一種基于調頻連續波的超寬帶室內定位方法與流程
本發明涉及室內定位技術領域，尤其是一種基于調頻連續波的超寬帶室內定位系統及定位方法。
背景技術：
近年來，隨著無線通信領域的發展，情境感知服務正在逐步成為現實，而服務對象的位置信息是最重要的環境參數之一。傳統的全球定位系統(Globle Positioning System，GPS)以及蜂窩網絡定位技術，能夠為室外用戶提供較為精準的定位及導航服務。但是在室內環境中，由于家具、人員以及墻壁等障礙物的影響，使無線信號發生能量衰減、傳播速度以及方向變化，導致傳統的室外無線定位技術在室內環境中會產生比較大的誤差。由此，室內無線定位技術成為近年的研究熱點。基于wifi、可見光、藍牙等多種技術的室內定位系統相繼研制成功，在商業、公共服務以及軍事領域得到了廣泛的應用。
超寬帶(UWB)作為一種新穎的短距離無線通信技術，它采用極窄脈沖傳送信息，相應地，其占有很寬的帶寬。UWB具有高速率、低成本、低功耗、精確定位等優點，可作為精準室內定位的物理層技術，有著廣闊的應用前景。
常見的定位算法根據定位過程中所需信息的不同可分為兩大類：基于測距(range-based)、測距無關(range-free)。其中測距無關的算法無需確定距離和角度信息，僅根據網絡對通性等信息加以實現。主要算法有：質心算法、APIT(approximate point-in-triangulation teat)近似三角形內點測試法、DV-Hop等。基于測距的定位算法需要測量點到點的距離或角度信息，然后使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法計算節點位置。主要算法有：TOA(time of arrival)、TDOA(Time Difference Of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)、RSSI(Received Signal Strength Indication)。
目前，關于超寬帶室內定位技術的研究正在學術界展開，是近期的研究熱點，但定位精度還有很大的提高空間。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有更高定位精度的超寬帶室內定位方法。
為實現上述技術效果，本發明所采用的技術方案為：
一種基于調頻連續波的超寬帶室內定位方法，該方法包括以下步驟：
(1)構建基于調頻連續波的超寬帶室內定位系統，該系統包括：服務器、N個標簽信號接收基站、一個觸發信號生成基站和至少一個標簽；每個標簽信號接收基站配備M對天線，每對天線的接收端相距L米；
(2)將每個刷新周期均勻劃分為T個時隙，各標簽分別占用一個時隙，任意兩標簽所占用的時隙不同；
(3)觸發信號生成基站在每個刷新周期到來時向所有的標簽和標簽信號接收基站發送觸發信號；
(4)標簽作為待定位的實體，在接收到觸發信號后，在本地開始計時，并在自己的時隙到來時向通信范圍內的基站發送調頻連續波信號；
(5)標簽信號接收基站在接收到觸發信號后，在本地開始計時，以確定自己在各時隙收到的調頻連續波信號所對應的標簽；
(6)對于任意一個標簽j和標簽信號接收基站i，標簽信號接收基站i在接收到標簽j發送的調頻連續波信號后，對每對天線接收到的調頻連續波信號依次進行混頻、低通濾波、數字采樣和DFT變換處理，計算每對天線上來自標簽j的調頻連續波信號的到達時間差信息；并將計算出的共計M個到達時間差信息上傳給服務器；
(7)服務器根據各標簽信號接收基站發送的到達時間差信息以及N個標簽信號接收基站的各天線的位置，構建以計算標簽位置為目標問題的問題模型，通過求解問題模型，得到標簽位置。
具體的，所述調頻連續波信號為：
式中，f0為調頻連續波信號的初始頻率，調頻連續波信號的頻率為f(t)＝f0+kt；k為調頻連續波信號頻率變化的斜率，T為調頻連續波信號的持續時間；為調頻連續波信號初始相位，調頻連續波信號的相位為
進一步的，所述步驟(6)中標簽信號接收基站i根據標簽j所發送的調頻連續波信號計算自身每對天線對應的到達時間差信息的方法為：
