專(zhuān)利名稱(chēng)：基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動(dòng)終端的室內(nèi)定位技術(shù)，特別涉及一種基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的優(yōu)化以及移動(dòng)終端的普及，高速無(wú)線通信以及先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速 發(fā)展的情況下，定位技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的日常生活，其應(yīng)用越來(lái)越普遍。定位即根據(jù)少數(shù)已知位置的結(jié)點(diǎn)地理信息，通過(guò)某種算法分析確定待測(cè)位置，其中全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioning System,簡(jiǎn)稱(chēng)GPS)已普遍應(yīng)用于全球,其發(fā)展速度及普及程度證實(shí)了，定位技術(shù)給人類(lèi)生活帶來(lái)了極大的方便。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲取及帶寬需求不再是定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)的最大難題，諸多學(xué)者研究定位技術(shù)的重點(diǎn)是如何為大家?guī)?lái)更為精準(zhǔn)的解決方案。如何為日常生活帶來(lái)最易操作的方便才是評(píng)判定位技術(shù)被認(rèn)同的最終標(biāo)準(zhǔn)。主要為船舶、汽車(chē)、飛機(jī)及行人等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航的GPS技術(shù)已發(fā)展的相當(dāng)成熟，然而，當(dāng)GPS出現(xiàn)在人們生活中的時(shí)候，卻往往因?yàn)榧夹g(shù)原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)某些區(qū)域的定位，例如，在室內(nèi)環(huán)境下，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，鋼筋水泥等障礙物的存在使得GPS信號(hào)無(wú)法穿透，使得很多算法實(shí)現(xiàn)存在諸多誤差，定位精準(zhǔn)度偏差較大，不能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)定位，導(dǎo)致GPS技術(shù)完全沒(méi)有可用性，可見(jiàn)，GPS技術(shù)的應(yīng)用還存在很大的局限性。室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境下，借助于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，依托于已知未知節(jié)點(diǎn)，對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位的過(guò)程。GPS技術(shù)的發(fā)展不能代表室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展的進(jìn)度，因?yàn)镚PS定位原理不能在室內(nèi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)。室內(nèi)定位依賴(lài)于室內(nèi)可獲取的無(wú)線信號(hào)，通過(guò)眾多已知位置的參考節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)待測(cè)參考點(diǎn)進(jìn)行輔助定位。雖然現(xiàn)有定位技術(shù)的研究如火如荼，然而在國(guó)內(nèi)卻一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。首先是因?yàn)閲?guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法匹配算法要求環(huán)境，其次因?yàn)槭覂?nèi)的復(fù)雜環(huán)境對(duì)定位技術(shù)帶來(lái)諸多干擾，精確度沒(méi)有保證。因此，進(jìn)一步提高室內(nèi)定位精確度和適用性顯得尤為重要，這樣的高精度要求是GPS技術(shù)所無(wú)法達(dá)到的，因?yàn)?，由于室?nèi)環(huán)境里鋼筋水泥的干擾，使得GPS信號(hào)無(wú)法穿透，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位技術(shù)。為了滿(mǎn)足對(duì)室內(nèi)環(huán)境下對(duì)用戶(hù)地理信息的要求，在二十世紀(jì)末，先后研究出適合用于室內(nèi)環(huán)境下定位的系統(tǒng)。室內(nèi)定位的算法種類(lèi)繁多，并不斷被學(xué)者改進(jìn)著。其中定位技術(shù)主要概括為以下三類(lèi)，即基于臨近關(guān)系的定位算法、基于三角關(guān)系的定位算法、基于場(chǎng)景分析的定位算法。根據(jù)信號(hào)獲得方法又分為基于到達(dá)能量測(cè)量定位算法(RSS)、基于到達(dá)角度時(shí)間定位算法(T0A)、基于到達(dá)時(shí)間差定位算法(TD0A)、基于到達(dá)角度測(cè)量定位算法(AOA)等。但這些定位技術(shù)各有優(yōu)缺，可因需求和環(huán)境差異應(yīng)用于不同場(chǎng)景。這些定位算法根據(jù)室內(nèi)環(huán)境條件及誤差要求，被選用于不同場(chǎng)景。依賴(lài)于室內(nèi)無(wú)線環(huán)境和已知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同范圍和不同精度的定位。