本發(fā)明涉及一種基于capon波束形成定位方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著個(gè)人車輛的增加，現(xiàn)在反向?qū)ぼ囀莻€(gè)大難題，有時(shí)候轉(zhuǎn)了幾圈都找不到停車點(diǎn)，有的商場(chǎng)與小區(qū)都建有地下停車場(chǎng)，這樣增加了不少的停車位，但是有一些朋友都不愿把車停到地下停車場(chǎng)，其原因是不太熟悉地址停車場(chǎng)的停車規(guī)則，停車找車難這已成為生活中遇到的常見問題之一。如何高效反向?qū)ぼ?，通過實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)并輔以有效的定位控制措施，可以有效的解決停車找車難的問題。

現(xiàn)有的超聲波定位整體定位精度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，同時(shí)需要大量的底層硬件設(shè)施投資，成本太高。wifi應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)定位，成本較低。但無(wú)論是用于室內(nèi)還是室外定位，wi-fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90米以內(nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號(hào)的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。zigbee定位方法通過測(cè)算對(duì)象到多個(gè)已知位置的參考節(jié)點(diǎn)的距離，來(lái)確定對(duì)象所在的位置。測(cè)算的方法包括接收信號(hào)強(qiáng)度、鏈路質(zhì)量指示(lqi)等。也可以通過“臨近法”大概地判定終端處在哪一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)附近，這種做法的定位精度較低，在實(shí)際應(yīng)用中并不常見。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于capon波束形成定位方法及裝置，能夠通過部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的beacon點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線通信模塊傳輸至云端，進(jìn)行協(xié)作感知、采集和定位網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)信號(hào)發(fā)射點(diǎn)的信息，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種基于capon波束形成定位方法，包括以下步驟：

s1、在待定位區(qū)域內(nèi)部署k個(gè)beacon點(diǎn)構(gòu)成信號(hào)接收陣列；

s2、由m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備構(gòu)成m個(gè)信號(hào)點(diǎn)，m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備與步驟s1構(gòu)成的信號(hào)接收陣列直接進(jìn)行通信；

s3、利用信號(hào)接收陣列輸出的信號(hào)矩陣計(jì)算協(xié)方差矩陣

s4、求解線性約束最小方差準(zhǔn)則的約束優(yōu)化問題，計(jì)算最佳權(quán)向量；

s5、利用capon波束形成算法構(gòu)造譜函數(shù)，搜索出譜函數(shù)的m個(gè)最大譜峰，從而計(jì)算出波達(dá)方向，定位出m個(gè)信號(hào)點(diǎn)的地理位置，m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備將與其對(duì)應(yīng)的信號(hào)點(diǎn)的地理位置和mac地址傳輸?shù)綗o(wú)線網(wǎng)關(guān)，由無(wú)線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)皆贫吮O(jiān)控中心；

s6、當(dāng)m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)到其他的位置時(shí)，重復(fù)執(zhí)行步驟s2～s4，得到m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備的新的地址位置；

s7、云端監(jiān)控中心找出具有相同mac地址的2個(gè)不同的地理位置，進(jìn)行路線規(guī)劃，并發(fā)送給無(wú)線移動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

進(jìn)一步地，步驟s4中，應(yīng)用拉格朗日乘子法求解最佳權(quán)向量：

其中，為接收信號(hào)相關(guān)矩陣求逆，h表示共軛轉(zhuǎn)置，ar(θ)為接收陣列導(dǎo)向矢量，ar(θ)＝exp[j2πd(i-1)sinθ]，式中，θ為入射角，d為信號(hào)間距，j為根號(hào)-1的虛數(shù)。

進(jìn)一步地，步驟s5中，譜函數(shù)是對(duì)波束形成器的輸出利用最小二乘法即得到capon估計(jì)出的空間譜：

其中，at(θ)為發(fā)射信號(hào)的陣向?qū)Я浚琣r(θ)為接收陣列導(dǎo)向矢量，t為轉(zhuǎn)置，*表示共軛，h表示共軛轉(zhuǎn)置，xs分別為接收和發(fā)射信號(hào)，rss是m個(gè)信號(hào)點(diǎn)樣本斜方差矩陣，

