当前位置: 首页 > 专利查询>天津大学专利>正文

用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法技术

技术编号:20903294 阅读:21 留言:0更新日期:2019-04-17 17:02
本发明专利技术公开了用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法,包括采用多个定向天线共点安装,实现定向天线方向图的重叠。通过多个定向天线对于接收到的来波信号强度(Rss)进行差分运算,利用Rss差分值估计AoA。本发明专利技术具有低复杂度和较高AoA估计精度的特点,为基于WLAN网络和Rss的室内移动目标位置估计精度的提高创造了条件。

【技术实现步骤摘要】
用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法
本专利技术属于室内定位导航
,尤其涉及一种基于接收信号强度(Rss)估计来波角度(AoA)进行室内定位的方法。
技术介绍
室内定位系统在近些年发展得非常迅速,随着802.11X无线局域网作为常用的网络架构的普及,使得基于WLAN的室内定位技术得到了越来越多研究者的关注。在一些GPS信号无法良好工作,而WLAN信号已经大面积覆盖的环境中,如仓库、图书馆、机场和医院等,依靠智能手机、移动电脑或其他移动通信设备实现近距离定位已成为室内定位商业应用的重点。作为用于定位的无线射频信号的测量值主要包括射频信号传播时间,入射角度和接收信号强度Rss。对于WLAN,信号传播时间的测量复杂度较高,它需要非常高的测量时钟以及精准的同步设计。而入射角度测量实现的方法通常是基于阵列天线,对于WLAN而言阵列天线的采用造成设计成本高昂而不能接受。而Rss的获取比较容易,几乎所有移动终端都可实现,且成本低廉,较适用于WLAN条件下的室内定位。但基于Rss的室内定位容易获取受噪声(包括信道噪声和接收机处理噪声)、多径(室内环境的复杂造成了严重的多径影响)、射频信号衰减模型的不确定性(主要包括发射功率和衰减因子两个模型参数)等因素影响导致定位精度和稳定性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的不足,提供一种仅仅基于Rss测量结果就能够实现对多径干扰、噪声干扰以及射频信号衰减模型中不确定性参数造成的扰动进行一定程度抑制的用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法。用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法,包括以下步骤:步骤一、室内定位中的锚节点由至少三个定向天线共点安装组成,采用极坐标绘制的各定向天线的辐射场强方向图两两重叠且相邻方向图的夹角一致并且与波束宽度相等,每个定向天线的辐射场强方向图的波束宽度一致;步骤二、对基于多个定向天线共点安装形成锚节点的各个定向天线的辐射场强方向图特性进行重叠天线方向图测量得到各个定向天线的重叠天线方向图,各个定向天线的重叠天线方向图是具有与相邻定向天线方向图重叠效果的方向图;步骤三、由处理器发送控制信号给射频开关选择多个定向天线中的一个,将被选中的定向天线接收到的射频信号送入处理器,对接收信号强度Rss进行抑制噪声信号处理,然后将不同定向天线的Rss值两两相减得到Rss差分值;步骤四,依据步骤二中测量得到的各个定位天线的重叠天线方向图和步骤三中得到的经过滤波之后的不同定向天线之间的Rss差分值进行来波角度AoA估计,计算确定最终的AoA估计值,具体步骤为:(2a)AoA估计值定义:第一步,建立以AoA估计值为横坐标X,纵坐标Y为天线增益差的直角坐标系,在获得锚节点中每个定向天线的重叠天线方向图之后,通过将每个定向天线的重叠天线方向图两两求差,在建立的直角坐标系中获得方向图差分曲线;第二步,分别以某一时刻各个定位天线之间的Rss差分值为纵坐标值做平行于X轴的平行线,各平行线分别与相应的两个定向天线的方向图差分曲线形成至少一个交点,每个交点在X轴的对应值定义为AoA估计值;(2b)采用置信度和统计方法对不同的交点对应着X轴上不同的AoA估计值进行处理,确定最终的AoA估计值,具体步骤为;第一步,给每个AoA估计值设置一个置信度Cij,Cij定义为第i个定向天线和第j个定向天线通过下式计算得到的置信度,置信度定义为在计算某一时刻Rss差分值对应的两个Rss值的乘积,见下式:Cij=Rssant_i(mW)*Rssant_j(mW)其中Rssant_i和Rssant_j值为定向天线i和定向天线j在某一时刻各自的接收信号强度,单位为毫瓦;第二步,从每个方向图差分曲线上均挑选一个交点所对应的AoA估计值形成至少一组AoA估计值组合,计算每组组合的方差并求方差倒数Sij,Sij为来自定向天线i、定向天线j的AoA估计值的方差倒数;当某个AoA估计值对应着一个组合时,这个组合的方差倒数就是这个AoA估计值的方差倒数;当某个AoA估计值对应着多个组合时,这个AoA估计值的方差倒数取多个组合的所有方差倒数的最大值;第三步,将所有置信度排序,形成新索引标志的置信度Ck;将所有方差倒数排序,形成新的索引标志的方差倒数Sk;然后对新的置信度和方差倒数进行归一化,公式如下:其中k=1..N,N为所有AoA估计值的个数;第四步,采用加权质心法计算最终的AoA估计值,公式如下:其中Angleest为最终的AoA估计值,Anglek表示第k个AoA估计值,权值Wk定义如下:Wk=Cnorm_k+Snorm_k步骤五、重复步骤三-步骤四,重新开始新的一轮射频开关切换周期,开始新的时间点条件下的AoA估计。