(3-1)定義標簽信號接收基站i第m對天線中的兩根天線分別為im1和im2，i∈[1，2，…，N]，m∈[1，2，…，M]；標簽j與im1和im2的接收端之間的距離分別為d1、d2；計算im1和im2接收到的來自標簽j的調頻連續波信號分別為：
式中，t1、t2分別為標簽j發出的調頻連續波信號到達im1、im2接收端的時間，c為光速；
(3-2)標簽信號接收基站i對s1(t)和s2(t)進行混頻，得到：
式中，Δt＝t1-t2；
(3-3)對步驟(2-2)得到的混頻結果進行低通濾波，得到濾波后的信號：
(3-4)以采樣頻率fN對s′(t)進行采樣，記采樣后的離散時間信號為s(n)；
(3-5)對s(n)進行DFT處理，得到：
式中，NDFT是進行DFT的點數；
(3-6)計算s′(t)的頻率為：求出f′后，將f′代入得到標簽j發出的調頻連續波信號到達im1、im2的到達時間差信息。
進一步的，所述步驟(7)中的問題模型的構建方法為：
構建代價函數：
式中，(a，b)表示待求的標簽j的位置坐標；為標簽信號接收基站i第m對天線中的一根天線im1的位置坐標；為標簽信號接收基站i第m對天線中的另一根天線im2的位置坐標；Δdim為標簽j發出的調頻連續波信號達到天線im1和im2的距離差；
將代價函數轉換為問題模型：
式中，(a′，b′)即為求解問題模型得到的標簽j的位置坐標。
進一步的，所述步驟(7)中求解問題模型的方法為經典的Levenberg-Marquardt算法。
進一步的，在執行步驟(3-2)所述的混頻操作前，為信號s2(t)增加一段長度為L米的傳輸距離，即將s2(t)轉換為：
此時，信號s1(t)、s2(t)之間的時延差為根據Δt計算得到Δd＝L-(d1-d2)。
有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優勢：
1、通過使用調頻連續波，將TDOA信息承載在了信號的頻率信息里，易于提取，簡化了系統復雜度。
2、根據提出的方法，TDOA信息承載在信號的頻率信息里，具有顯著的抗噪聲性能，進而提高了定位精度。
3、系統不要求標簽與基站的精準同步，這大大簡化了裝置的復雜度。
4、在基站端降低了復雜度，并且在一般情況下，能夠將定位誤差控制在5厘米以內。
附圖說明
圖1是標簽端實現框圖；
圖2是標簽信號接收基站端實現框圖；
圖3是標簽信號接收基站端獲取的TDOA信息示意圖；
圖4是定位系統性能仿真圖；
圖5是系統定位誤差直方圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖1至2所示為標簽端和標簽信號接收基站端實現框圖；
本方案由三個模塊組成：標簽端是待定位的實體，向外發送調頻連續波；系統配備若干個基站，每個基站配備雙天線，根據兩根天線上接收到的調頻連續波，基站獲得到達時間差(TDOA)信息，并且每個基站都將TDOA信息發送給服務器；服務器綜合全部基站發來的TDOA信息，通過求解非線性最小二乘優化，得到待定位標簽的位置信息。
1.標簽端設計方案
標簽分布在系統任意位置，是待定位的實體。調頻連續波(Chirp信號)的頻率為f(t)＝f0+kt，其中k為chirp信號頻率變化的斜率，T為chirp信號持續時間。相位是頻率的積分，則Chirp信號的相位于是chirp信號表達式為
實際系統中，需要用到單片機來產生對稱性為100％的三角波，并輸入到VCO(壓控振蕩器)中產生chirp信號。
2.基站端設計方案與測距算法
系統中分布著若干基站，包括N個標簽信號接收基站和一個觸發信號生成基站。每個標簽信號接收基站配備M對成對天線，每對天線中兩根天線相隔L米。標簽信號接收基站接收到的chirp信號，依次經過混頻器、低通濾波、數字采樣、FFT模塊，并最終將提取到的TDOA信息送向服務器端。
具體來說，定義標簽信號接收基站i第m對天線中的兩根天線分別為im1和im2，i∈[1，2，…，N]，m∈[1，2，…，M]；標簽j與im1和im2的接收端之間的距離分別為d1、d2；計算im1和im2接收到的來自標簽j的調頻連續波信號分別為：