上述算法原理各異，共同點(diǎn)是依賴(lài)于三個(gè)以上節(jié)點(diǎn)定位，以達(dá)到獲取位置節(jié)點(diǎn)位置信息。三個(gè)節(jié)點(diǎn)以上的定位系統(tǒng)，定位精度不高，誤差疊加大等缺點(diǎn)，而且精度很難控制，并且由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，不可控因素特別多，增加了控制難度，所依賴(lài)的參考點(diǎn)越多，誤差疊加越大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的單點(diǎn)定位，克服了由于節(jié)點(diǎn)比較多、室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境所引起誤差疊加的缺陷。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，一種基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法，包括以下步驟步驟I、設(shè)定一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)以所述參考節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)系，所述二維坐標(biāo)系包括橫軸和縱軸；待測(cè)節(jié)點(diǎn)落在二維坐標(biāo)系的平面內(nèi)，待測(cè)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間連線與橫軸的夾角為定位角度，待測(cè)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間的距離為定位距離；步驟2、在所述參考節(jié)點(diǎn)放置旋轉(zhuǎn)天線，在旋轉(zhuǎn)天線旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，待測(cè)節(jié)點(diǎn) 接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的角度為定位角度；通過(guò)測(cè)量參考節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度的差值計(jì)算衰減信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)衰減信號(hào)強(qiáng)度和參考節(jié)點(diǎn)的發(fā)射頻率計(jì)算出定位距離；步驟3、通過(guò)所述定位角度與定位距離，計(jì)算出待測(cè)節(jié)點(diǎn)在二維坐標(biāo)系上的二維坐標(biāo)，以對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。上述基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法的步驟2中，計(jì)算定位距離的表達(dá)式為L(zhǎng)=IO A [(P發(fā)送-P接收_20Log (f)-36. 6)/20]其中L為定位距離，P-為發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，Psife為接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度，f為發(fā)射頻率。步驟2中,所述旋轉(zhuǎn)天線為定向天線。步驟2在旋轉(zhuǎn)天線旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，所述待測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)天線的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行采樣，并對(duì)采樣得到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行分析得出信號(hào)強(qiáng)度最大時(shí)刻，根據(jù)所述最大時(shí)刻計(jì)算得到待測(cè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)的相位信息，再依據(jù)相位信息獲得定位角度。定位完成后，再把步驟3中計(jì)算出的所述的二維坐標(biāo)進(jìn)行分析，分析其待測(cè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量誤差大小以及對(duì)應(yīng)二維坐標(biāo)的方向偏差，以對(duì)測(cè)得的待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行校正。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明通過(guò)單個(gè)已知位置的參考節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的定位，參考節(jié)點(diǎn)對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行相對(duì)角度和相對(duì)距離的測(cè)量，角度的測(cè)量通過(guò)本發(fā)明提及的旋轉(zhuǎn)天線算法實(shí)現(xiàn)，距離的測(cè)量采用一種距離與能量關(guān)系模型的算法實(shí)現(xiàn)，并對(duì)測(cè)量角度和距離進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的定位；本發(fā)明的算法在二維坐標(biāo)平面展開(kāi)，以幾何坐標(biāo)的形式給出定位結(jié)果，從理論上分析基于無(wú)線局域網(wǎng)定位所涉及的算法，借助于距離與能量關(guān)系的模型的算法和幾何算法實(shí)現(xiàn)定位過(guò)程，整個(gè)位置定位過(guò)程分為測(cè)量階段、定位階段和校正階段這三個(gè)階段，本發(fā)明定位系統(tǒng)的目標(biāo)是對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)了如下功能(I)能夠掃描到局域網(wǎng)中的無(wú)線接入點(diǎn)(Access Point,簡(jiǎn)稱(chēng)AP);(2)能夠讀取AP的RSS值；(3)能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中的RSS值存儲(chǔ)和讀出；(4)能夠判斷移動(dòng)設(shè)備所在的區(qū)域；