与现有技术相比,本专利技术具有以下优势:1,能够对于多径干扰和噪声干扰进行一定程度的抑制。2,能够对于射频信号衰减模型中不确定参数造成的扰动进行一定程度的抑制。3,由于信号处理只是在锚节点一侧完成,对于被定位的移动终端的要求非常低,只需要有信号发射功能即可,因此具有较高的普适性。附图说明图1是三个定向天线构成的锚节点的极坐标方式方向图;图2是本专利技术方法采用的天线排列方式以及射频开关工作示意图;图3是三个定向天线构成的锚节点的直角坐标方式方向图;图4是三个定向天线构成的锚节点的方向图差分曲线;图5是滤波前后效果比较图;图6是根据测量的Rss差分值与方向图差分曲线的交点开展AoA估计的示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术加以详细说明:如附图所示的本专利技术的用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法,包括以下步骤:步骤一、室内定位中的锚节点由至少三个定向天线共点安装组成,采用极坐标绘制的各定向天线的辐射场强方向图两两重叠且相邻方向图的夹角一致并且与波束宽度相等,每个定向天线的辐射场强方向图的波束宽度一致;作为本专利技术的一个实施例,如图1所示为三个定向天线的方向图,室内定位中的锚节点由这三个定向天线共点安装而成,三个方向图形成重叠效果,每个方向图的波束宽度一致,相邻方向图的夹角一致并且与波束宽度相等。采用该结构主要是为了抑制多径,具体验证过程如下:锚节点有效角度估计范围为锚节点中两侧天线的方向图主轴之间的角度范围。在图2中描述了锚节点的分时工作方式(其中三个定向天线的排列方式为顶视图),即在某一时刻,只有锚节点中的一个定向天线在工作,通过射频开关进行不同定向天线的切换。在本专利技术中做以下假设:由于切换速度快,在图2所示锚节点的所有天线轮换工作的一个周期内,被测目标的移动位置、工作环境以及工作参数没有发生改变,在这个周期内,锚节点中的每个定向天线所接收到的信号可以近似认为是同一时刻接收到的。本专利技术应用于室内环境中,而室内环境对于基于接收信号强度(Rss)的定位设计最大的干扰是多径干扰。针对多径干扰,本专利技术利用图1所示的定向天线方向图之间的重叠部分(图3为与图1相对应的直角坐标系描述),特别是在图3所示的方向图交点(图中的黑点)及其周围所对应的X轴的角度区域内,通过将这个区域角度内对应的两个定向天线采集的接收信号强度(Rss)进行求差处理,利用Rss差分值估计来波角度(AoA)。基于图1所示重叠方向图的Rss差分值抑制多径干扰的理论依据如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法,其特征在于包括以下步骤:步骤一、室内定位中的锚节点由至少三个定向天线共点安装组成,采用极坐标绘制的各定向天线的辐射场强方向图两两重叠且相邻方向图的夹角一致并且与波束宽度相等,每个定向天线的辐射场强方向图的波束宽度一致;步骤二、对基于多个定向天线共点安装形成锚节点的各个定向天线的辐射场强方向图特性进行重叠天线方向图测量得到各个定向天线的重叠天线方向图,各个定向天线的重叠天线方向图是具有与相邻定向天线方向图重叠效果的方向图;步骤三、由处理器发送控制信号给射频开关选择多个定向天线中的一个,将被选中的定向天线接收到的射频信号送入处理器,对接收信号强度Rss进行抑制噪声信号处理,然后将不同定向天线的Rss值两两相减得到Rss差分值;步骤四,依据步骤二中测量得到的各个定位天线的重叠天线方向图和步骤三中得到的经过滤波之后的不同定向天线之间的Rss差分值进行来波角度AoA估计,计算确定最终的AoA估计值,具体步骤为:(2a)AoA估计值定义:第一步,建立以AoA估计值为横坐标X,纵坐标Y为天线增益差的直角坐标系,在获得锚节点中每个定向天线的重叠天线方向图之后,通过将每个定向天线的重叠天线方向图两两求差,在建立的直角坐标系中获得方向图差分曲线;第二步,分别以某一时刻各个定位天线之间的Rss差分值为纵坐标值做平行于X轴的平行线,各平行线分别与相应的两个定向天线的方向图差分曲线形成至少一个交点,每个交点在X轴的对应值定义为AoA估计值;(2b)采用置信度和统计方法对不同的交点对应着X轴上不同的AoA估计值进行处理,确定最终的AoA估计值,具体步骤为;第一步,给每个AoA估计值设置一个置信度Cij,Cij定义为第i个定向天线和第j个定向天线通过下式计算得到的置信度,置信度定义为在计算某一时刻Rss差分值对应的两个Rss值的乘积,见下式:Cij=Rssant_i(mW)*Rssant_j(mW)其中Rssant_i和Rssant_j值为定向天线i和定向天线j在某一时刻各自的接收信号强度,单位为毫瓦;第二步,从每个方向图差分曲线上均挑选一个交点所对应的AoA估计值形成至少一组AoA估计值组合,计算每组组合的方差并求方差倒数Sij,Sij为来自定向天线i、定向天线j的AoA估计值的方差倒数;当某个AoA估计值对应着一个组合时,这个组合的方差倒数就是这个AoA估计值的方差倒数;当某个AoA估计值对应着多个组合时,这个AoA估计值的方差倒数取多个组合的所有方差倒数的最大值;第三步,将所有置信度排序,形成新索引标志的置信度Ck;将所有方差倒数排序,形成新的索引标志的方差倒数Sk;然后对新的置信度和方差倒数进行归一化,公式如下:...

