专利名称：：一种采用单站多信道的室内定位方法
技术领域：
：本发明属于一种对室内(带)无线传播信号源(的目标)进行定位的方法，特别是一种采用单站多信道信号强度对带相同信道信号源的目标进行室内定位的方法。本发明方法利用信道个数换取监测器个数，避免了监测器之间、监测器与待定位目标之间对时间的同步要求，是一种低成本的定位方法。
背景技术：
：随着各种新的位置感知技术的出现，室内定位技术在商业、公共安全等方面表现出十分广阔的应用前景。诸如，利用室内定位系统可以对建筑物内的人或物进行实时定位，防止设备遗失，限制访问区域等等。全球定位系统(GlobalPositionSystem,GPS)是室外定位成功应用的典范，它的出现使得无线定位技术产生了质的飞跃，定位精度得到大幅度提高；但是，由于信号会被城市的高层建筑所遮挡，GPS难以完成室内定位的任务。室内定位技术恰恰适用于对卫星信号具有很强屏蔽、且具有丰富多径特性的室内环境，弥补GPS系统的缺陷。此外，与GPS系统不同的是，室内定位则要求系统应具有低成本、维护简单等特点。传统的室内定位方法有测距定位方法、测距差定位方法、测角定位方法和联合测距测角定位方法等。测距定位方法用于定位的测量参数主要有两种接收信号强度(RSS)和信号到达时间(TOA)；测距差定位方法是利用多个信号接收器接收到的信号到达时间差(TDOA)定位；测角定位方法则是利用多个信号接收器收到的信号到达角度(AOA)定位；联合测距、测角定位方法则是通过各信号接收器收到的信号TOA和AOA进行综合定位。但由于室内信号环境复杂，以上定位方法的定位性能常常受到信号在室内环境中的非视距(NLOS)传输效应、多径传播效应、RSS衰减规律等因素的严重干扰，影响其定位的精确度等。针对上述缺陷，申请人在申请号为200910058721.7、发明名称为《基于无线信道频域幅度响应的匹配定位方法》的专利文献中、公开了一种采用数据库匹配定位的技术，该技术通过两步完成对目标的定位；第一步、离线采集RSS数据，采用多个监测器接收定位区域内一个预定位置的目标发射的信号(建库信号)并测量RSS数据，形成一个“RSS向量目标位置”的记录(RSS向量的维数等于监测器个数)，对应每个目标的预定位置都形成一个“RSS向量目标位置”的记录，所有记录的集合就构成了RSS定位数据库；第二步、实时定位阶段，各个监测器接收定位区域内一个未知位置的目标发射的与建库信号相同信号并测量RSS数据，形成一个RSS向量，然后在定位数据库中挑选出与这个RSS向量最匹配的RSS向量，最匹配的RSS向量所对应的目标位置即为待定位目标所在的位置。这类基于数据库匹配的定位技术虽然克服了传统的参数化室内无线定位技术受非视距传输效应、多径传播效应、信号衰减规律复杂等因素的影响，在一定程度上提高了定位精度；但该类方法需要用到多个监测器(至少需要两个)参与定位，监测器个数太少会导致RSS向量因维数太低而出现位置模糊、在不同位置上的RSS向量没有显著差异。因而，该技术不适合采用单个监测器对目标进行定位，且在大范围定位时则需布置大量监测器，使得定位成本难以进一步降低，限制了大规模普遍应用等缺陷。目前采用单个监测器的目标定位技术，一般仍然采用传统的参数化定位方法(例如，同时测量TOA和AOA的单站定位技术)；因而存在受非视距传输效应、多径传播效应、信号衰减规律复杂等因素影响，以及时间同步精度要求高、阵列测向系统维护难、定位成本高等弊病。
发明内容本发明的目的是针对
背景技术：
