基于信号反射点的室内定位方法

1.本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于信号反射点的室内定位方法。


背景技术：

2.随着社会的快速发展以及城市现代化建设，越来越多的大型建筑出现在人们的生活中。诸如全球定位系统(gps)和北斗卫星导航系统(bds)等全球导航卫星系统(gnss)的成熟，人们日常生活中对室外定位的需求已基本得到满足。但据研究表明，人们日常生活处于室内环境中的时间占全部时间的80％～90％，因此当用户想要在建筑物内或封闭环境中定位任何物体时，由于gnss的局限性与室内环境的复杂性，容易对信号产生多径效应、高频变化、阴影效应、非视距干扰等影响无法实现精确的定位来满足用户的需求，因此室内定位服务的需求变得越来越强烈。例如，在重点楼宇管理、智能化医院建设、个人服务、停车场车辆位置查询、安防等领域的室内定位技术的市场需求都很大。
3.根据信源放置位置，现有的室内定位技术可以分为两大类：基于天然信源的室内定位技术和基于外置信源的室内定位技术。其中，基于天然信源的室内定位技术包括惯性导航、地磁导航等；而基于外置信源的室内定位技术有红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、wifi定位技术、超带宽(uwb)定位技术、射频识别(rfid)定位技术、基于调频连续波(fmcw)定位技术等。室内定位系统的性能指标主要是成本和定位精度，当前的室内定位技术各有其偏向，但对于这两个指标难以兼顾，如何在尽可能提高定位精度的同时控制成本是一个很大的挑战。未来的趋势将是对各技术进行结合，融合它们的优点，并且克服它们各自的缺点。因此设计高性价比、易于实现、结构简单的室内定位系统具有现实意义。


技术实现要素：

4.针对现有室内定位技术的成本高、耗电高的弊端，本发明的目的在于提供一种基于信号反射点的室内定位方法，其成本低、耗电少且容易部署。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种基于信号反射点的室内定位方法，其基于室内定位系统实现，所述室内定位系统包括一激励源、一接收机以及至少三信号反射点；
7.所述激励源用于连续或间断发射信号，采用线性调制的fmcw信号，信号通过对连续波的频率进行调制获得；
8.所述信号反射点由接收天线、放大器、扩频模块和发射天线四部分组成，信号反射点对接收到的信号进行放大，每个信号反射点拥有一个专属的扩频码，利用该序列对接收到的信号进行调制，最后发送至接收机，该扩频码在后续的信号处理过程中可用于识别信号的身份信息；
9.所述接收机通过接收激励源及多个信号反射点的信号，通过信号处理方法，利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，分离出每个信号反射点的反射信号，能够计算每个信号反射点到接收机的距离差，利用tdoa定位方法，得到接
收机的位置信息。
10.所述定位方法具体包括以下步骤：
11.步骤1、激励源产生的为fmcw信号，设其发射信号为
[0012][0013]
其中，mod(t,t)表示t对t取模，t为扫频周期，μ为扫频速率(hz/s)，fc为载波频率；
[0014]
步骤2、忽略信道多径的影响，发射信号从激励源发射出，被某个信号反射点k(k＝1,2,...)接收到，每个信号反射点都有一个专属的c/a码，经过调制后的信号为
[0015][0016]
其中，dk(t)为扩频码片信号，采用不同的扩频方法时，其取值有不同：当采用ook体制时，dk(t)取值为0或者1的伪随机信号；当采用bpsk体制时，dk(t)取值为-1或者1的伪随机信号；为激励源至反射点的信道增益，它是一个复数；为激励源至反射点的信号传播时延，反射点的输入天线至输出天线之间的时延可考虑到中；wk(t)为噪声；
[0017]
步骤3、接收机收到来自激励源和信号反射点的合成信号，其接收到的信号为
[0018]
其中，为信号反射点至接收机的信道增益，是信号传播时延，w0(t)为接收机噪声；
[0019]
步骤4、通过对接收机接收到的载波信号进行同步下变频处理，获得的基带信号为
[0020][0021]
wb(t)为下变频后的等效低通噪声；
[0022]
步骤5、接收机本地同步产生一个fmcw信号，对基带信号进行相位跟踪，并且锁相至上，同步检波后的输出为
[0023]
[0024]
wd(t)为同步检波后的噪声；
[0025]
在区域，可得到
[0026][0027]
其中，是频率为的正弦项，为信号初相，为ook/bpsk相乘项；
[0028]