【技术特征摘要】
1.用于室内定位的采用方向图叠加天线估计来波角度的方法,其特征在于包括以下步骤:步骤一、室内定位中的锚节点由至少三个定向天线共点安装组成,采用极坐标绘制的各定向天线的辐射场强方向图两两重叠且相邻方向图的夹角一致并且与波束宽度相等,每个定向天线的辐射场强方向图的波束宽度一致;步骤二、对基于多个定向天线共点安装形成锚节点的各个定向天线的辐射场强方向图特性进行重叠天线方向图测量得到各个定向天线的重叠天线方向图,各个定向天线的重叠天线方向图是具有与相邻定向天线方向图重叠效果的方向图;步骤三、由处理器发送控制信号给射频开关选择多个定向天线中的一个,将被选中的定向天线接收到的射频信号送入处理器,对接收信号强度Rss进行抑制噪声信号处理,然后将不同定向天线的Rss值两两相减得到Rss差分值;步骤四,依据步骤二中测量得到的各个定位天线的重叠天线方向图和步骤三中得到的经过滤波之后的不同定向天线之间的Rss差分值进行来波角度AoA估计,计算确定最终的AoA估计值,具体步骤为:(2a)AoA估计值定义:第一步,建立以AoA估计值为横坐标X,纵坐标Y为天线增益差的直角坐标系,在获得锚节点中每个定向天线的重叠天线方向图之后,通过将每个定向天线的重叠天线方向图两两求差,在建立的直角坐标系中获得方向图差分曲线;第二步,分别以某一时刻各个定位天线之间的Rss差分值为纵坐标值做平行于X轴的平行线,各平行线分别与相应的两个定向天线的方向图差分曲线形成至少一个交点,每个交点在X轴的对应值定义为AoA估计值;(2b)采用置信度...

【专利技术属性】
技术研发人员:冷文
申请(专利权)人:天津大学
类型:发明
国别省市:天津,12

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1