一种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技术

一种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，本发明专利技术涉及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。本发明专利技术的目的是为了解决现有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,大大限制了室内定位系统的推广以及单节点实现定位误差大的问题。过程为：室内定位系统接收机和发射机跳频N次，室内定位系统接收机得到N组信道状态信息；获取室内定位系统接收机的信道状态信息中的相位信息；对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；利用中国剩余定理对消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；将三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 Chinese Remainder Theorem and multi antenna three edge location

The invention relates to a single node indoor positioning method based on the Chinese Remainder Theorem and the multi antenna three edge positioning, which relates to a single node indoor positioning method based on the Chinese Remainder Theorem and the multi antenna three edge positioning. The purpose of the invention is to solve the problems of fingerprint positioning prior to the deployment of a large number of nodes and collecting fingerprint positioning in the environment, consume a lot of resources, greatly limits the popularization of indoor positioning systems and single node positioning error was large. The process is: the indoor positioning system receiver and transmitter frequency hopping N receiver, indoor positioning system N group channel state information; channel state information in the phase information receiver indoor positioning system; to get phase information of the channel state information of error elimination; processing to eliminate the phase information error after using Chinese remainder theorem three, get the transmission distance; the transmission distance of three edge positioning solution based on the position of the customer. The invention is used in the field of indoor positioning.

【技术实现步骤摘要】
一种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
本专利技术涉及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。
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不高，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更大，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,大大限制了室内定位系统的推广以及单节点实现定位误差大的问题，而提出一种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。一种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具体过程为：步骤一、室内定位系统接收机和发射机跳频N次，室内定位系统接收机得到N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，N组信道状态信息维度为30×N的复数数组，N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；步骤三、对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；步骤四、利用中国剩余定理对消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；步骤五、将步骤三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：本专利技术的作用在于降低了使用单节点的室内定位系统的定位误差，相比于传统的基于指纹技术的定位系统，无需预先采集指纹信息，降低人力物力。在简化部署的同时提高了定位精度。传统的定位系统需要多个设备进行定位，因此浪费物力财力，本专利技术只使用一个接收机设备接收信号就可以对客户进行定位。基于中国剩余定理的测距误差如图2所示。在置信度60％的情况下，直射路径测距误差不超过1m，非直射路径的测距误差在1.5m以内。在图3中给出结合三边定位和中国剩余定理的定位误差，并于现有的基于接收信号强度的指纹图定位系统的定位误差进行比较。可以得到基于单点的室内定位系统，在通过中国剩余定理消除误差解算得到距离后利用三边定位可以得到在置信度50％下2米左右的定位精度，而传统的指纹定位的定位误差达到了6米，相较于传统的指纹图定位系统，有了精度的提高并且大幅降低了系统的部署和测试的复杂度。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为本专利技术基于中国剩余定理的测距误差累计概率分布示意图；图3为本专利技术基于中国剩余定理的定位系统CRT和传统指纹定位系统RSSI定位误差的累计概率分布的示意图，CRT为中国剩余定理，RSSI为接收信号长度指示；图4为本专利技术接收机的流程示意图；图5为本专利技术发射机的流程示意图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种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。通过对信道状态信息的相位进行分析，用表示频率为f的子载波解算得到的信道状态信息相位，φf表示真实相位，则：式中，△f表示频率为f的子载波在接收机端因硬件导致的频率偏移，△t表示信号在收发天线间传输链路的传输时间，Df表示因接收机采样检测造成的相位延迟，β为系统硬件导致的固定数值的相位偏移，k表示OFDM子载波的维度。OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(MultiCarrierModulation)，多载波调制的一种。单节点定位系统的系统流程图如图4、图5所示：所述多天线最多为三条天线；步骤一、室内定位系统接收机和发射机跳频N次，室内定位系统接收机得到N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，N组信道状态信息维度为30×N的复数数组，N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；步骤三、对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；步骤四、利用中国剩余定理对消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；步骤五、将步骤三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；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(f0)为中心频率为f0的信道频率响应，||H(f0)||表征信道的幅度衰落，θ0是对应的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×N的复数数组，N为跳频次数，取值为正整数；求解复数的角度信息，得到信道状态信息中的相位信息；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；复数信息包括角度信息和幅度信息。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：通过对信道状态信息中的相位进行分析，用表示频率为f的子载波解算得到的信道状态信息相位，φf表示频率为f的子载波解算得到的信道状态真实相位，则：式中，△f表示频率为f的子载波在室内定位系统接收机端因硬件导致的频率偏移，△t表示发射机向接收机发射的信号在室内定位系统接收机的天线和发射机天线间传输链路的传输时间，Df表示因室内定位系统接收机采样检测造成的相位延迟，β为室内定位系统硬件导致的固定数值的相位偏移，k表示OFDM子载波的维度；k＝-28、-26、-24本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种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，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N次，室内定位系统接收机得到N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，N组信道状态信息维度为30×N的复数数组；N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；步骤三、对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；步骤四、利用中国剩余定理对消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；步骤五、将步骤三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】
1.一种基于中国剩余定理和多天线三边定位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N次，室内定位系统接收机得到N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，N组信道状态信息维度为30×N的复数数组；N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；步骤三、对得到信道状态信息中的相位信息进行误差消除；步骤四、利用中国剩余定理对消除误差后的相位信息进行处理，得到传输距离；步骤五、将步骤三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所述一种基于中国剩余定理和多天线三边定位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；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(f0)为中心频率为f0的信道频率响应，||H(f0)||表征信道的幅度衰落，θ0是对应的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×N的复数数组，求解复数的角度信息，得到信道状态信息中的相位信息；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；复数信息包括角度信息和幅度信息。3.根据权利要求2所述一种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，其特征在于：所述步骤三中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：对信道状态信息中的相位进行分析，用表示频率为f的子载波解算得到的信道状态信息相位，φf表示频率为f的子载波解算得到的信道状态真实相位，则：式中，△f表示频率为f的子载波在室内定位系统接收机端因硬件导致的频率偏移，△t表示发射机向接收机发射的信号在室内定位系统接收机的天线和发射机天线间传输链路的传输时间，Df表示因室内定位系统接收机采样检测造成的相位延迟，β为室内定位系统硬件导致的固定数值的相位偏移，k表示OFDM子载波的维度，k＝-28、-26、-24、...、-8、-6、-4、-2、-1、1、2、4、6、8、...、24、26、28；当k＝0时，△f、...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟维晓，李毅，韩帅，
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