存在的缺陷，研究设计一种采用单站多信道的室内定位方法，以达到使用一个监测器、通过多个信道对室内目标进行定位，克服室内复杂环境对定位的的影响，有效降低定位成本等目的。本发明的解决方案是建数据库前首先在定位区域内按要求设立定位网格及监测器设置的候选位置，然后利用单个监测器在多个信道、不同位置上采集的RSS数据建立含基础数据库、综合参数数据库在内的初始数据库，再经优选处理后确定监测器的设置位置、最优信道组合及定位数据库；而在实施室内定位时，在管理(待定位)目标上设置与定位数据库内定位用信道组合相同的信号源；从而实现其发明目的。因此，本发明方法包括A、设立定位网格(坐标)及监测器候选位置首先在定位区域内根据定位精度要求设立定位网格及设立监测器的候选位置，并记录各(网)格点的位置参数(坐标)；B.建立初始数据库B1.建立多信道RSS基础数据库首先将监测器置于任一候选位置处；再将建库信号源置于网格的一格点处并在设定的所有信道上发射信号，监测器接收该信号源在各信道上发射的信号强度、连同该格点的位置参数一并作为一个单元数据记录；然后将建库信号源置于定位网格中的其余各格点处，采用相同的方式依次确定各格点与该接收器之间对应的各单元数据记录，所得各单元数据记录作为监测器在该候选位置处相对于各格点之间多信道RSS的基础数据库；B2.建立各信道组合的综合参数数据库首先将所设定信道按不同组合分组(若有W个不同信道，则可以划分为种不同组合)，然后从步骤B1所得各格点单元数据的记录中、分别取出与对应信道组合中所含各信道的信号强度值，并将这些信号强度向量归一化处理后连同其位置参数一并组成该信道组合的综合参数数据库；C.确定监测器在任一候选位置处的最优信道组合C1.测试各组合信道的检测精度在定位区域中一格点位置放置一与设定信道组合相同的测试信号源，当监测器接收到测试信号源信号后、将信号强度向量归一化处理，然后分别与综合参数数据库中各格点位置处与设定信道组合相同的各信号强度向量进行内积处理，得到一组各格点与测试信号源所在位置间的相关系数，相关系数中最大值所对应的格点位置即为测试信号源的检测位置，该检测位置(对应的格点位置)与测试信号源实际位置距离之差即为定位精度(误差)；依次将测试信号源置于其余格点上，按照上述方法分别得到该测试信号源在其余格点位置处所对应的定位精度，最后将所有格点的定位精度值进行算术平均处理、其结果即为采用该信道组合时的检测精度；C2.确定最优信道组合分别在其余信道组合中，按照步骤C1相同的方法得到其余信道组合下分别对应的检测精度；其中精度最高值所对应的信道组合即为监测器在该候选位置处的最优信道组合，并将其检测精度值记录下；D.确定监测器的设置位置及定位用信道组合将监测器依次移动到其余候选位置处，按照步骤C1和C2相同的方法确定监测器在其余各候选位置处的最优信道组合、并记录下所对应的定位精度；然后将其中精度最高值所对应的监测器位置作为该定位区域内监测器最终设定的位置，监测器在该位置处的最优信道组合即作为此后该室内定位用信道组合；E.确定实际定位数据库根据步骤D所确定的监测器设置位置及最优信道组合，将步骤B2所得综合参数数据库与之对应的信道组合中的信号强度向量及其位置参数取出，作为定位数据库待用；并将步骤B所建初始数据库中的其余数据作丢弃处理F.在实时定位阶段，确定待定位的管理目标位置将监测器放置在由步骤D最终设定的位置处，并将步骤E建立的定位数据库置于监测器内；在管理目标上设置可发射由步骤D所得定位用信道组合的信号源；当监测器接收到定位区域内的管理目标发出的信号后，将接收的信号强度向量归一化处理，将归一化处理得到的向量在定位数据库中利用最近邻方法筛选出最匹配的格点位置作为管理目标的(估计)位置。上述将所设定信道按不同组合分组，其不同组合的分组数为Zm-I个(W为信道数)。而当监测器在最终设定位置处的最优信道组合超过一组时，即以其中信道最少的组合作为此后定位用信道组合。本发明利用信道个数换取监测器的个数，最大限度降低了监测器的用量，利用一个检测器通过多个信道即可实现对拟管理目标进行定位，克服了室内复杂环境对定位的影响，有效降低了定位成本等特点。图1为本发明方法流程示意图；图2为本发明具体实施方式初始数据库及定位数据库建立过程中，监测器的候选位置及信号源位置设置示意图；其中，P1-P8为监测器的候选位置、V1-V2tl为20个格点位置、V。为管理目标位置。具体实施例方式实施例1:A.