( 5 )導(dǎo)出二維直角坐標(biāo)；(6)導(dǎo)入角度幾何算法，找出區(qū)域交點(diǎn)；(7)實(shí)現(xiàn)定位。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果(I)顯著提高了定位的精確度；本發(fā)明結(jié)合室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境，從單點(diǎn)定位出發(fā)，構(gòu)建定位實(shí)現(xiàn)方案。定位過(guò)程分為建模階段、測(cè)量階段和定位階段這三個(gè)階段。第一階段為建模階段，建立一個(gè)包括定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo)系，第二階段為測(cè)量階段，結(jié)合定向天線原理，測(cè)量待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)強(qiáng)度，測(cè)得最大能量以及對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間。第三階段為定位階段，通過(guò)所測(cè)得數(shù)據(jù)，結(jié)合指紋識(shí)別技術(shù)，計(jì)算得出目標(biāo)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)間距離和對(duì)應(yīng)相位差，定位完成后，還對(duì)定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行校正，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差進(jìn)行算法調(diào)整，以 達(dá)到更精確定位，本發(fā)明符合室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)布局，避免了穿越水泥墻時(shí)的信號(hào)衰減，精確度得以顯著提高。(2)避免了多點(diǎn)定位所帶來(lái)的誤差疊加；本發(fā)明結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及可實(shí)現(xiàn)容易程度，提出了一種基于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Local Area Networks,簡(jiǎn)稱(chēng)WLAN)的單點(diǎn)室內(nèi)定位方案，該方案依靠單點(diǎn)定位來(lái)減小由于室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境引起的誤差疊加，本發(fā)明在矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory,簡(jiǎn)稱(chēng)MATLAB)平臺(tái)上對(duì)室內(nèi)定位方案進(jìn)行模擬仿真,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參考點(diǎn)真實(shí)值進(jìn)行比較分析，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明提出基于WLAN的室內(nèi)定位方案具有較高的精確度，特別是在室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境中，這樣定位過(guò)程避免了多點(diǎn)定位所帶來(lái)的誤差疊加。(3)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了二維坐標(biāo)上的單點(diǎn)定位；本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)天線算法，實(shí)現(xiàn)了二維坐標(biāo)上的單點(diǎn)定位。


圖I為單點(diǎn)定位二維上參考節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)關(guān)系的平面示意圖。圖2為本發(fā)明的整體算法模擬流程圖。圖3為定向天線靜態(tài)時(shí)的信號(hào)輻射縱向切面圖。圖4為定向天線靜態(tài)時(shí)的信號(hào)輻射橫向切面圖。圖5為旋轉(zhuǎn)天線在t=t'和t=0時(shí)的旋轉(zhuǎn)天線信號(hào)覆蓋方向示意圖。圖6為模擬平臺(tái)式示意圖，待測(cè)節(jié)點(diǎn)Al在T=O. 25時(shí)采樣到的信號(hào)，其中P=47. 5mff為最大能量點(diǎn)。