一种基于相位的有效室内定位方法

摘要

本发明属于信号处理领域，涉及一种基于相位的室内定位算法，包括：发射信号选择余弦波形式，调制方式为AM方式，并通过添加副载波的方法消除整周期模糊；利用全相位FFT变换方法，按照下列的准则准确提取发射信号中相应频率下的相位值；在场景中均匀铺设参考标签，逐一求取每个读卡器跟单一参考标签间信号的相位差；对于每个读卡器，寻找与目标标签具有最相近相位差值的最佳参考标签；计算出该最佳参考标签与相应读卡器间的视距路径距离，并将此视距路径距离作为目标标签与该读卡器的视距路径距离；遍历所有读卡器，获得目标标签与所有读卡器的视距路径距离；定位。本发明能够提高室内复杂环境下的移动目标定位精度。

权利要求

1.一种基于相位的室内定位算法，包括下列步骤：

1)发射信号选择余弦波形式，调制方式为AM方式，并通过添加副载波的方法消除整周期模糊，设副载波频率为f0，发射相位为φs，接收相位为φr，对于超频载波fc，令发射相位为φc，接收相位为φd，调制电平为A，接收端附加噪声为z，带通采样频率为fs，则离散发射信号序列s(n)和接收信号序列r(n)：

2)引入两个副载波数字角频率ω0＝2πf0/fs和超频载波数字角频率ωc＝2πfc/fs，则离散发射信号序列s(n)和接收信号序列r(n)为：

3)利用全相位FFT变换方法，按照下列的准则准确提取发射信号中相应频率下的相位值：a)分别计算出调制后信号频率f为fc-f0、fc和fc+f0时在采样频率fs中对应的谱线序号k＝[(f-[f/fs]×fs)×N/fs]，其中，采样数为N，[·]表示取整；

b)在相位谱中根据fc-f0、fc和fc+f0三个信号频率各自的谱线序号找到三个频率下的相位值，分别为φd-φr、φd和φd+φr，简记为φ1、φ2和φ3，如果 则c)φ1、φ2和φ3还需满足：α∈(2,3)

β∈(1,2)；

4)则发射信号经过标签返回后相位差计算公式为

5)在场景中均匀铺设参考标签，按照1)到4)的过程逐一求取每个读卡器跟单一参考标签间信号的相位差；

6)对于每个读卡器，寻找与目标标签具有最相近相位差值的最佳参考标签，即通过最近邻法选择参考标签；

7)计算出该最佳参考标签与相应读卡器间的视距路径距离，并将此视距路径距离作为目标标签与该读卡器的视距路径距离；

8)重复步骤6)和7)，直到遍历所有读卡器，获得目标标签与所有读卡器的视距路径距离；

9)利用最小二乘的方法可以得到最终的定位结果。

说明书

一种基于相位的有效室内定位方法

技术领域

[0001] 本发明属基于射频识别技术(RFID Radio Frequency Identification)的非接触式自动识别领域，特别是针对室内多径环境下的定位问题。

背景技术

[0002] 随着无线通信技术的不断发展，人们对于无线定位服务的需求也越来越迫切，尤其是在复杂的室内环境下，比如医院，矿井，仓储等环境。利用射频识别技术对目标进行定位，这样就可以在非接触、高效的前提下，确保工作人员的安全以及物流跟踪的准确性。但室内信号的影响因素较多，传统的定位技术不能满足室内环境下定位精度的要求，因此，室内定位技术具有非常高的研究价值。

[0003] 一般来说，定位方法可以分为两类：一种是基于测距的方法，或称为几何法；另一种是基于非测距的方法，或称为统计法。测距法主要利用读卡器和目标标签间距离的几何关系，通过最小二乘的方法进行定位；非测距的方法并不考虑距离信息，而是通过从最小化估计误差的角度来获得统计意义上的定位结果。定位技术中常用的信号测量信息有，到达时间(Time of Arrival(TOA))，到达时间差(Time Difference of Arrival(TDOA))，到达角(Direction of Arrival(DOA))，到达相位(phase of arrival(POA))以及接收到的能量强度(Received Signal Strength(RSS))。这些信息即可以单独作为定位参考信息，又可以混合使用，在测距方法中这些信息都比较常用，但在非测距方法中一般采用RSS作为参考信息。