建立定位网格(坐标)以及监测器的候选位置在一个长13.5m，宽5m的楼道进行定位实验；将定位区域分割成小的单元格、共20个网格格点，各格点在定位区域中的格点的平面位置坐标(单位均为米)依次为V1=(0，1.5),V2=(1.5，1.5),V3=(3，1.5),V4=(4.5，1.5),V5=(6，1.5),V6=(7.5，1.5)，V7=(9，1.5)，V8=(10.5，1.5)，V9=(12，1.5)，V10=(13.5，1.5)，V11=(13.5，3.5)，V12=(12，3.5)，V13=(10.5,3.5),V14=(9,3.5),V15=(7.5，3.5)，V16=(6,3.5),V17=(4.5，3.5)，V18=(3,3.5),V19=(1.5,3.5)，V2tl=(0，3.5)；设置8个监测器候选点(位置)，其位置坐标依次SP1(C),5)，P2(4.5，5)，P3(9，5)，P4(13.5，5)，P5(13.5,0),P6(9,0),P7(4.5,0),P8(OjO)；监测器与待定位目标在Zigbee允许的工作频段(2.4GHz-2.48GHz)上通信，该频段带宽80MHz，将每隔5MHz作为一个信道，一共有16个(记W=16)信道，按照Zigbee协议规定，信道标号依次为C1=11，C2=12，…，C16=26；B.建立初始数据库B1.建立多信道RSS基础数据库首先将监测器置于PJO，5)点处，再将目标信号源放置在格点V1处，目标信号源分别在16个信道上发射信号，监测器对应接收目标信号源发射的信号，将接收信的号强度向量记为R(cu，P1(0，5)，V1)，(注R(，Pi(X，y)，Vk)，表示监测器位于定位区域中的第i个位置PiU,y)时，目标信号源在格点位置Vk时，在标号为ω的信道上测到的信号强度向量，其中i=1,2,…8，ω=1,2,…，16，k=1，2，...20。若在16个信道上测量RSS时，R，Pi(x,y)，Vk)简记为R(Pi(x,y)，Vk))，当目标信号源在格点V1时，监测器在16个信道上分别测得的16维RSS向量为R(P1(0,5),V1)=[58585659595857565756595959676966]RSS向量中各分量的单位均为-dBm。与此相同，依次移动目标信号源到其余格点位置V2，V3,…，V2tl处，监测器依次测量目标信号源在16个信道上发射的16维RSS向量，分别为R(P1(0,5),V2)=[646257675856695957.560585958575654]R(P1(0,5),V3)=[66.5606373676759566059585958565557].........R(P1(0,5),V20)=[58585659595857565756595959676966.5]将各个格点处的16维的RSS信号强度向量归一化处理后，连同对应格点位置参数一并构成的基础数据库DB为_ΓVxV2…厂20_<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>其中，Γ(ρ(()R(P^vk)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>R(P1(0,5),Vk)=[R(C1,P1(0,5),Vk)R(C2,P1(0,5),Vk)...R(C16,P1(0,5),Vk)]τk=1,2,—,20οB2.建立综合参数数据库将所有16个信道{ci，c2，-,C1J划分成不同的信道组合；不同组合记为Fs，各组合情况对应的信道个数记为Ts，其中S=1,2,...J16-Ll,Ts=1,2,...16；在各信道组合Fs中，生成的各综合参数数据库为DBs为“V1V2...V20<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>其中，<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>‘R(CFi,^(0,5),Vk)i(CF^(0,5),K2)…凡)了k=1,2,—,20οC.确定监测器在任一候选位置处的最优信道组合C1.