進(jìn)一步地，步驟s5中，兩個(gè)發(fā)射信號(hào)之間存在相關(guān)性時(shí)，將相關(guān)信號(hào)進(jìn)行線性變換，獲得獨(dú)立的充分統(tǒng)計(jì)量為

其中，為充分統(tǒng)計(jì)量矩陣，式中，因此非正交發(fā)射信號(hào)s是正交信號(hào)的線性變換，矩陣u和矩陣λ分別是發(fā)射非正交信號(hào)的樣本協(xié)方差矩陣的特征值所構(gòu)成的對(duì)角矩陣和對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量構(gòu)成的酉矩陣。vec是將經(jīng)過匹配濾波后的噪聲分量按列重排為一個(gè)列向量。為聯(lián)合導(dǎo)向矢量。

進(jìn)一步地，發(fā)射信號(hào)間的相關(guān)性由信號(hào)相關(guān)系數(shù)判斷，信號(hào)相關(guān)系數(shù)為：

由schwartz不等式可知|ρij|＜1，e為求期望，根據(jù)其取值的不同，信號(hào)之間的相關(guān)性定義如下：

其中，si(t)sj(t)分別表示第ij個(gè)發(fā)射信號(hào)，*表示共軛。

進(jìn)一步地，步驟s5中，當(dāng)陣列信號(hào)的方向向量存在偏差時(shí)，重寫具有魯棒capon算法的代價(jià)函數(shù)為：

其中，為假定的方向向量，∈r為任意小的變量，t為轉(zhuǎn)置。

根據(jù)拉格朗日定理得到新的方向矢量為：

其中，γ為方向向量擾動(dòng)，i為單位向量，c為矩陣補(bǔ)集。

一種利用上述任一項(xiàng)所述的基于capon波束形成算法的室內(nèi)定位方法的裝置，包括k個(gè)beacon點(diǎn)構(gòu)成信號(hào)接收陣列、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備、云端監(jiān)控中心；所述k個(gè)beacon點(diǎn)構(gòu)成信號(hào)接收陣列分布在待定位區(qū)域內(nèi)，m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備與信號(hào)接收陣列之間為無(wú)線通信；無(wú)線移動(dòng)設(shè)備通過無(wú)線接口與無(wú)線網(wǎng)關(guān)連接；無(wú)線網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息傳輸?shù)皆贫丝刂浦行?，并接收云端控制中心發(fā)送的信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述無(wú)線移動(dòng)設(shè)備為藍(lán)牙移動(dòng)設(shè)備；所述無(wú)線網(wǎng)關(guān)為藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)關(guān)；所述無(wú)線接口為藍(lán)牙無(wú)線接口。

本發(fā)明的有益效果是：該種基于capon波束形成定位方法及裝置，不需要先驗(yàn)已知或估計(jì)車輛數(shù)目，減少采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；通過增強(qiáng)期望信號(hào)、抑制干擾，達(dá)到提高系統(tǒng)輸出信干噪比的目的；通過改寫具有魯棒capon算法改善方向向量存在偏差實(shí)際環(huán)境，提高定位估計(jì)性能。該方法，具有高分辨率和強(qiáng)抗干擾能力，并且該方法算法簡(jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)。可以應(yīng)用在任意發(fā)射信號(hào)環(huán)境下，并且在信號(hào)方向向量存在偏差的情況下，引入了方位依賴的相位擾動(dòng)，在抑制旁瓣、提高檢測(cè)目標(biāo)數(shù)目具有優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例基于capon波束形成定位方法的流程構(gòu)示意圖。

圖2是實(shí)施例中信號(hào)接收陣列接收信號(hào)的示意圖。

圖3是實(shí)施例中的走道布局示意框圖。

圖4是實(shí)施例中發(fā)射信號(hào)任意相關(guān)時(shí)capon算法空間譜圖。

圖5是實(shí)施例中采用魯棒capon方法估計(jì)波達(dá)方向的極坐標(biāo)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例