圖7為模擬平臺(tái)上顯示的旋轉(zhuǎn)天線算法定位結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例本實(shí)施例包括如下步驟步驟I、如圖I所示，設(shè)定一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)以所述參考節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)系，所述二維坐標(biāo)系包括橫軸和縱軸；待測(cè)節(jié)點(diǎn)落在二維坐標(biāo)系的平面內(nèi)，待測(cè)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間連線與橫軸的夾角為定位角度，待測(cè)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間的距離為定位距離；步驟2、在所述參考節(jié)點(diǎn)放置旋轉(zhuǎn)天線，在旋轉(zhuǎn)天線旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的角度為定位角度；通過(guò)測(cè)量參考節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度的差值計(jì)算衰減信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)衰減信號(hào)強(qiáng)度和參考節(jié)點(diǎn)的發(fā)射頻率計(jì)算出定位距離；方法為所述定位角度是通過(guò)待測(cè)節(jié)點(diǎn)感知參考節(jié)點(diǎn)(即旋轉(zhuǎn)天線)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)所記錄的最大能量對(duì)應(yīng)的最大角度得出，旋轉(zhuǎn)天線從設(shè)定的0度開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，同時(shí)待測(cè)節(jié)點(diǎn)從零時(shí)刻起開(kāi)始記錄旋轉(zhuǎn)過(guò)程所對(duì)應(yīng)的角度，旋轉(zhuǎn)天線旋轉(zhuǎn)一周后，待測(cè)節(jié)點(diǎn)顯示接收能量和旋轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)應(yīng)的二維坐標(biāo)平面上的坐標(biāo)軸信息，通過(guò)待測(cè)節(jié)點(diǎn)顯示的能量分布的最大能量值，計(jì)算出需要測(cè)量的定位角度和定位距離，所述定位距離是通過(guò)一種距離與能量關(guān)系模型的算法實(shí)現(xiàn)最大能量測(cè)量，并根據(jù)所述最大能量計(jì)算出定位距離；步驟3、通過(guò)所述定位角度與定位距離，計(jì)算出待測(cè)節(jié)點(diǎn)在二維坐標(biāo)系上的二維坐標(biāo)，以對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。所述步驟2中，計(jì)算定位距離的表達(dá)式為L(zhǎng)=IO A [(P發(fā)送-P接收_20Log (f)-36. 6)/20]其中L為定位距離，Psi*為發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度、Psife為接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度、f為旋轉(zhuǎn)天線的發(fā)射頻率，定位的具體過(guò)程在二維坐標(biāo)平面上開(kāi)展把參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)定為(0，0)，把待測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)定為未知坐標(biāo)(x，y)，待測(cè)節(jié)點(diǎn)的采樣天線旋轉(zhuǎn)一周時(shí)的到達(dá)，能量，以得出最大到達(dá)能量和最大到達(dá)時(shí)間值，將其導(dǎo)入二維坐標(biāo)算法，并通過(guò)測(cè)量待測(cè)節(jié)點(diǎn)與已知節(jié)點(diǎn)間的相位差和距離差，計(jì)算出待測(cè)節(jié)點(diǎn)在二維坐標(biāo)系的二維坐標(biāo)。所述步驟2中，所述定位角度的測(cè)量是通過(guò)相位信息測(cè)量完成的，所述定位距離的測(cè)量方法采用無(wú)線電波能量衰減法，通過(guò)測(cè)得參考節(jié)點(diǎn)端發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和待測(cè)節(jié)點(diǎn)端接收信號(hào)強(qiáng)度的差值計(jì)算衰減信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)衰減信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出定位距離。所述步驟2中，所述旋轉(zhuǎn)天線按一定角速度旋轉(zhuǎn)，在一個(gè)周期內(nèi)做360度的無(wú)線環(huán)境掃描，以發(fā)現(xiàn)待測(cè)節(jié)點(diǎn)，所述旋轉(zhuǎn)天線有固定的周期和固定的旋轉(zhuǎn)角速度，在一個(gè)周內(nèi)，所述待測(cè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)天線旋轉(zhuǎn)一周接收到的信號(hào)強(qiáng)度，得出待測(cè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)的方向。所述步驟2中，如圖3所示，所述旋轉(zhuǎn)天線為定向天線，所述定向天線的掃描范圍限于一定小的角度內(nèi)，如圖4所示，在其輻射的范圍內(nèi)有較強(qiáng)的輻射信號(hào)，在其輻射的范圍以外無(wú)輻射信號(hào)。