利用各组合信道检测各格点处的位置精度监测器在位置P1(O,5)处对应的信道组合Fs下的定位精度为1202"忧乂(0,5))=;艺^-厂J^k=l其中，%=argmaxG{Fs,Px{0,5),VkfG{Fs,P,((),5),Vm)\<m<20,m^kG(Fs，P1(0,5),Vk)=RiFs^(OSXVk)^R(Fs,Px(0,5),VjR{Fs,Px(Q,5\Vk)R(Fs，P1(Oj),Vk)=[R(FS(1)，P1(Oj),Vk)R(FS(2)，P1(Oj),Vk)...R(FS(Ts)，Ρ“0，5)，Vk)]Tk=1,2,...，20。C2.确定最优信道组合在信道集合Fs中组合搜索得到定位精度最高(最小误差)的值为=ηιηρ(^,/;(0,5))=2.5m7s对应的信道组合为C1二argminP(€,f(0，5))=(11，12,14,23)D.确定监测器的设置位置及最优信道组合依次将监测器的位置移到P2(4.5，5)，P3(9，5)，P4(13.5，5)，P5(13.5，0)，P6(9，0)，P7(4.5,0),P8(0,0)点处，重复步骤B1,B2,C1,C2中的处理方法，得到监测器在其余位置时候的最优定位精度和最优信道组合。所得对应的最小位置精度及其信道组合分别为&=I^inpCPi,P2(4.5,5))=2.5mC2=argminpCF;,P2(4.5,5))=(11，12,13,14,16，18，24)^3=ηηρ(^,Ρ3(9,5))=3.0mtSQ=argImnpCFi5P3(9,5))=(11，15’16，17)^4=ηιη/θ(^,Ρ4(13.5,5))=2.5m's^=ατ§ηιηρ(^,Ρ4(13.5,5))=(20,22,23,24)A=min广(K,P5(13.5’0))=3.0mOC5=OTgr^n/(Κ，Ρ5(13.5,0))(22,23)^6=Inin^5P6(9,0))=2.0mQ=OrgminMjPi5P6(^O))=(17,18,20,21，24)ει=nUn^,P7(4.5,0))=2.5m<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>以上结果中最小误差是2.0米，对应的单个监测器位置分别是位置P8(0，0)和P6(9，0)，对应的信道组合分别是(11，20，22，25)和(17，18，20，21，24)。由于后者的信道组合比前者的信道组合多1个信道，为了节省信道资源，因此确定单个监测器的最优位置Pa=P8(0，0)，最优信道组合Ca=(11，20，22，25)。E.确定实际定位数据库由于监测器的最优位置Pa=P8(OjO),最优信道组合Ca=(11，20，22，25)，所以用作实时定位数据库(DBO)为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>F.在实时定位阶段，确定管理目标位置位于Pa=P8(0，0)处的监测器，接收到管理目标V。在信道Ca=(11,20,22,25)发出的信号，测量到的4维RSS数据向量R(Vtl)=[60565959]，并将其归一化得到「00851<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>然后，在定位数据库DBO中挑选出与G(Vtl)最匹配的RSS向量，该向量所对应的格点序号为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>格点V3的实际位置即为该管理目标Vtl的估计位置；本实施例管理目标Vtl的实际位置坐标为(1.5，1.5)，而格点V3的实际位置坐标为(3，1.5)，因此，管理目标Vtl在该点处的定位误差为1.5m。本发明经对20个位置点进行定位测试，其结果为定位误差小于1.5m的占70%，小于2.5m的占90%，最大定位误差为3m。权利要求一种采用单站多信道的室内定位方法，包括A、设立定位网格及监测器候选位置首先在定位区域内根据定位精度要求设立定位网格及设立监测器的候选位置，并记录各格点的位置参数；B.