步骤6、接收机利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，接收机能够知道该路信号来源于哪一个反射点；假设激励源到某反射点的距离为r1，该反射点到接收机的距离为r2，激励源到接收机的距离为r；对进行频率估计即可得到各信号反射点与接收机间的距离差；根据频偏可以计算出距离差(r1+r2)-r，由于已知r1，计算出激励源到接收机与反射点到接收机的距离差(r2-r)；再根据多个这样的距离与信号反射点的位置，利用tdoa定位方法进行计算，得到接收机的位置信息，实现目标的定位。
[0029]
一种基于信号反射点的室内定位方法，其基于室内定位系统实现，所述室内定位系统包括至少一个激励源、三个信号反射点和一个接收机；
[0030]
所述激励源用于连续或间断发射信号，采用线性调制的fmcw信号，信号通过对连续波的频率进行调制获得；
[0031]
所述信号反射点由接收天线、放大器、扩频模块和发射天线四部分组成，信号反射点对接收到的信号进行放大，每个信号反射点拥有一个专属的扩频码，利用该序列对接收到的信号进行调制，最后发送至接收机，该扩频码在后续的信号处理过程中可用于识别信号的身份信息；
[0032]
所述接收机通过接收激励源及多个信号反射点的信号，通过信号处理方法，利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，分离出每个信号反射点的反射信号，能够计算每个信号反射点到接收机的距离差，利用tdoa定位方法，得到激励源的位置信息。
[0033]
所述定位方法具体包括以下步骤：
[0034]
步骤1、激励源产生的为fmcw信号，设其发射信号为
[0035][0036]
其中，mod(t,t)表示t对t取模，t为扫频周期，μ为扫频速率(hz/s)，fc为载波频率；
[0037]
步骤2、忽略信道多径的影响，发射信号从激励源发射出，被某个信号反射点k(k＝1,2,...)接收到，每个信号反射点都有一个专属的c/a码，经过调制后的信号为
[0038][0039]
其中，dk(t)为扩频码片信号，采用不同的扩频方法时，其取值有不同：当采用ook体制时，dk(t)取值为0或者1的伪随机信号；当采用bpsk体制时，dk(t)取值为-1或者1的伪随
机信号；为激励源至反射点的信道增益，它是一个复数；为激励源至反射点的信号传播时延，反射点的输入天线至输出天线之间的时延可考虑到中；wk(t)为噪声；
[0040]
步骤3、接收机收到来自激励源和信号反射点的合成信号，其接收到的信号为
[0041]
其中，为信号反射点至接收机的信道增益，是信号传播时延，w0(t)为接收机噪声；
[0042]
步骤4、通过对接收机接收到的载波信号进行同步下变频处理，获得的基带信号为
[0043][0044]
wb(t)为下变频后的等效低通噪声；
[0045]
步骤5、接收机本地同步产生一个fmcw信号，对基带信号进行相位跟踪，并且锁相至上，同步检波后的输出为
[0046][0047]
wd(t)为同步检波后的噪声；
[0048]
在区域，可得到
[0049][0050]
其中，是频率为的正弦项，为信号初相，为ook/bpsk相乘项；
[0051]
步骤6、接收机利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，接收机能够知道该路信号来源于哪一个反射点；假设激励源到某反射点的距离为
r1，该反射点到接收机的距离为r2，激励源到接收机的距离为r；对进行频率估计即可得到各信号反射点与接收机间的距离差，根据频偏可以计算出距离差(r1+r2)-r，由于已知r2，计算出激励源到接收机与激励源到反射点的距离差(r1-r)；再根据多个这样的距离与信号反射点的位置，利用tdoa定位方法进行计算，得到激励源的位置信息，实现目标的定位。
[0052]
一种基于信号反射点的室内定位方法，其基于室内定位系统实现，所述室内定位系统包括至少四个激励源、至少四个接收机、一个信号反射点；
[0053]
所述激励源用于连续或间断发射信号，采用线性调制的fmcw信号，信号通过对连续波的频率进行调制获得；
[0054]
所述信号反射点由接收天线、放大器、扩频模块和发射天线四部分组成，信号反射点对接收到的信号进行放大，每个信号反射点拥有一个专属的扩频码，利用该序列对接收到的信号进行调制，最后发送至接收机，该扩频码在后续的信号处理过程中可用于识别信号的身份信息；
[0055]
所述接收机通过接收激励源及多个信号反射点的信号，通过信号处理方法，利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，分离出每个信号反射点的反射信号，能够计算每个信号反射点到接收机的距离差，利用tdoa定位方法，得到信号反射点的位置信息。