所述步驟2中，如圖2所示的模擬流程圖，其中所述待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收端對(duì)參考節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)天線按一定的頻率進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度采集，采樣周期為天線旋轉(zhuǎn)一周所使用的時(shí)間，同時(shí)待測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)采樣得到的信號(hào)強(qiáng)度做智能分析，得出信號(hào)最大時(shí)刻，并同時(shí)記錄該時(shí)刻采樣得到的最大信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)所述最大時(shí)刻計(jì)算得到待測(cè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)的相位信息，再依據(jù)相位信息獲得定位角度。所述步驟2包括以下步驟(I)計(jì)算參考節(jié)點(diǎn)端天線發(fā)射功率和待測(cè)節(jié)點(diǎn)端天線接收到最大信號(hào)強(qiáng)度的功率 之間的能量差；(2)根據(jù)能量損耗公式和所述最大信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出待測(cè)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的定位距離；
(3)通過(guò)待測(cè)節(jié)點(diǎn)感知旋轉(zhuǎn)天線旋轉(zhuǎn)一周時(shí)所記錄的最大能量對(duì)應(yīng)的最大角度計(jì)算出定位角度。所述步驟2中，旋轉(zhuǎn)天線以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)，待測(cè)節(jié)點(diǎn)固定不動(dòng)，當(dāng)tl位置與待測(cè)節(jié)點(diǎn)距離最近時(shí)，接收到的能量為最大值；天線以角速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，通過(guò)最大能量對(duì)應(yīng)的時(shí)間和旋轉(zhuǎn)角速度，可以得到需要測(cè)量的到達(dá)角度，作為定位角度，記作 9，其中 0 =v* A to A t = tx mod (360° +v),貝丨J 0 x=v* [tx mod (360。丨+丫^其中仁為最大能量(即最大信號(hào)強(qiáng)度)時(shí)的時(shí)刻值，它的確定根據(jù)最大能量的測(cè)定，通過(guò)最大到達(dá)時(shí)間和旋轉(zhuǎn)角速度即可確定定位所需的相位信息。本發(fā)明中的天線旋轉(zhuǎn)和接收端測(cè)量保持嚴(yán)格同步，但對(duì)時(shí)間的要求并不是很高，普通時(shí)間同步操作即可滿(mǎn)足。所述步驟2中，所述定位距離是通過(guò)距離與能量關(guān)系的模型的算法實(shí)現(xiàn)最大能量來(lái)測(cè)量，并根據(jù)測(cè)得的能量計(jì)算得出，本發(fā)明采用無(wú)線電波能量衰減法作為測(cè)量依據(jù)，無(wú)線電波能量衰減法即測(cè)得發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和接收信號(hào)強(qiáng)度，相減得到衰減信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)此算 得參考節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)間的定位距離p=20Log (L) +20Log (f) +36. 6其中L是參考節(jié)點(diǎn)和待測(cè)節(jié)點(diǎn)間的定位距離，p是從發(fā)送端到接收端的能量損耗值，f是兆赫茲即發(fā)射波的頻率。在已知P和f 的情況下，可以算出L的值，其中p的測(cè)量如下公式描述P接受=P發(fā)送_p=P發(fā)送_20Log (L) +20Log (f) +36. 6其中接收信號(hào)能量等于發(fā)送信號(hào)能量減去傳播過(guò)程信號(hào)損耗能量，發(fā)送功率設(shè)為一固定已知值，接收的信號(hào)能量是采樣一周得到的最大信號(hào)能量，那么可以得出P的值，進(jìn)一步求出L值L=IO A [(P發(fā)送-P接收_20Log (f)-36. 6)/20]考慮現(xiàn)實(shí)環(huán)境中墻壁等障礙物的存在對(duì)信號(hào)的干擾，采用如下所述的墻壁衰減系數(shù)模型，建立信號(hào)衰減和距離關(guān)系，具體模型如下所示
d {mWxWAF.nW <C/V)[沿加]= /K)[觀》]-io,Vloghi(Y)-
d0 [CxWAFjjW ^ C其中，n為信號(hào)的路徑衰減指數(shù)，為參考距離處發(fā)送的信號(hào)到達(dá)基站時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度；d為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與基站間的距離，為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和基站之間的墻壁個(gè)數(shù)；C為使得衰減因子發(fā)生改變的最大障礙物(墻壁)數(shù)目；WAF我墻壁衰減系數(shù)因子。一般情況下，n和WAF依賴(lài)與建筑的結(jié)構(gòu)和使用的材料，可以使用經(jīng)驗(yàn)值?；靖鶕?jù)實(shí)際測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度，使用上式實(shí)時(shí)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與基站的距離。所述步驟3的具體定位過(guò)程如下定位階段即在測(cè)得到達(dá)距離和到達(dá)角度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步導(dǎo)入算法，確定待測(cè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)置定位旋轉(zhuǎn)天線坐標(biāo)為(0，0)，待測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X，y)，定位算法在二維平面下展開(kāi)如下首先，導(dǎo)入二維幾何算法坐標(biāo)，找出移動(dòng)目標(biāo)。(I)每個(gè)點(diǎn)定義向量R= [Rl, R2, ...，Rn]，Ri= (MAOA, MRSS, APi)(2)從基準(zhǔn)角旋轉(zhuǎn)到能量最大角時(shí)間A T=T max-TO