[0004] 大量研究表明这些测量信息有着自身的优点和不足，比如基于TOA和TDOA的方法中，要求多径信号在时域是可分的，这就引入了超宽带信号的研究；基于DOA的方法目前研究的较多，得益于阵列信号处理技术的发展；基于POA方法的主要问题在于整周期模糊，即无法测得信号在传播中经过的整周期数，目前文献中可行的解决方法是引入副载波信号的概念。至于基于RSS的方法，由于能量和距离的非线性关系，目前比较经典的就是引入参考标签，通过比较参考标签与待定标签能量的近似度来获得目标的定位信息。

[0005] 多径干扰对室内定位精度的影响是比较严重的，这是由于室内摆放的障碍物，行人走动，地面，墙壁等会对信号造成反射，散射等影响，使得目标信号与阅读器间的视距路径被掩盖，而通过不同的非视距路径到达阅读器，继而造成较大的定位误差。但是，直接获得直射路径是非常困难的，且在复杂环境下由于障碍物等原因直射路径有时根本不存在，所以实际应用中基于视距路径定位的方案存在实施障碍。另外，由于信号传播环境中存在噪声干扰，信号测量信息跟信号传播距离之间的对应关系存在误差，会为下一步的定位过程引入不可消除的误差。

发明内容

[0006] 针对当前室内定位技术存在的直射路径难以提取以及环境中存在难以消除的噪声影响的问题，本发明提出了一种基于相位的室内定位方法。该方法能够很好得消除多径干扰的影响，并且对动态环境因素具有很好的鲁棒性，从而获得较好的定位精度且本算法比较简单，容易实现。本发明的技术方案如下：

[0007] 一种基于相位的室内定位算法，包括下列步骤：

[0008] 1)发射信号选择余弦波形式，调制方式为AM方式，并通过添加副载波的方法消除整周期模糊，设副载波频率为f0，发射相位为 ，接收相位为 ，对于超频载波fc，令发射相位为 ，接收相位为 ，调制电平为A，接收端附加噪声为z，带通采样频率为fs，则散发射信号序列s(n)和接受信号序列r(n)：

[0009] s(n)＝[cos(2πnf0/fs+ )+A]·cos(2πnfc/fs+ )

[0010] r(n)＝[cos(2πnf0/fs+ )+A]·cos(2πnfc/fs+ )+z；

[0011] 2)引入两个副载波数字角频率ω0=2πf0/fs和超频载波数字角频率ωc=2πfc/fs，则散发射信号序列s(n)和接受信号序列r(n)为：

[0012]

[0013]

[0014] 3)利用全相位FFT变换方法，按照下列的准则准确提取发射信号中相应频率下的相位值：

[0015] a)分别计算出调制后信号频率f为fc-f0、fc和fc+f0时在采样频率fs中对应的谱线序号k＝[(f-[f/fs]×fs)×N/fs]，其中，采样数为N，[·]表示取整；

[0016] b)在相位谱中根据fc-f0、fc和fc+f0三个信号频率各自的谱线序号找到三个频率下的相位值，分别为 和 ，简记为 ，如果 ，则 ；

[0017] c) 和 还需满足：

[0018]

[0019] α∈(2,3)

[0020] β∈(1,2)；

[0021] 4)则发射信号经过标签返回后相位差计算公式为

[0022]

[0023] 5)在场景中均匀铺设参考标签，按照1)到4)的过程逐一求取每个读卡器跟单一参考标签间信号的相位差；

[0024] 6)对于每个读卡器，寻找与目标标签具有最相近相位差值的最佳参考标签，即通过最近邻法选择参考标签；

[0025] 7)计算出该最佳参考标签与相应读卡器间的视距路径距离，并将此视距路径距离作为目标标签与该读卡器的视距路径距离；

[0026] 8)重复步骤6)和7)，直到遍历所有读卡器，获得目标标签与所有读卡器的视距路径距离；

[0027] 9)利用最小二乘的方法可以得到最终的定位结果。

[0028] 本发明的定位算法已经在matlab中采用蒙特卡洛方法进行了2000次的仿真实验，同时，为了测试环境因素对定位效果的影响，在接收信号中考虑了10dB到40dB信噪比范围内的噪声干扰。仿真中测试场景为10×10×5米的范围空间内，考虑了三条到达路径，分别为直射路径，地面反射路径以及墙面反射路径，简单起见，假设所有的信号在到达标签后都按原路返回。待定位标签数为200个，参考标签数为9个，标签高度统一为1米。实验结果表明，在不同信噪比条件下，本算法的平均定位精度均约为1米，由此表明，本算法不仅定位精度较高，而且具有很好的鲁棒性。

