一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法，包括以下步骤：(1)搭建RFID定位系统；(2)模拟受限空间下超高频RFID多径信道模型；(3)利用步骤(1)搭建的RFID定位系统进行空域滤波抗干扰处理，且在进行空域滤波抗干扰处理时利用步骤(2)模拟的多径信道模型进行仿真；(4)空域滤波抗干扰处理完成后，进行基于WMMSENS法的测距和定位，使用最小二乘法求解待定位坐标，通过采用标签阵列空域滤波的方法以对抗密集多径干扰；提出一种基于临近解搜索的加权最小均方误差载波相位测距方法解决相位模糊问题；最后使用最小二乘法求解定位坐标，能够实现隧道内高精度定位。能够实现隧道内高精度定位。能够实现隧道内高精度定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法


[0001]本专利技术涉及隧道、井巷等复杂地下空间的定位
，具体涉及一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法。

技术介绍

[0002]高精度目标定位是隧道、井巷等复杂地下环境下人员安全和救灾施救的重要研究内容，也是未来实现机器协同工作、高效无人智能生产的关键技术。
[0003]在隧道/巷道定位技术方面，定位系统主要采用无源RFID技术。以前的RFID定位设备主要依赖接收信号强度值(RSSI)，主要分为基于模型和指纹的RSSI定位算法，基于模型的定位复杂度低，系统结构简单，但受多径影响较大，精度一般较低；而基于指纹的RSSI定位算法需先建立信号强度和标签位置的指纹库，然后将实际采集信号强度与指纹库进行比对，根据匹配准则准确估计目标位置，但在隧道/巷道掘进环境下，随着作业空间的不断变化致使指纹失效较快。
[0004]近年，随着硬件水平的提高，目前很多RFID设备能够提供相位信息，利用相位信息从而获取距离信息的高精度定位方法越来越受到学者们青睐，但这种方法存在着测距精度和最大不模糊距离之间的矛盾。基于打靶法来求解整周模糊度以及利用扩展卡尔曼滤波器(EKF)和Rauch
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Tung
‑
Striebel(RTS)平滑器来解决相位模糊问题，这两种算法只考虑了单一频率条件下的距离信息获取，在解决相位模糊时避免不了会出现定位误差积累的问题；运用参考标签的位置信息，对参考标签之间的理想相位差欧氏距离与实际距离进行拟合，实现标签之间的距离估计，或者将阅读器天线安装在移动机器人上，通过融合标签相位信息及机器人里程信息实现对标签的定位，这两种算法采用了多个频率解决相位模糊问题，但忽略了各个频率的不同影响，且没有考虑最大化相位误差的容忍度问题。
[0005]在空间受限的隧道作业环境下，电磁波频繁反射和散射会造成密集多径和大相位误差问题，现有的抗多径干扰和相位测距算法在此条件下将不再适用。