也可以記作Ri = (A Ti, MRSS, APi)其中MRSS為旋轉(zhuǎn)天線旋轉(zhuǎn)一周時(shí)的最大能量，MAOA為到達(dá)最大能量時(shí)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，稱(chēng)作最大到達(dá)角度。APi即為室內(nèi)的節(jié)點(diǎn)AP標(biāo)號(hào)，R為所有節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)信息的矩陣集合，TO為天線旋轉(zhuǎn)的起始時(shí)刻，Tmax為到達(dá)最大能量時(shí)旋轉(zhuǎn)的時(shí)間，AT為所用時(shí)間。參考節(jié)點(diǎn)記作(Xl，Y1)，通過(guò)測(cè)量，得知定位距離L和定位角度e的值，根據(jù)幾何坐標(biāo)公式，可推算得出待測(cè)節(jié)點(diǎn)X2=L^cos 0(x2, y2)y2=L*sin 0已知L=IO 八[(P 發(fā)送-P 接收 _20Log (f) -36. 6)/20], 0x=v*[tx mod (360° +v)],得出X2=IO A [ (P 發(fā)送-P 接收-20Log (f)—36. 6)/20] *cos[v*(tx mod (360° +v))] y2=10 A [ (P 發(fā)送-P 接收-20Log (f)—36. 6)/20] *sin[v*(tx mod (360° +v))]其中為發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度、Psife為接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度、f為發(fā)射頻率、V為選擇角速度、tx為檢測(cè)到最大角度時(shí)的時(shí)間值。坐標(biāo)顯示值為定位結(jié)果導(dǎo)出值，在測(cè)量階段通過(guò)接收端采樣得出天線旋轉(zhuǎn)一周時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的到達(dá)能量，通過(guò)采樣一周得出最大到達(dá)能量和最大到達(dá)時(shí)間值，并將其導(dǎo)入定位階段，即導(dǎo)入二維坐標(biāo)算法，在定位階段通過(guò)測(cè)量待測(cè)節(jié)點(diǎn)與已知節(jié)點(diǎn)間的相位差和距離差，最終得出待測(cè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，完成定位。為了保證本發(fā)明定位的精確度，還對(duì)測(cè)得的定位結(jié)果進(jìn)行誤差校正。定位完成后，再把步驟3中測(cè)得的坐標(biāo)信息，與實(shí)際的坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行比較，分析對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量誤差大小以及對(duì)應(yīng)二維坐標(biāo)的方向偏差，以對(duì)測(cè)得的待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行校正，誤差的可能結(jié)果有如下三種(I)相位偏差需調(diào)整旋轉(zhuǎn)零時(shí)及采樣開(kāi)始的時(shí)間。解決辦法將最大到達(dá)角度對(duì)應(yīng)時(shí)刻作為未知參數(shù)，待測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)值作為結(jié)果，代入定位公式，求得的t值與最大到達(dá)時(shí)間比較，取時(shí)間差，順延調(diào)整采樣開(kāi)始時(shí)間。(2)距離偏差因?yàn)槭覂?nèi)復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致的信號(hào)衰弱引起，解決辦法可以借助衰減系數(shù)模型，將此模型代入最終結(jié)果，求得WAF衰減因子系數(shù)?？杀苊庥行盘?hào)衰弱帶來(lái)的衰減，也就是減小了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)間的距離誤差。(3)距離、相位、同時(shí)偏差分兩種可能，一種是因?yàn)椴蓸幼畲竽芰砍鲥e(cuò)，導(dǎo)致最大時(shí)間和最大能量同時(shí)出錯(cuò)，則需要檢查定位系統(tǒng)。另一種是上述兩種誤差的結(jié)合，這樣的話需對(duì)模型分別進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)采集，再同時(shí)代入公式組成方程組，分別測(cè)得采樣時(shí)間和衰減因子值。定位誤差校正需要重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，反復(fù)進(jìn)行校正，直到試驗(yàn)結(jié)果精確度不再變化時(shí)，才停止完成定位誤差校正。建立步驟I中所述二維坐標(biāo)系的方法如下首先在MATLAB平臺(tái)上模擬一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對(duì)仿真環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，為后面的算法設(shè)計(jì)做好鋪墊，以便更好地完成算法性能。圖2為這個(gè)算法的模擬流程，對(duì)天線和無(wú)線局域網(wǎng)的系數(shù)的設(shè)置如表I所示。
