclosed. The method includes determining phase offset in the environment: the receiving device receives R signals from the RF transmitting device T, the RF signal includes two or more carrier; to receive equipment R transmission equipment T position and location for ellipse focus, K layer Finel area to build the two or more carrier the reflection on the layout; the target environment, the reflection of moving target in the environment; for at least one of the at least two carrier carrier in combination, Finel's theory of phase between different carrier determines the target reflection caused by the poor; for the at least two carriers in the at least one carrier to determine the actual combination, Finel phase between different carrier caused by the reflection of the object and environment of the poor; the actual phase difference and Finel Finel theory corresponding to the phase difference comparison The Finel phase offset of the at least one carrier pair in the environment is determined. The method also discloses a method for indoor positioning based on the method of determining the phase offset in the environment.

【技术实现步骤摘要】
一种无接触感知定位方法
本专利技术涉及感知定位技术，尤其涉及一种基于商用WiFi设备的室内无接触感知定位方法。
技术介绍
接触感知定位指的是在定位目标不携带任何设备，也不与设备发生任何接触行为的情况下获得目标的位置。相比于接触式定位方式，无接触感知定位具有非侵扰性、方便、低成本的优点。而商用WiFi设备目前广泛存在于我们的日常生活中，因此实现商用WiFi设备上的无接触感知定位技术受到了广泛关注。自2007年MoustaYoussef首次提出设备无关被动定位(Device-freepassivelocalization,DfP)的概念以来，基于WiFi的非接触式室内定位引起了很多学者的关注，涌现出一批优秀的工作。早期的工作主要利用WiFiRSSI实现(Youssefetal.,2007；Zhangetal.,2007；Seifeldinetal.,2013；Xuetal.,2013)，尽管RSSI可以在相对简单的空旷室内环境达到米级的定位精度，但是其性能并不可靠，研究显示，即使室内的空间布局不发生任何变化，在没有人的环境下，RSSI依旧可以达到5db的波动(Wuetal.,2012)。这种难以预测的不确定性波动，大大制约了基于RSSI的室内定位的可靠性。因此大部分基于RSSI可靠的定位方式也只能停留在房间级别的精度(Yangetal.,2013)。自2011年DanielHalperin首次在SIGCOMM公开基于Intel5300网卡的CSI测量方法和工具(Halperinetal.,2011)，CSI以其信号度量的精细化优势，基于WiFiCSI的非接触式室内定位的精度得到前所未有的提升，如图1-5所示，从PiLot(Xiaoetal.,2013),MonoPHY(Abdel-Nasseretal.,2013)到LiFS(Wangetal.,2016b),MaTrack(Lietal.,2016b)，达到了米级以下的精度。LiFS利用11个设备(4个AP配合7个WiFi接收器)实现70m2环境中1.1m的定位中位误差，但是其位置的映射关系依然依赖指纹，且NLoS定位精度较低；MaTrack利用多天线AoA技术直接采取几何映射的方案，在36m2环境中实现了0.6m的定位中位误差，但是其困难在于，一方面，基于静态路径融合虽然降低了需要识别的路径数量，但是也导致在融合角度附近造成感知盲区；另一方面，基于两维空间谱搜索算法带来了实时性难以保障的困难，同时累计误差依然是基于AoA定位的局限。因此，如何实现低成本(指纹库构建成本、设备数量的成本)、高精度的定位方案依然是室内定位领域尚未解决的问题。菲涅尔区的相关概念：当射频信号由发送设备发送后，其在空间中通过多条路径达到接收端，也就是接收端接收到的信号是多个信号的叠加，根据波的干涉原理，当信号的两条路径长度相差半波长(λ/2)的奇数倍时产生减弱的信号，当信号的两条路径长度相差半波长的偶数倍时产生增强的信号。在本实例中，当发送设备和接收设备固定时，其直接路径(LoS)的长度是固定的，考虑上反射造成的相位偏转π，当反射路径与直接路径的长度差为半波长的奇数倍时产生增强的信号，为半波长的偶数倍时产生减弱的信号，这些位置就是菲涅尔区的边界。当反射路径与直接路径的长度差为i*λ/2时，即|TQi|+|QiR|-|TR|＝iλ/2，其中，|TQi|是Qi到发射设备T的距离，|QiR|是Qi到接收设备R的距离，|TR|为收发设备之间的距离，λ为载波的波长，所有满足该条件的点构成的椭圆为第i菲涅尔区的边界。由第1菲涅尔区边界围成的椭圆称为第1菲涅尔区，以此类推，由第i菲涅尔区边界和第i+1菲涅尔区边界围成的椭圆环为第i+1菲涅尔区。图1和图2分别示出了一维方向和二维方向上的菲涅尔区、菲涅尔边界以及交点区域。当发送设备和接收设备的位置固定后，不同频率的射频信号根据自己的波长形成各自独立的菲涅尔区。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种室内无接触感知定位方法，基于多载波穿越模型，使用商用WiFi设备，在目标不携带任何设备的情况下利用无线射频信号(RF)对目标在大范围内进行定位，并且不需要修改商用WiFi设备的任何硬件信息，最少使用三个WiFi接收设备就能获得室内环境中的一个运动物体的位置。为了便于说明，本文约定：“RF”表示无线射频信号，CSI表示信道状态信息。