實(shí)施例的基于capon波束形成定位方法，通過在待定位區(qū)域部署k個(gè)beacon點(diǎn)構(gòu)成信號(hào)接收陣列，利用m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備構(gòu)成m個(gè)信號(hào)點(diǎn)，m個(gè)信號(hào)點(diǎn)與k個(gè)beacon點(diǎn)之間通信，無(wú)線移動(dòng)設(shè)備結(jié)合capon波束形成得到波達(dá)方向信息，從而定位出信號(hào)點(diǎn)的地理位置，無(wú)線移動(dòng)設(shè)備其mac地址信息和信號(hào)點(diǎn)的地理位置信息經(jīng)過無(wú)線網(wǎng)關(guān)傳送到云端監(jiān)控中心；當(dāng)m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備變更位置后，再次進(jìn)行其物理位置的定位，并上傳其mac地址信息和信號(hào)點(diǎn)的地理位置信息到云端監(jiān)控中心；云端控制中心進(jìn)行路線規(guī)劃，并通過反向的通信鏈路下達(dá)給無(wú)線移動(dòng)設(shè)備，利用無(wú)線移動(dòng)設(shè)備的導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)反向?qū)の?，非常適用于地下車庫(kù)導(dǎo)航系統(tǒng)。

實(shí)施例的基于capon波束形成定位方法，如圖1，具體包括以下步驟：

s1、在待定位區(qū)域內(nèi)部署k個(gè)beacon點(diǎn)構(gòu)成信號(hào)接收陣列，如圖2和圖3。

s2、由m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備構(gòu)成m個(gè)信號(hào)點(diǎn)，m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備與步驟s1構(gòu)成的信號(hào)接收陣列直接進(jìn)行通信。

s3、利用信號(hào)接收陣列輸出的信號(hào)矩陣計(jì)算協(xié)方差矩陣

s4、capon波束形成器是下面采用線性約束最小方差準(zhǔn)則的約束優(yōu)化問題的解，即：

且

其中，是所觀測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，k為觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)目，為陣列權(quán)重矢量，又稱為最小方差無(wú)畸變響應(yīng)(mvdr,minimumvariancedistortionlessresponse)波束形成器權(quán)值，起到在保持目標(biāo)信號(hào)不失真情況下抑制噪聲和干擾的作用。capon波束形成方法對(duì)于某個(gè)觀測(cè)方向，它使輸出信號(hào)的方差最小，同時(shí)使來(lái)自觀測(cè)方向的信號(hào)無(wú)畸變地通過。事實(shí)上，還隱含了其它方向的信號(hào)均被抑制的條件，這樣，來(lái)自空間相距比較近的信源的空間泄漏即可減小，從而使mvdr波束形成器比常規(guī)波束形成器具有高的空間方位分辨能力。最佳權(quán)向量應(yīng)用拉格朗日乘子法，容易求解可得

s5、利用capon波束形成算法構(gòu)造譜函數(shù)，搜索出譜函數(shù)的m個(gè)最大譜峰，從而計(jì)算出波達(dá)方向，定位出m個(gè)信號(hào)點(diǎn)的地理位置，m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備將與其對(duì)應(yīng)的信號(hào)點(diǎn)的地理位置和mac地址傳輸?shù)綗o(wú)線網(wǎng)關(guān)，由無(wú)線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)皆贫吮O(jiān)控中心。

對(duì)波束形成器的輸出利用最小二乘法即得到capon估計(jì)出的空間譜：

在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射信號(hào)可能具有相關(guān)性。在正交發(fā)射信號(hào)時(shí)，其值簡(jiǎn)化為單位對(duì)角陣，事實(shí)上，在實(shí)際環(huán)境中完全正交的發(fā)射信號(hào)幾乎是不可能得到的，兩個(gè)發(fā)射信號(hào)之間可能存在相關(guān)性，同觀測(cè)通道相關(guān)性定義類似，這里引入信號(hào)相關(guān)系數(shù)為

由schwartz不等式可知|ρij|＜1，e為求期望。根據(jù)其取值的不同，信號(hào)之間的相關(guān)性定義如下：

當(dāng)發(fā)射非正交信號(hào)時(shí)，rss矩陣的值不再局限于單位對(duì)角陣，而是

從上式可知，發(fā)射信號(hào)的樣本斜方差矩陣rss主對(duì)角線元素均相同(為1)，與主對(duì)角線平行的斜線上各元素亦相同，即為topletz矩陣。當(dāng)發(fā)射信號(hào)相關(guān)時(shí)，將非正交發(fā)射信號(hào)經(jīng)過線性變換后，則獨(dú)立的充分統(tǒng)計(jì)量為