技术实现思路

[0006]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法，通过采用标签阵列空域滤波的方法以对抗密集多径干扰；提出一种基于临近解搜索的加权最小均方误差载波相位测距方法解决相位模糊问题；最后使用最小二乘法求解定位坐标，能够实现隧道内高精度定位。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术提供一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法，包括以下步骤：
[0009](1)搭建RFID定位系统；
[0010](2)模拟受限空间下超高频RFID多径信道模型；
[0011](3)利用步骤(1)搭建的RFID定位系统进行空域滤波抗干扰处理，且在进行空域滤波抗干扰处理时利用步骤(2)模拟的多径信道模型进行仿真；
[0012](4)空域滤波抗干扰处理完成后，进行基于WMMSENS法的测距和定位，使用最小二乘法求解待定位坐标。
[0013]优选地，步骤(1)中的RFID定位系统包括相互连接的阅读器、RFID天线、无源标签、计算机。
[0014]优选地，所述RFID定位系统搭建在宽4.6米，高5米的隧道内，所述无源标签的定位基准点以0.6mx0.6m大小网格分布，所述RFID天线与无源标签保持在同一水平面，所述RFID天线包括坐标从左到右分别为：(0,0)，(0.6，
‑
0.1)，(1.2，0)的三个。
[0015]优选地，步骤(3)利用步骤(2)模拟的多径信道模型进行仿真时，阅读器与无源标签之间的确定性多径信道的路径增益G
p
为：
[0016][0017][0018]其中：λ为波长；d0为直达路径长度；d
i
为第i条反射路径长度；Γ
i
为第i条反射路径的反射系数；k为波数；N为非直达路径总数；H为复数因子；
[0019]阅读器收到的无源标签信号的相位为φ＝
‑
2kd0+2arg(H)+n0，其中arg(H)为复数H的角度；n0为高斯噪声引起的误差。
[0020]优选地，步骤(3)进行空域滤波抗干扰测试时具体包括：
[0021](31)利用RFID定位系统的阅读器依次发射多个频率并记录下其估计方向角θ
i
；
[0022](32)获取各个频率方向角的中位数θ
M
；
[0023](33)求取各个频率方向角与中位数的差值
[0024](34)获取差值的中位数
[0025](35)剔除掉的频率数据，ρ为离群阈值。
[0026]优选地，步骤(4)具体包括：
[0027](41)利用RFID定位系统的阅读器、RFID天线依次对在间距为0.6m的9个测试点的无源标签的数据进行采集；
[0028](42)使用计算机将步骤(41)采集的数据进行滤波处理；
[0029](43)数据进行滤波处理后，利用WMMSENS多频载波相位测距算法进行测距处理；具体包括：
[0030](43a)对于不同载波不同噪声参数，引入一个加权矢量W处理，均方误差表示为：
[0031][0032][0033](43b)设频率f
i
的真实相位值为φ
i
，误差为方差为σ
i
的高斯噪声n
i
，则频率f
i
的距
离估计值为：
[0034][0035]加权距离估计值为：
[0036][0037](43c)利用如下公式求解加权矢量W：
[0038][0039][0040]将式和带入式得：
[0041][0042][0043]各个频率的噪声相互独立，即：
[0044][0045][0046]设：
[0047][0048]A＝[1，1，...，1]1*K
[0049]使用拉格朗日乘除法解得：
[0050][0051]其中，W
*
为所求最优加权向量；μ为拉格朗日乘子向量；
[0052](43d)根据求解加权矢量W，引入临近解搜索及离散点去除的方法求解模糊数向量的解，设当前模糊数向量为n＝[n1，n2，...，n
K
]，若有一个模糊数向量n
′
＝[n
′1，n
′2，...，n
′
K
]满足|n
′
i
‑
n
i
|≤1(i＝1，2，..K)，则称n
′
是n的临近解，当已知前一时刻的整周期解时，直接搜索其临近解来求解当前解，具体步骤如下：
[0053](43d1)依据前一时刻的估计距离求解前一刻整周期解n及其所有临近解n
′
j
的加权均方误差
[0054](43d2)对排序，找出均方误差最小的解作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)搭建RFID定位系统；(2)模拟受限空间下超高频RFID多径信道模型；(3)利用步骤(1)搭建的RFID定位系统进行空域滤波抗干扰处理，且在进行空域滤波抗干扰处理时利用步骤(2)模拟的多径信道模型进行仿真；(4)空域滤波抗干扰处理完成后，进行基于WMMSENS法的测距和定位，使用最小二乘法求解待定位坐标。2.如权利要求1所述的一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法，其特征在于，步骤(1)中的RFID定位系统包括相互连接的阅读器、RFID天线、无源标签、计算机。3.如权利要求2所述的一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法，其特征在于，所述RFID定位系统搭建在宽4.6米，高5米的隧道内，所述无源标签的定位基准点以0.6m x 0.6m大小网格分布，所述RFID天线与无源标签保持在同一水平面，所述RFID天线包括坐标从左到右分别为：(0,0)，(0.6，
‑
0.1)，(1.2，0)的三个。4.如权利要求2所述的一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法，其特征在于，步骤(3)利用步骤(2)模拟的多径信道模型进行仿真时，阅读器与无源标签之间的确定性多径信道的路径增益G
p
为：为：其中：λ为波长；d0为直达路径长度；d
i
为第i条反射路径长度；Γ
i
为第i条反射路径的反射系数；k为波数；N为非直达路径总数；H为复数因子；阅读器收到的无源标签信号的相位为φ＝
‑
2kd0+2arg(H)+n0，其中arg(H)为复数H的角度；n0为高斯噪声引起的误差。5.如权利要求1所述的一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法，其特征在于，步骤(3)进行空域滤波抗干扰测试时具体包括：(31)利用RFID定位系统的阅读器依次发射多个频率并记录下其估计方向角θ
i
；(32)获取各个频率方向角的中位数θ
M
；(33)求取各个频率方向角与中位数的差值(34)获取差值的中位数(35)剔除掉的频率数据，ρ为离群阈值。6.如权利要求1所述的一种基于多频载波相位的隧道内高精度定位方法，其特征在于，步骤(4)具体包括：(41)实验时利用RFID定位系统的阅读器、RFID天线依次对在间距为0.6m的9个测试点的无源标签的数据进行采集；(42)使用计算机将步骤(41)采集的数据进行滤波处理；
(43)数据进行滤波处理后，利用WMMSENS多频载波相位测距算法进行测距处理；具体包括：(43a)对于不同载波不同噪声参数，引入一个加权矢量W处理，均方误差表示为：(43a)对于不同载波不同噪声参数，引入一个加权矢量W处...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓光，李岳健，李露，赵佳佳，孙川，王刚，李松，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：