[发明专利]一种基于路径衰减系数建库的室内定位方法

摘要

本发明公开了一种基于路径衰减系数建库的室内定位方法，该方法分为训练阶段和定位阶段两个部分，训练阶段主要是利用已知的接收信号强度和距离信息，求得各参考节点在环境中对应的衰减系数，以及环境中信号传播的平均衰减系数，定位阶段主要是利用训练阶段求得的参考节点在环境中对应的衰减系数，求得此盲节点和对应参考节点的距离及盲点与盲节点间的距离，进而求得各盲节点的相对坐标位置。本发明这种定位方法定位精度高，实施简单，系统功耗低，成本低。

主权项

一种基于路径衰减系数建库的室内定位方法，其特征在于：包括训练阶段和定位阶段，所述训练阶段具体为：一个坐标未知的盲节点在所需定位的环境中沿随机路径移动，参考节点发出信号，盲节点接受信号并记录信号来自的发射节点，通过对信道衰减模型的变形，利用各节点的接收信号强度和各节点间已知的距离，推导出当前环境的信道衰减系数，通过公式变形，能够同时求得各参考节点在环境中对应的衰减系数，以及环境中信号传播的平均衰减系数；步骤1：通过实测信号强度数据求得各信号参考节点在应用环境中的路径衰减系数参考节点与盲节点均采用宽带直接序列扩频收发器，由电池供能，发射窄带功率信号，接收机的信号天线保持在1.5米的高度，并在屋内沿随机路径对各个信号发射机发送的窄带功率信号进行测量，同时记录随机路径上各个测量点与信号发射机间的距离,定义随机路径上第i个测量点接收到的第j个信号发射机的信号强度测量值为pR(i,j)[dB]，定义随机路径上第i个测量点与第j个信号发射机对应的路径损耗测量值为信号发射功率PT(i,j)[dB]与信号强度测量值之差，并表示为PLmea(i,j)[dB]=10log10(PT(i,j)PR(i,j))=PT(i,j)[dB]-PR(i,j)[dB]]]>定义室内环境下的信道传播模型为其中PLmol(d)[dB]是在信号接收机与发射机距离为已知量d时的路径损耗预测值，PL(d0)[dB]是在参考距离d0处的路径损耗测量值，室内短距离传输情况下通常取d0＝1m，此时还可以通过自由路径损耗模型计算PL(d0)[dB]，n为信道衰减系数，其描述了信号强度的路径衰减速度与距离的关系，所有的路径损耗值都是以1米的自由路径损耗值(Free Space Path Loss,FSPL)作为参考的，其分贝表达式为其中c代表光速，d是参考距离1米，f是发射信号频率，定义路径衰减系数矢量为n＝[n1 n2 … nm]nj(j＝1,2,…,m)对应了各个信号发射机在室内环境中的路径衰减系数，由此，在第i个测量点的线性观测方程可以表示为其中Ni(Ni≤m)表示了在第i个测量点的信号接收强度有效测量个数，w是服从零均值高斯分布的信道噪声，线性观测方程可以进一步写为并简化写为xi＝Hin+wi,i＝1,2,…,L在构造了第i个测量点的线性观测方程后，把全部L次观测矢量xi(i＝1,2,...,L)合成如下一个维数为的矢量并相应的定义N×m观测矩阵H和N维观测噪声矢量w如下由此，随机路径上的总观测方程可以写为x＝Hn+w为使估计量的均方误差达到最小，根据线性最小二乘估计量的构造规则，构造估计量是性能指标达到最小，解得为步骤2：通过实测信号强度数据求得应用环境中的平均路径衰减系数在第i个测量点的线性观测方程可以表示为其中Ni(Ni≤m)表示了在第i个测量点的信号接收强度有效测量个数，w是服从均值为零方差为σ2的高斯分布的信道噪声，线性观测方程可以进一步写为并简化写为xi＝nHi+wi,i＝1,2,...,L在构造了第i个测量点的线性观测方程后，把全部L次观测矢量xi(i＝1,2,...,L)合成如下一个维数为的矢量并相应的定义N×1观测矢量H和N维观测噪声矢量w如下由此，随机路径上的总观测方程可以写为x＝nH+w为使估计量的均方误差达到最小，根据线性最小二乘估计量的构造规则，构造估计量是性能指标达到最小，解得为所述定位阶段具体为：参考节点的数量和位置无需改变，信号发射和接收方式与训练阶段相同，在环境中同时加入一个或多个待定位的盲节点，包括盲节点和参考节点在内的所有节点同时发送信号，各个盲节点接受来自于其余节点的信号强度，并记录信号来自的发射节点，当信号来自于参考节点时，利用训练阶段求得的参考节点在环境中对应的衰减系数，结合最大似然距离估计公式，求得此盲节点和对应参考节点的距离，当信号来自于另一个盲节点时，则利用训练阶段求得的信号传播的平均衰减系数，结合最大似然距离估计公式，求得对应盲节点间的距离，在环境中各节点间的距离均已准确估计后，利用最大似然坐标估计公式求得各盲节点的相对坐标位置；步骤3：各节点实施点对点信号强度测量，并计算相互距离的具体方法为：开始定位，环境中所用的节点相互测量其有效传输距离内的接收信号强度值，应用环境中i节点接收j节点所发射的信号，其测量所得的信号强度为Pi,j，其距离的最大似然估计值为其中d0是参考距离，p0是参考距离下测得的接收信号强度，而n是路径衰减系数，当所接受信号来自于参考节点时，应用此参考节点对应的路径衰减系数，若来自于盲节点，则应用平均路径衰减系数，若某两个节点间的信号传输处于无效状态，则将其相互间的距离设为默认值，一般取应用环境长和宽的平均距离；步骤4：最后计算盲节点位置具体为：在各个节点测量并记录下其他节点发送的接收信号强度值后，采用最大似然估计方法，估计各个盲节点的位置，公式如下其中，zi＝(xi,yi)，xi为所述盲节点的x轴坐标值，yi为所述盲节点的y轴坐标值，θ＝[z1 z2 … zn]代表了n个盲节点坐标，是其最大似然估计值，通过最速梯度下降法可以求得。