[0056]
所述定位方法具体包括以下步骤：
[0057]
步骤1、激励源产生的为fmcw信号，设其发射信号为
[0058][0059]
其中，mod(t,t)表示t对t取模，t为扫频周期，μ为扫频速率(hz/s)，fc为载波频率；
[0060]
步骤2、忽略信道多径的影响，发射信号从激励源发射出，被某个信号反射点k(k＝1,2,...)接收到，每个信号反射点都有一个专属的c/a码，经过调制后的信号为
[0061][0062]
其中，dk(t)为扩频码片信号，采用不同的扩频方法时，其取值有不同：当采用ook体制时，dk(t)取值为0或者1的伪随机信号；当采用bpsk体制时，dk(t)取值为-1或者1的伪随机信号；为激励源至反射点的信道增益，它是一个复数；为激励源至反射点的信号传播时延，反射点的输入天线至输出天线之间的时延可考虑到中；wk(t)为噪声；
[0063]
步骤3、接收机收到来自激励源和信号反射点的合成信号，其接收到的信号为
[0064]
其中，为信号反射点至接收机的信道增益，是信号传播时延，w0(t)为接收机噪声；
[0065]
步骤4、通过对接收机接收到的载波信号进行同步下变频处理，获得的基带信号为
[0066][0067]
wb(t)为下变频后的等效低通噪声；
[0068]
步骤5、接收机本地同步产生一个fmcw信号，对基带信号进行相位跟踪，并且锁相至上，同步检波后的输出为
[0069][0070]
wd(t)为同步检波后的噪声；
[0071]
在区域，可得到
[0072][0073]
其中，是频率为的正弦项，为信号初相，为ook/bpsk相乘项；
[0074]
步骤6、接收机利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，接收机能够知道该路信号来源于哪一个反射点；取一台收发机作为激励源，其余收发机可作为接收机，假设该作为激励源的收发机到某反射点的距离为r1，该反射点到作为接收机的收发机的距离为r2，激励源到接收机的距离为r；对进行频率估计即可得到各信号反射点与接收机间的距离差，根据频偏可以计算出距离差(r1+r2)-r，由于已知r，计算出激励源到反射点与反射点到接收机的距离差(r1+r2)；再根据多个这样
的距离、确定的信号发射点序号与收发机的位置，利用tdoa定位方法进行计算，得到信号反射点的位置信息，实现目标的定位。
[0075]
采用上述方案后，本发明通过激励源传输信号，被传输出来的信号将会被信号反射点接收到，信号反射点通过对接收到的信号进行扩频处理，最终由接收机接收到激励源与各信号反射点的信号，通过对接收到的信号进行处理能够得出各个信号反射点之间的距离差，采用tdoa算法进行定位，最终可以得到目标位置。本发明利用信号反射点结构简单、成本较低、易于部署的特点，能够在室内定位方案中实现大量部署。
附图说明
[0076]
图1为本发明接收机定位系统的原理示意图；
[0077]
图2本发明信号反射点ook扩频原理图
[0078]
图3本发明接收机定位系统的原理框图；
[0079]
图4为接收机定位距离关系示意图；
[0080]
图5为本发明激励源定位系统的原理示意图；
[0081]
图6为激励源定位系统的原理框图；
[0082]
图7为激励源定位距离关系示意图；
[0083]
图8为信号反射点定位系统的原理示意图；
[0084]
图9为信号反射点定位系统的原理框图；
[0085]
图10为信号反射点定位距离的关系示意图。
具体实施方式
[0086]
本发明揭示了一种基于信号反射点的室内定位方法，其基于室内定位系统实现，室内定位系统包括激励源、信号反射点以及接收机。说明如下：
[0087]
激励源，即信号源，用于连续或间断发射信号，采用线性调制的fmcw信号，信号通过对连续波的频率进行调制获得。fmcw信号的调频方式有线性调频和非线性调频两种。本方案中采用线性调频中的锯齿波调制方式。接收信号与发射信号之间存在频率差通过混频器以及后续的信号处理模块处理得到。接收机接收到的信号与本地信号的时间差根据频率差计算得到。
[0088]
信号反射点是低成本的信号调制及放大单元，由接收天线、放大器、扩频模块和发射天线四部分组成。信号反射点对接收到的信号进行放大，每个信号反射点拥有一个专属的扩频码，利用该序列对接收到的信号进行调制，最后发送至接收机，该扩频码在后续的信号处理过程中可用于识别信号的身份信息。
[0089]