該方法針對(duì)相干發(fā)射信號(hào)用正交信號(hào)進(jìn)行了線性變換，得到了獨(dú)立的充分統(tǒng)計(jì)量，提高了參數(shù)估計(jì)的有效性。

進(jìn)而，譜函數(shù)的求解需要準(zhǔn)確地知道信號(hào)的方向向量，但在實(shí)際的環(huán)境中，信號(hào)方向向量往往會(huì)存在偏差，波束形成器的性能會(huì)急劇下降。當(dāng)陣列信號(hào)的方向向量存在偏差時(shí)，重寫具有魯棒capon算法的代價(jià)函數(shù)為

根據(jù)拉格朗日定理

對(duì)接收矩陣進(jìn)行特征分解為其中u為特征向量矩陣，λ＝diag(λ1,…λmk)，diag為取矩陣對(duì)角元素，λ1,…λmk為矩陣特征值。

假設(shè)λ1＞λ2＞…λmk。令則構(gòu)建函數(shù)

其中，γi為方向擾動(dòng)量，為假定的方向向量，zm∈z。

顯然，該式是λ的單調(diào)遞減函數(shù)，λ存在唯一解。當(dāng)位置存在擾動(dòng)時(shí)，可以等效為陣列方向向量中引入了方位依賴的相位擾動(dòng)其中，為i方向上擾動(dòng)量，式中，為時(shí)間偏差，c為光速，f0為載波頻率δri為由陣元位置擾動(dòng)，j為根號(hào)-1的虛數(shù)，ai為信源i的方向向量。

則可得λ為

事實(shí)上陣列誤差擾動(dòng)一般是未知的，此時(shí)需要采用牛頓方法在取值范圍內(nèi)求解λ，將計(jì)算得到的λ代入可計(jì)算方向向量的估計(jì)值。求解過程中可以看到當(dāng)存在陣列誤差時(shí)，在求解角度估計(jì)值時(shí)，除了要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行特征分解，還要涉及采用牛頓數(shù)值方法求解λ。

在陣列信號(hào)的方向向量存在偏差時(shí)，將前述最佳權(quán)向量、譜函數(shù)中ar代入新的方向矢量其余參數(shù)不變。

如圖2所示，將藍(lán)牙燈管即黑點(diǎn)位置分布在停車場(chǎng)內(nèi)，采用上述方法獲得的定位仿真如圖3所示，可以看出，獲得的定位精度很高。

s6、當(dāng)m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)到其他的位置時(shí)，重復(fù)執(zhí)行步驟s2～s4，得到m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備的新的地址位置。

s7、云端監(jiān)控中心找出具有相同mac地址的2個(gè)不同的地理位置，進(jìn)行路線規(guī)劃，并發(fā)送給無(wú)線移動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

實(shí)施例的基于capon波束形成定位方法，先計(jì)算信號(hào)接收陣列輸出的信號(hào)的協(xié)方差矩陣，計(jì)算線性約束方程求解權(quán)向量，結(jié)合譜函數(shù)計(jì)算出出波達(dá)方向信息。具體為：通過設(shè)定k個(gè)接收天線構(gòu)成信號(hào)接收陣列和m個(gè)信號(hào)發(fā)射點(diǎn)；利用信號(hào)接收陣列輸出的信號(hào)矩陣計(jì)算協(xié)方差矩陣rxx，通過求解線性約束最小方差準(zhǔn)則的約束優(yōu)化問題，構(gòu)造譜函數(shù)，搜索出m個(gè)最大譜峰，計(jì)算出波達(dá)方向。進(jìn)而通過構(gòu)造魯棒capon算法提高定位性能。