本专利技术的原理是：RF信号分布空间为椭圆层次形状的空间菲涅尔区，且椭圆的大小由RF信号的波长决定；当给定两个载波λa和λb，动态反射路径长度为则两个载波之间的菲涅尔相位差在理论上和物体所在菲涅尔区呈线性关系；因此，通过提取人体穿越菲涅尔区时引起的CSI波动，从原始CSI波动中测量菲涅尔相位差继而推断出运动人体所在的菲涅尔区；室内因为多径的存在，实际测量的菲涅尔相位差与理论菲涅尔相位差存在差异，所以需要对菲涅尔相位差进行修正；再增加一对以一定关系摆放，例如垂直摆放的收发设备，各自确定人体相对于两对收发设备所处的菲涅尔区，通过求解形成的两簇菲涅尔环的焦点区域，就可以将人体的位置确认在重叠区域附近，从而实现人体定位。在本专利技术的一个方面中，提供一种确定环境中的菲涅尔相位偏移的方法，其包括：接收设备R从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包括不同波长的至少两个载波；以发送设备T的位置、接收设备R的位置为椭圆焦点，构建所述至少两个载波的K层菲涅尔区；在所述环境中布置反射目标，使得反射目标在所述环境中移动；针对所述至少两个载波中的至少一个载波对组合，确定所述反射目标引起的不同载波之间的理论菲涅尔相位差；针对所述至少两个载波中的所述至少一个载波对组合，确定所述反射目标和环境引起的不同载波之间的实际菲涅尔相位差；将实际菲涅尔相位差与相应的理论菲涅尔相位差进行比较，确定在所述环境中的所述至少一个载波对组合的菲涅尔相位偏移。在一个实施例中，在确定一个载波对的菲涅尔相位偏移时，确定理论菲涅尔相位差和实际菲涅尔相位差针对相同的载波对。在一个实施例中，所述至少一个载波对组合包含所述至少两个载波中的所有载波对组合。在一个优选实施例中，所述反射目标沿着垂直于发送设备T和接收设备R的方向移动。在一个实施例中，所述反射目标为强反射目标，其使得到达其自身的射频信号的大部分被反射出去。在一个实施例中，所述反射目标为金属。在一个优选实施例中，所述反射目标为铁板。在一个实施例中，所述反射目标为人体。在一个优选的实施例中，确定在所述环境中的菲涅尔相位偏移的步骤包括：针对一段时间内接收到的信号，确定每对载波在所有固定大小的时间窗口内的菲涅尔相位偏移，取所有时间窗口的平均值或中位数作为所述至少一个载波对组合之间的菲涅尔相位偏移。在本专利技术的一个方面中，提供一种利用以上所述的确定环境中的相位偏移的方法进行室内定位的方法，其包括：第一接收设备R1和第二接收设备R2同时从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包含两个或更多个载波；针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波A，以发送设备T的位置、第一接收设备R1的位置为椭圆焦点，构建M层菲涅尔区；针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波B，以发送设备T的位置、第二接收设备R2的位置为椭圆焦点，构建N层菲涅尔区；在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定环境中的不同载波之间的菲涅尔相位偏移的方法，其包括：接收设备R从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包括不同波长的至少两个载波；以发送设备T的位置、接收设备R的位置为椭圆焦点，构建所述至少两个载波的K层菲涅尔区；在所述环境中布置反射目标，使得反射目标在所述环境中移动；针对所述至少两个载波中的至少一个载波对组合，确定所述反射目标引起的理论菲涅尔相位差；针对所述至少两个载波中的所述至少一个载波对组合，确定所述反射目标和环境引起的实际菲涅尔相位差；将实际菲涅尔相位差与相应的理论菲涅尔相位差进行比较，确定在所述环境中的所述至少一个载波对组合的菲涅尔相位偏移。

【技术特征摘要】
1.一种确定环境中的不同载波之间的菲涅尔相位偏移的方法，其包括：接收设备R从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包括不同波长的至少两个载波；以发送设备T的位置、接收设备R的位置为椭圆焦点，构建所述至少两个载波的K层菲涅尔区；在所述环境中布置反射目标，使得反射目标在所述环境中移动；针对所述至少两个载波中的至少一个载波对组合，确定所述反射目标引起的理论菲涅尔相位差；针对所述至少两个载波中的所述至少一个载波对组合，确定所述反射目标和环境引起的实际菲涅尔相位差；将实际菲涅尔相位差与相应的理论菲涅尔相位差进行比较，确定在所述环境中的所述至少一个载波对组合的菲涅尔相位偏移。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反射目标为强反射目标，其使得到达其自身的射频信号的大部分被反射出去。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反射目标为金属或人体。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述K为大于零的自然数且取值满足以下条件：在K层菲涅尔区中，所述至少两个载波中的任意两个载波之间的菲涅尔相位差小于2π。5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定在所述环境中的菲涅尔相位偏移的步骤包括：根据一段时间内接收到的信号确定所述任意两个载波之间的菲涅尔相位偏移。6.一种根据权利要求1所述确定环境中的菲涅尔相位偏移进行室内定位方法，其包括：第一接收设备R1和第二接收设备R2同时从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包含两个或更多个载波；针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波A，以发送设备T的位置、第一接收设备R1的位置为椭圆焦点，构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区；针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波B，以发送设备T的位置、第二接收设备R2的位置为椭圆焦点，构建第二接收设备R2的N层菲涅尔区；根据第一接收设备R1在一时间段内接收到的所述射频信号，在所述M层菲涅尔区中，根据实际菲涅尔相位差和菲涅尔相位偏移，确定目标位于的菲涅尔区F1；根据第二接收设备R2在相应时间段内接收到的所述射频信号，在所述N层菲涅尔区中，根据实际菲涅尔相位差和菲涅尔相...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大庆，王皓，牛凯，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11