[发明专利]一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统和方法

权利要求书

1.一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位方法，其特征在于，定位方法包括如下步骤：

(1)智能手机将Chirp调制模块产生的伪超声电信号送入音频输出模块，音频输出模块产生周期性的伪超声Chirp音频信号；

(2)接收器通过WSN同步模块完成时钟同步；各个接收器通过信号采集模块采集伪超声定位信号，并将它们送入信道增益与时延估计模块和特征提取模块，特征提取模块根据信道增益与时延估计模块得到的结果，提取出接收信号的特征向量以及到达时间，再将它们通过网络发送给服务器；

(3)服务器接收到接收器发送的数据并将接收到的特征向量送到SVM-DS分类模块，分类模块筛选出处于LOS环境下的接收器的信号到达时间；位置解算模块根据SVM-DS分类模块的结果选择LOS环境下的接收器数据估计智能手机的位置坐标，再通过网络将位置坐标发送给智能手机；

步骤(1)所述Chirp调制模块利用数模转换器DAC产生伪超声Chirp定位信号，其步骤包括：

(111)智能手机发射的伪超声Chirp信号幅度为A，初始频率为f₀，终止频率为f₁，信号长度为t_s，则伪超声Chirp信号的公式为：

(112)根据奈奎斯特采样定理设置采样频率为F，对s(t)进行采样得到离散的数组Num；

(113)将数组Num中的数据转换为适用于DAC输入的数据；

(114)DAC以采样率F依次采集数组Num中的数据产生伪超声Chirp电信号；

步骤(1)所述音频输出模块用于智能手机发射端产生周期性的伪超声Chirp定位信号，其步骤包括：

(121)以T为周期，其中T＝t_s+t_l+t_g，t_s为伪超声Chirp定位信号，t_l为传输间隔，t_g为保护间隔；

(122)将Chirp调制模块产生的长度为t_s的Chirp电信号送入发声模块；

(123)t_l+t_g后，将Chirp调制模块产生的Chirp电信号送入发声模块；

(124)重复步骤(122)-(123)，直到定位结束；

步骤(2)所述WSN同步模块的时钟同步方法，以第一接收器的时钟为基准时钟，时钟同步方法步骤包括：

(211)第一接收器向接收器i发送同步数据记录时间t_1i，并将t_1i发送给接收器i，i＝2，3，…N；

(212)接收器i接收完同步数据后，记录时间t_2i，i＝2，3，…N；

(213)接收器i接收到t_1i，延迟一段时间向第一接收器发送同步数据并记录时间t_3i

(214)第一接收器接收到同步数据记录时间t_4i，并将t_4i发送给接收器i；

(215)接收器i接收到t_i4，并计算发送同步数据的路径延迟

(216)接收器i计算与第一接收器的时钟偏移值

(217)接收器i根据偏移值更新时钟；

(218)按照步骤(211)-(217)依次实现接收器2，3，…，N的时钟同步；

步骤(2)所述信道增益与时延估计模块，用于估计接收信号的相对路径增益、相对路径延迟和信号的到达时间，其步骤包括：

(231)接收器i读取FIFO缓冲器中的数据x_n，并计算FIFO缓冲器中信号的能量和E_i，

(232)当E_i的值大于阈值且E_i的值在时间δ内变化较小，此时FIFO缓冲器中接收的信号为x_i(t)，记录此时的时间t_i0；

(233)计算x_i(t)与参考信号s(t)的互相关值

(234)对互相关值的振幅进行归一化并提取峰值包络的极值得到

其中接收器i接收到信号的第j个极值的增益为α_ij，时延为为噪声，为脉冲函数；

(235)计算接收器i的第一到达路径

其中为中的最大值；

(236)计算接收器i的信号的到达时间

(237)以第一到达路径作为接收信号的起始时间，计算接收器i的相对路径增益估计值和相对路径延迟估计值

步骤(2)所述特征提取模块，用于提取接收器i接收信号的九个声学特征，其步骤包括：

(241)根据相对路径增益估计值和相对路径延迟估计值提取接收信号平均超量时延τ_med和均方根时延扩展τ_rms；

(242)根据相对路径延迟估计值计算峰度k和偏度s

其中r的为对进行一维插值后的结果，μ_r和σ_r是r的均值和标准差，E[·]是数学期望算子；

(243)根据相对路径增益估计值计算莱斯K因子K_R

其中k_d等于σ为的标准差；

(244)根据相对路径增益估计值在区间的次数f_λ计算相对信道增益频率的平均频率g_m和均方根频率g_rms，λ＝1，2，3，...，n

(245)根据f＝{f_λ}，λ＝1，2，...，n计算频率分布的峰度k_f和偏度s_f

其中μ_f和σ_f为f的均值与标准差；

(246)将接收器i的特征向量x_i＝[τ_med，τ_rms，k，s，K_R，g_m，g_rms，k_f，s_f]与信号的到达时间t_i发送给服务器。