實(shí)施例通過將接收信號(hào)輸出進(jìn)行加權(quán)求和，在一時(shí)間內(nèi)將天線陣列波束“導(dǎo)向”到一個(gè)方向上，對(duì)期望信號(hào)得到最大輸出功率的導(dǎo)向位置即給出方doa估計(jì)。該方法不需要先驗(yàn)已知或估計(jì)車輛數(shù)目，減少采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；通過增強(qiáng)期望信號(hào)、抑制干擾，達(dá)到提高系統(tǒng)輸出信干噪比的目的；通過改寫具有魯棒capon算法改善方向向量存在偏差實(shí)際環(huán)境，提高定位估計(jì)性能。該方法能夠通過部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的beacon點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線通信模塊傳輸至云端，進(jìn)行協(xié)作感知、采集和定位網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)信號(hào)發(fā)射點(diǎn)的信息，使得云端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與地圖等進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)智慧停車。

該種基于capon波束形成定位方法，具有高分辨率和強(qiáng)抗干擾能力，并且該方法算法簡(jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)。可以應(yīng)用在任意發(fā)射信號(hào)環(huán)境下，并且在信號(hào)方向向量存在偏差的情況下，引入了方位依賴的相位擾動(dòng)，在抑制旁瓣、提高檢測(cè)目標(biāo)數(shù)目具有優(yōu)勢(shì)。

一種利用上述任一項(xiàng)基于capon波束形成算法的室內(nèi)定位方法的裝置，包括k個(gè)beacon點(diǎn)構(gòu)成信號(hào)接收陣列、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備、云端監(jiān)控中心；k個(gè)beacon點(diǎn)構(gòu)成信號(hào)接收陣列分布在待定位區(qū)域內(nèi)，m個(gè)無(wú)線移動(dòng)設(shè)備與信號(hào)接收陣列之間為無(wú)線通信；無(wú)線移動(dòng)設(shè)備通過無(wú)線接口與無(wú)線網(wǎng)關(guān)連接；無(wú)線網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息傳輸?shù)皆贫丝刂浦行?，并接收云端控制中心發(fā)送的信號(hào)。無(wú)線移動(dòng)設(shè)備為藍(lán)牙移動(dòng)設(shè)備；無(wú)線網(wǎng)關(guān)為藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)關(guān)；無(wú)線接口為藍(lán)牙無(wú)線接口。

圖4發(fā)射信號(hào)任意相關(guān)時(shí)capon算法空間譜圖。假設(shè)空間存在4個(gè)目標(biāo)源，且目標(biāo)的位置為-40°,-30°,-20°,-10°，信噪比為10db，采樣數(shù)目為256。圖4中實(shí)線表示發(fā)射線性獨(dú)立正交信號(hào)capon空間譜圖，標(biāo)記的點(diǎn)線表示非正交發(fā)射信號(hào)經(jīng)過線性變換后capon空間譜估計(jì)。

從圖4中可以看出，發(fā)射相互獨(dú)立信號(hào)doa估計(jì)性能好于發(fā)射相關(guān)信號(hào)，發(fā)射獨(dú)立信號(hào)可以形成更窄的波峰和更低的旁瓣，因而能提供更高的角度估計(jì)性能，將相關(guān)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過線性變換后doa估計(jì)性能接近發(fā)射彼此獨(dú)立信號(hào)。

圖5是采用魯棒capon方法估計(jì)波達(dá)方向，目標(biāo)在θ1＝45°、θ2＝60°、θ3＝30°和θ4＝135°，快拍數(shù)2000。圖5中，a、b分別表示經(jīng)過魯棒改進(jìn)的capon最小方差法空間譜圖和極坐標(biāo)圖。

從圖5仿真可以看出，mimo采用capon最小方差法估計(jì)比較穩(wěn)定，主峰峰值基本穩(wěn)定沒有什么變化，能夠成功估計(jì)出目標(biāo)所在的方位，這表明mimo雷達(dá)克服了目標(biāo)閃爍對(duì)doa估計(jì)的影響。

總體來(lái)說，對(duì)于非相干信源，capon的估計(jì)結(jié)果與真實(shí)值接近，誤差在可接受的范圍內(nèi)，估計(jì)精度較高，估計(jì)性能較好。并且估計(jì)均方誤差隨著信噪比、快拍數(shù)的增加而降低。capon空間譜算法的缺點(diǎn)是估計(jì)精度比較差，但是由于其它不需要預(yù)先知道信號(hào)的個(gè)數(shù)，在快拍數(shù)較小時(shí)也能較好的估計(jì)出目標(biāo)波達(dá)方向。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。