建立初始数据库B1C.建立多信道RSS基础数据库首先将监测器置于任一候选位置处；再将建库信号源置于网格的一格点处并在设定的所有信道上发射信号，监测器接收该信号源在各信道上发射的信号强度、连同该格点的位置参数一并作为一个单元数据记录；然后将建库信号源置于定位网格中的其余各格点处，采用相同的方式依次确定各格点与该接收器之间对应的各单元数据记录，所得各单元数据记录作为监测器在该候选位置处相对于各格点之间多信道RSS的基础数据库；B2.建立各信道组合的综合参数数据库首先将所设定信道按不同组合分组，然后从步骤B1所得各格点单元数据的记录中、分别取出与对应信道组合中所含各信道的信号强度值，并将这些信号强度向量归一化处理后连同其位置参数一并组成该信道组合的综合参数数据库；C.确定监测器在任一候选位置处的最优信道组合C1.测试各组合信道的检测精度在定位区域中一格点位置放置一与设定信道组合相同的测试信号源，当监测器接收到测试信号源信号后、将信号强度向量归一化处理，然后分别与综合参数数据库中各格点位置处与设定信道组合相同的各信号强度向量进行内积处理，得到一组各格点与测试信号源所在位置间的相关系数，相关系数中最大值所对应的格点位置即为测试信号源的检测位置，该检测位置与测试信号源实际位置距离之差即为定位精度；依次将测试信号源置于其余格点上，按照上述方法分别得到该测试信号源在其余格点位置处所对应的定位精度，最后将所有格点的定位精度值进行算术平均处理、其结果即为采用该信道组合时的检测精度；C2.确定最优信道组合分别在其余信道组合中，按照步骤C1相同的方法得到其余信道组合下分别对应的检测精度；其中精度最高值所对应的信道组合即为监测器在该候选位置处的最优信道组合，并将其检测精度值记录下；D.确定监测器的设置位置及定位用信道组合将监测器依次移动到其余候选位置处，按照步骤C1和C2相同的方法确定监测器在其余各候选位置处的最优信道组合、并记录下所对应的定位精度；然后将其中精度最高值所对应的监测器位置作为该定位区域内监测器最终设定的位置，监测器在该位置处的最优信道组合即作为此后该室内定位用信道组合；E.确定实际定位数据库根据步骤D所确定的监测器设置位置及最优信道组合，将步骤B2所得综合参数数据库与之对应的信道组合中的信号强度向量及其位置参数取出，作为定位数据库待用；并将步骤B所建初始数据库中的其余数据作丢弃处理F.在实时定位阶段，确定待定位的管理目标位置将监测器放置在由步骤D最终设定的位置处，并将步骤E建立的定位数据库置于监测器内；在管理目标上设置可发射由步骤D所得定位用信道组合的信号源；当监测器接收到定位区域内的管理目标发出的信号后，将接收的信号强度向量归一化处理，将归一化处理得到的向量在定位数据库中利用最近邻方法筛选出最匹配的格点位置作为管理目标的位置。2.按权利要求1所述采用单站多信道的室内定位方法，其特征在于所述将所设定信道按不同组合分组，其不同组合的分组数为Zm-I个。3.按权利要求1所述采用单站多信道的室内定位方法，其特征在于当监测器在最终设定位置处的最优信道组合超过一组时，即以其中信道最少的组合作为此后定位用信道组合.全文摘要该发明属于采用单站多信道对室内带无线传播信号源的目标进行定位的方法，包括设立定位网格及监测器候选位置，建立含基础数据库、综合参数数据库在内的初始数据库，确定监测器在各候选位置处的最优信道组合，确定监测器的最终设置位置、定位用信道组合及实际定位数据库，确定待定位的管理目标位置。该发明首先在定位区域内设立定位网格及监测器候选位置，然后利用单个监测器在多个信道、不同位置上采集RSS数据，经优选处理后确定监测器的位置、最优信道组合及定位数据库；同时在管理目标上设置与定位用信道组合相同的信号源。从而具有采用一个检测器通过多个信道即可对拟管理目标进行定位，有效降低了定位成本等特点。文档编号G01S5/02GK101799532SQ201010028128公开日2010年8月11日申请日期2010年1月19日优先权日2010年1月19日发明者万群,李金洋,樊荣,段林甫,陈章鑫申请人:电子科技大学