接收机通过接收激励源及多个信号反射点的信号，通过信号处理方法，利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，分离出每个信号反射点的反射信号，能够计算每个信号反射点到接收机的距离差。
[0090]
室内定位系统可以根据不同的定位场景分为接收机定位系统、信号反射点定位系统、激励源定位系统三种，具体如下：
[0091]
如图1所示，接收机定位系统中激励源、信号反射点位置确定，解算接收机的位置。该系统至少需要激励源一台、反射点三个、接收机一台。此定位系统应用类似于gps定位，可
用于工厂设备定位。
[0092]
基于接收机定位系统，室内定位方法如下：
[0093]
步骤1、激励源产生的为fmcw信号，设其发射信号为
[0094][0095]
其中，mod(t,t)表示t对t取模，t为扫频周期，μ为扫频速率(hz/s)，fc为载波频率。
[0096]
步骤2、忽略信道多径的影响，发射信号从激励源发射出，被某个信号反射点k(k＝1,2,...)接收到，每个信号反射点都有一个专属的c/a码，经过调制后的信号为
[0097][0098]
其中，dk(t)为扩频码片信号，采用不同的扩频方法时，其取值有不同：当采用ook体制(其原理框图如图2所示)时，dk(t)取值为0或者1的伪随机信号；当采用bpsk体制时，dk(t)取值为-1或者1的伪随机信号。为激励源至反射点的信道增益，它是一个复数。为激励源至反射点的信号传播时延，反射点的输入天线至输出天线之间的时延可考虑到中。wk(t)为噪声。
[0099]
步骤3、接收机收到来自激励源和信号反射点的合成信号，其接收到的信号为
[0100]
其中，为信号反射点至接收机的信道增益，是信号传播时延，w0(t)为接收机噪声，与相乘后相比w0(t)小很多，可以直接忽略。
[0101]
步骤4、通过对接收机接收到的载波信号进行同步下变频处理(假设载波同步已获得并锁定，即)，于是获得的基带信号为
[0102][0103]
wb(t)为下变频后的等效低通噪声。
[0104]
步骤5、接收机本地同步产生一个fmcw信号，对基带信号进行相位跟踪，并且锁相至上，同步检波后的输出为
[0105][0106]
wd(t)为同步检波后的噪声。
[0107]
在区域，即一个扫频周期内，可得到
[0108][0109]
其中，是频率为的正弦项，为信号初相，为ook/bpsk相乘项。
[0110]
步骤6、接收机利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，接收机能够知道该路信号来源于哪一个反射点。假设激励源到某反射点的距离为r1，该反射点到接收机的距离为r2，激励源到接收机的距离为r，如图4所示。对进行频率估计即可得到各信号反射点与接收机间的距离差。根据频偏可以计算出距离差(r1+r2)-r，由于已知r1可以计算出激励源到接收机与反射点到接收机的距离差(r2-r)。再根据多个这样的距离与信号反射点的位置，利用tdoa定位方法进行计算，得到接收机的位置信息，实现目标的定位。
[0111]
如图5所示，激励源定位系统中反射点、接收机位置确定，解算激励源的位置。该定位系统需要至少一个激励源、三个信号反射点和一个接收机。如果算法支持4g/5g/wifi等信号作为激励源，可实现特定手机的定位。
[0112]
如图6所示，基于激励源定位系统，实现室内定位方法具体包括以下步骤：
[0113]
步骤1、激励源产生的为fmcw信号，设其发射信号为
[0114][0115]
其中mod(t,t)表示t对t取模，t为时间，t为扫频周期，μ为扫频速率(hz/s)，fc为载波频率。
[0116]
步骤2、忽略信道多径的影响，该信号从激励源发射出，被某个信号反射点k(k＝1,2,...)接收到，每个信号反射点都有一个专属的c/a码，经过调制后的信号为
[0117][0118]
其中dk(t)为扩频码片信号，采用不同的扩频方法时，其取值有不同。当采用ook体制时，dk(t)取值为0或者1的伪随机信号；当采用bpsk体制时，dk(t)取值为-1或者1的伪随机信号。为激励源至反射点的信道增益，它是一个复数。为激励源至反射点的信号传
播时延，反射点的输入天线至输出天线之间的时延可考虑到中。wk(t)为噪声。
[0119]
步骤3、接收机收到来自激励源和信号反射点的合成信号，其接收到的信号为
[0120][0121]
这里为信号反射点至接收机的信道增益，是信号传播时延，α0，τ0分别为激励源到接收机的信道衰减系数和传播时延，w0(t)为接收机噪声，与相乘后相比w0(t)小很多，可以直接忽略。
[0122]
步骤4、通过对接收机接收到的载波信号进行同步下变频处理(假设载波同步已获得并锁定，即)，于是获得的基带信号为