附图说明

[0029] 图1为本发明流程框图。

[0030] 图2（a）为采样前的频谱图；图2（b）为带通采样后的频谱图。

[0031] 图3为利用参考标签的定位原理图，方框(R_1,R_2,R_3,and R_4)代表四个位于墙角的读卡器；圆圈T代表目标标签，圆圈VT_1代表目标标签T关于读卡器R_1对称的虚拟标签，圆圈VT_2代表目标标签T关于读卡器R_2对称的虚拟标签；三角(RT_1,RT_2and RT_3)代表参考标签；三角RT_4代表本算法计算出的待定位标签的位置。

具体实施方式

[0032] 如图1所示，本发明包括三个主要步骤：带通采样、提取相位值和利用最佳参考标签的定位方法。

[0033] 具体方案如下：

[0034] 一、带通采样

[0035] 实际中遇到的许多信号是带通型信号，这种信号的带宽往往远小于信号中心频率。若带通信号的上截止频率为fH，下截止频率为fL，这时并不需要抽样频率高于两倍上截止频率fH，可按照带通抽样定理确定抽样频率。

[0036] 带通抽样定理：一个频带限制在(fL，fH)内的时间连续信号x(t)，信号带宽B=fH-fL，令M=fH/B-N，这里N为不大于fH/B的最大正整数。如果抽样频率fs满足条件[0037]

[0038] 则可以由抽样序列无失真的重建原始信号x(t)。

[0039] 对信号x(t)以频率fs抽样后，得到的采样信号x(nTs)的频谱是x(t)的频谱经过周期延拓而成，延拓周期为fs，如图2所示。为了能够由抽样序列无失真的重建原始信号x(t)，必须选择合适的延拓周期（也就是选择采样频率），使得位于(fL，fH)和(﹣fH，﹣fL)的频带分量不会和延拓分量出现混叠，这样使用带通滤波器就可以由采样序列重建原始信号。由于正负频率分量的对称性，我们仅考虑(fL，fH)的频带分量不会出现混叠的条件。

[0040] 在抽样信号的频谱中，在(fL，fH)频带的两边，有着两个延拓频谱分量：(-fH+mfs，-fL+mfs)和(-fH+(m+1)fs，-fL+(m+1)fs)。为了避免混叠，延拓后的频带分量应满足

[0041] -fL+mfs≤fL (2)

[0042] -fH+(m+1)fs≥fH(3)

[0043] 综合式(2)和式(3)并整理得到

[0044]

[0045] 这里m是大于等于零的一个正数。如果m取零，则上述条件化为

[0046] fs≥2fH(5)

[0047] 这时实际上是把带通信号看作低通信号进行采样。

[0048] m取得越大，则符合式(4)的采样频率会越低。但是m有一个上限，因为fs≤2fL/m，而为了避免混叠，延拓周期要大于两倍的信号带宽，即fs≥2B。

[0049] 因此

[0050]

[0051] 由于N为不大于fH/B的最大正整数，因此不大于fL/B的最大正整数为N-1，故有0≤m≤N-1。

[0052] 综上所述，要无失真的恢复原始信号x(t)，采样频率fs应满足

[0053]

[0054] 二、提取相位值

[0055] 全相位FFT(All-phase FFT)变换的主要策略是对于输入样点x(0)来说,考虑包含样点x(0)的所有长度为N的序列截断情况的一种新型的谱分析方式。针对全相位FFT变换后相位谱中相应相位值的提取，本发明设计了三项准则：

[0056] 1)由于对信号进行带通采样后，得到的采样信号的频谱是原信号频谱的周期延拓，延拓周期为fs。为了在振幅谱中搜索出调制后信号频率f所对应的谱线，以便在相位谱中找到对应的相位值，利用公式(8)将信号谱线k限制在采样数N以内。

[0057] k＝[(f-[f/fs]×fs)×N/fs] (8)

[0058] 其中，[·]表示取整运算。

[0059] 2)和频项fc+f0对应的相位值 应该大于差频项fc-f0对应的相位值 。若小于，则为 补加2π，即

[0060] (9)

[0061] 3)由技术方案2)可知，和频项fc+f0对应的相位值 与差频项fc-f0对应的相位值 相加后理论上应该等于2倍的fc对应的相位值 。但由于噪声的影响使得 并不严格等于 。据此按照公式(10)进行修正。

[0062]

[0063] α∈(2,3)

[0064] β∈(1,2) (10)