式中，t1、t2分別為標簽j發出的調頻連續波信號到達im1、im2接收端的時間，c為光速。
基站對兩路chirp信號s1(t)和s2(t)進行混頻，結果為：
其中Δt＝t1-t2。
將混頻后的信號通過一個低通濾波器，留下信號
接下來在基站端對s′(t)進行頻率分析，具體來說，首先對s′(t)進行采樣，計采樣頻率為fN。記采樣后的離散時間信號為s(n)，對s(n)進行DFT(離散傅里葉變換)：
其中NDFT是進行DFT的點數。
則連續時間信號s′(t)的頻率為f′為：
求出f′之后，代入公式，便能夠得到標簽到兩根天線的TDOA信息。
需要特別說明的是，上述算法獲得的Δt或者說Δd是恒正的，即無法區分哪根天線上的chirp信號先到達。所以本發明也給出了一種改進的方法，即給雙天線中的某根天線(本實施例中稱為基準天線)增加一段時間的延時，具體實現是在基準天線的信號通入混頻器前，先通過一段長為L米的導線(基站端的兩根天線相隔L米，根據三角形兩邊之差小于第三邊的原理，L米即為該系統的最大距離差)。經過這種改進之后，Δd＝L-(d1-d2)便是有正負之分的了，這位后續的定位算法提供了更多的信息。
3.服務器端設計方案與定位算法
在服務器端，由TDOA信息獲得標簽位置坐標相當于是求解一個優化問題。設系統共有N個基站，為標簽信號接收基站i第m對天線中的一根天線im1的位置坐標；為標簽信號接收基站i第m對天線中的另一根天線im2的位置坐標；Δdim為標簽j發出的調頻連續波信號達到天線im1和im2的距離差；則對該標簽，記代價函數為：
所以最終的定位結果，即該標簽的二維坐標：
求解這個非線性最小二乘優化問題，可以使用經典的Levenberg-Marquardt算法。該算法利用梯度求最大(小)值，屬于“爬山”法的一種。它同時具有梯度法和牛頓法的優點。當阻尼因子λ很小時，步長等于牛頓法步長，當λ很大時，步長約等于梯度下降法的步長。
4.系統的支持多標簽方案
本發明的定位系統能夠支持多標簽。方案是將一個刷新周期劃分為多個時隙，每個標簽固定地占用某個時隙。系統中有一個特殊的基站，專門在每個刷新周期到來時向所有的標簽和基站發送觸發信號。標簽在收到觸發信號后，在本地開始計時，以便在自己的時隙到來時發送chirp信號；基站同樣在收到觸發信號后，在本地開始計時，以便確定某個時隙所對應的標簽。從而系統實現了對多標簽的支持。
舉例來說，設整個系統要求0.1s的刷新速率，則將0.1s劃分成多個長為250us的時隙，每個標簽固定地占用某一個時隙。整個系統可支持最多400個標簽。在一個250us的時隙里，兩端各25us的保護間隔，中間的200us是chirp信號的長度。與此同時，系統里單獨有一個基站，稱為觸發信號生成基站，觸發信號生成基站每隔0.1s發送一個觸發信號，標志新的一次位置更新開始了。所有的標簽和基站都會接收到這個觸發信號，并各自在本地計時。從而系統實現了對多標簽的支持。假設整個系統是在30m*30m的區域里，假設觸發信號傳播了30m被接收，也就會產生10ns的延遲，這相較于25us是幾乎可以忽略的。
下面通過一個具體實施例進一步說明本發明的技術方案內容。
設系統覆蓋區域為15米*15米，系統配備6個基站，每個基站配備雙天線，兩根天線間隔2米，兩根天線中的基準天線有2米的額外延時。系統位置刷新速率為0.1秒一次，系統支持400個標簽，每個標簽占用的時隙共為250us，且前后各拿出25us作為保護間隔，即每個標簽每次發送的chirp信號持續200us。Chirp信號上邊頻為1.06GHz，下變頻為895MHz，即chirp信號斜率設無線信道為AWGN信道，信噪比為1dB。并基站端采樣頻率為2MHz，FFT點數為2048點。仿真結果如圖3、4、5所示。
從仿真結果可以看出，絕大多數的標簽定位誤差在6厘米之內，平均定位誤差為4.64厘米。相較于傳統的室內定位技術，這在定位精度上是一個巨大的提高。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
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