[0123][0124]
wb(t)为下变频后的等效低通噪声。
[0125]
步骤5、接收机本地同步产生一个fmcw信号，对基带信号进行相位跟踪，并且锁相至上，同步检波后的输出为
[0126][0127]
wd(t)为同步检波后的噪声。在区域，即一个扫频周期内，可得到
[0128][0129]
其中是频率为的正弦项，为信号初相，为ook/bpsk相乘项。
[0130]
步骤6、接收机利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，接收机能够知道该路信号来源于哪一个反射点。假设激励源到某反射点的距离为r1，该反射点到接收机的距离为r2，激励源到接收机的距离为r，如图7所示。
[0131]
对进行频率估计即可得到各信号反射点与接收机间的距离差，根据频偏可以计算出距离差(r1+r2)-r，由于已知r2可以计算出激励源到接收机与激励源到反射点的距离差(r1-r)。再根据多个这样的距离与信号反射点的位置，利用tdoa定位方法进行计算，得到激励源的位置信息，实现目标的定位。
[0132]
如图8所示，信号反射点定位系统中激励源、接收机位置确定，解算信号反射点的位置。通常来说，该系统中激励源和接收机会做在一个设备内，就是一个雷达收发机，该系统至少需要四台收发机，即需要四个激励源、四个接收机、一个信号反射点。该系统的优势在于信号反射节点成本很低，支持大量部署，可替代uwb方案。
[0133]
如图9所示，基于信号反射点定位系统，室内定位方法如下：
[0134]
步骤1、激励源产生的为fmcw信号，设其发射信号为
[0135][0136]
其中mod(t,t)表示t对t取模，t为时间，t为扫频周期，μ为扫频速率(hz/s)，fc为载波频率。
[0137]
步骤2、忽略信道多径的影响，该信号从激励源发射出，被某个信号反射点k(k＝1,2,...)接收到，每个信号反射点都有一个专属的c/a码，经过调制后的信号为
[0138][0139]
其中dk(t)为扩频码片信号，采用不同的扩频方法时，其取值有不同。当采用ook体制时，dk(t)取值为0或者1的伪随机信号；当采用bpsk体制时，dk(t)取值为-1或者1的伪随机信号。为激励源至反射点的信道增益，它是一个复数。为激励源至反射点的信号传播时延，反射点的输入天线至输出天线之间的时延可考虑到中。wk(t)为噪声。
[0140]
步骤3、接收机收到来自激励源和信号反射点的合成信号，其接收到的信号为
[0141][0142]
这里为信号反射点至接收机的信道增益，是信号传播时延，α0，τ0分别为激励源到接收机的信道衰减系数和传播时延，w0(t)为接收机噪声，与相
乘后相比w0(t)小很多，可以直接忽略。
[0143]
步骤4、通过对接收机接收到的载波信号进行同步下变频处理(假设载波同步已获得并锁定，即)，于是获得的基带信号为
[0144][0145]
wb(t)为下变频后的等效低通噪声。
[0146]
步骤5、接收机本地同步产生一个fmcw信号，对基带信号进行相位跟踪，并且锁相至上，同步检波后的输出为
[0147][0148]
wd(t)为同步检波后的噪声。在(t)为同步检波后的噪声。在区域，即一个扫频周期内，可得到
[0149][0150]
其中是频率为的正弦项，为信号初相，为ook/bpsk相乘项。
[0151]
步骤6：接收机利用扩频码的相关接收对该信号进行捕获，得到码相位偏移量和频偏估计，接收机能够知道该路信号来源于哪一个反射点。在该方案中，取一台收发机作为激励源，其余收发机可作为接收机，假设该作为激励源的收发机到某反射点的距离为r1，该反射点到作为接收机的收发机的距离为r2，激励源到接收机的距离为r，如图10所示。
[0152]
对进行频率估计即可得到各信号反射点与接收机间的距离差，根据频偏可以计算出距离差(r1+r2)-r，由于已知r，可以计算出激励源到反射点与反射点到接收机的距离差(r1+r2)。再根据多个这样的距离、确定的信号发射点序号与收发机的位置，利用tdoa定位方法进行计算，得到信号反射点的位置信息，实现目标的定位。
[0153]
综上，本发明通过激励源传输信号，被传输出来的信号将会被信号反射点接收到，信号反射点通过对接收到的信号进行扩频处理，最终由接收机接收到激励源与各信号反射点的信号，通过对接收到的信号进行处理能够得出各个信号反射点之间的距离差，采用tdoa算法进行定位，最终可以得到目标位置。本发明利用信号反射点结构简单、成本较低、易于部署的特点，能够在室内定位方案中实现大量部署。
[0154]
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。