[0065] 按照以上三项准则进行调整后可以获得准确的相位估计值，为提高定位精度做出了巨大贡献。

[0066] 三、利用最佳参考标签的定位方法

[0067] 目前参考标签比较常见于基于信号接收能量信息的定位方法中，本发明利用参考标签的信号相位信息进行定位，取得了更加准确的定位效果。由于能量与距离之间是非线性关系，而相位差与距离之间是线性关系，相位差更能体现出标签与读卡器之间的距离关系，即相位差相近的标签具有更相近的传播距离，因此本发明采用相位差作为选择最佳参考标签的依据。

[0068] 图3中目标标签T关于读卡器R_1对称的位置假设存在一个的虚拟标签VT_1，则读卡器发出的信号到达目标标签T和虚拟标签VT_1的传播距离是相同的，因此，表示读卡器R_1与标签T距离的相位差值在理论上应该等于读卡器与虚拟标签VT_1相位差值。由于虚拟标签在实际中不一定存在，但若有参考标签非常接近虚拟标签，比如图3中，参考标签RT_1非常接近虚拟标签VT_1，因此参考标签在读卡器R_1下的相位差值应该也是非常接近标签T的相位差值的。除此之外，参考标签RT_3在物理距离上是最接近目标标签T，因此，参考标签RT_3的相位差值也是比较接近目标标签T的相位差值的，但还是不如参考标签RT_1的相位差值更接近。因此，如果只考虑相位差值是否最接近的原则，最终选择出的最佳参考标签是RT_1，此时，参考标签RT_1关于读卡器R_1的直射距离与目标标签T与相同读卡器的直射距离最接近，由于参考标签RT_1的位置已知，直射距离很容易求出，因此假设该直射距离就是目标标签与读卡器R_1的直射距离。以此类推，求出目标标签T与所有读卡器的直射距离，再利用最小二乘法就可以估计出目标标签的位置。

[0069] 下面是本发明的一个具体实施例：

[0070] 测试场景大小为10×10×5米的空间，随机分布了200个标签，均匀铺设9个参考标签，所有标签高度均假设为1米，四个读卡器分布在空间顶层的四个角落附近。载波频率为915Mhz,副载波频率为2Mhz，采样频率为36Mhz，采样数为1024。四个读卡器载波信号的初始相位分别为70°、60°、50°、60°，副载波信号的初始相位分别为10°、20°、30°、10°，读卡器的天线极化方向为垂直极化。实验采用蒙特卡洛方法进行2000次实验，最终得到的定位精度约为1米。

[0071] 概括而言，本发明的基于相位的室内定位算法包括下列步骤：

[0072] 1)信号选择余弦波形式，调制方式为AM方式，并通过添加副载波的方法消除整周期模糊，则可得离散发射信号序列s(n)和接受信号序列r(n)。

[0073] s(n)＝[cos(2πnf0/fs+ )+A]·cos(2πnfc/fs+ )

[0074] r(n)＝[cos(2πnf0/fs+ )+A]·cos(2πnfc/fs+ )+z

[0075] 其中副载波频率为f0，发射相位为 ，接收相位为 ，对于超频载波fc，令发射相位为 ，接收相位为 ，调制电平为A，接收端附加噪声为z，带通采样频率为fs。

[0076] 2)引入数字角频率ω0=2πf0/fs，ωc=2πfc/fs。

[0077]

[0078]

[0079] 3)利用全相位FFT(All-phase FFT)的方式准确提取信号中不同频率下的相位值，包括三项准则：

[0080] a)分别计算出fc-f0、fc和fc+f0在采样频率fs中对应的谱线序号。其中采样数为N，[·]表示取整。

[0081] k＝[(f-[f/fs]×fs)×N/fs]

[0082] b)在相位谱中找到三个频率下的相位值，分别为 和 ，简单起见可表示为 和 。若 小于 对应的谱线序号，则：

[0083]

[0084] c) 和 还需满足：

[0085]

[0086] α∈(2,3)

[0087] β∈(1,2)

[0088] 4)则发送信号经过标签返回后相位差为

[0089]

[0090] 5)在场景中均匀铺设参考标签，按照1)到4)的过程逐一求取每个读卡器跟单一参考标签间信号的相位差。

[0091] 6)在每个读卡器下，寻找与目标标签具有最相近相位差值的最佳参考标签，即最近邻法选择参考标签。

[0092] 7)计算出该参考标签与相应读卡器间的视距路径距离，并将该直射距离作为目标标签与该读卡器的视距路径距离。

[0093] 8)重复步骤6)和7)，直到遍历所有读卡器。

[0094] 9)获得目标标签与所有读卡器的视距路径距离后，利用最小二乘的方法就可以得到最终的定位结果。