權(quán)利要求
1.一種基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I、設(shè)定一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)以所述參考節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)系，所述二維坐標(biāo)系包括橫軸和縱軸；待測(cè)節(jié)點(diǎn)落在二維坐標(biāo)系的平面內(nèi)，待測(cè)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間連線與橫軸的夾角為定位角度，待測(cè)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間的距離為定位距離； 步驟2、在所述參考節(jié)點(diǎn)放置旋轉(zhuǎn)天線，在旋轉(zhuǎn)天線旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的角度為定位角度；通過(guò)測(cè)量參考節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度的差值計(jì)算衰減信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)衰減信號(hào)強(qiáng)度和參考節(jié)點(diǎn)的發(fā)射頻率計(jì)算出定位距離； 步驟3、通過(guò)所述定位角度與定位距離，計(jì)算出待測(cè)節(jié)點(diǎn)在二維坐標(biāo)系上的二維坐標(biāo)，以對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法，其特征在于步驟2中，計(jì)算定位距離的表達(dá)式為L(zhǎng)=IO A [(P發(fā)送-P接收_20Log (f)-36. 6)/20] 其中L為定位距離，Psi*為發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，Psife為接收到的最大信號(hào)強(qiáng)度，f 為發(fā)射頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法，其特征在于步驟2中，所述旋轉(zhuǎn)天線為定向天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法，其特征在于步驟2在旋轉(zhuǎn)天線旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，所述待測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)天線的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行采樣，并對(duì)采樣得到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行分析得出信號(hào)強(qiáng)度最大時(shí)刻，根據(jù)所述最大時(shí)刻計(jì)算得到待測(cè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)的相位信息，再依據(jù)相位信息獲得定位角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法，其特征在于，把步驟3中計(jì)算出的所述的二維坐標(biāo)進(jìn)行分析，分析其待測(cè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量誤差大小以及對(duì)應(yīng)二維坐標(biāo)的方向偏差，以對(duì)測(cè)得的待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行校正。
全文摘要
一種基于旋轉(zhuǎn)天線的室內(nèi)定位方法，涉及移動(dòng)終端室內(nèi)定位技術(shù)，包括如下步驟步驟1、設(shè)定一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，設(shè)定待測(cè)節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)以所述參考節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)系，所述二維坐標(biāo)系包括橫軸和縱軸，所述二維坐標(biāo)系必須使待測(cè)節(jié)點(diǎn)落在其平面內(nèi)，參考節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)間連線與橫軸的夾角為定位角度，參考節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)間的距離為定位距離；步驟2、測(cè)量所述的定位角度和定位距離；步驟3、通過(guò)距離與能量關(guān)系模型的算法以及定位角度，計(jì)算出待測(cè)節(jié)點(diǎn)在二維坐標(biāo)平面上的二維坐標(biāo)，以對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。本發(fā)明具有避免了誤差疊加，實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)定位和精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04B17/00GK102749613SQ201210206018
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者周繼鵬, 張懿瑤, 陳濤 申請(qǐng)人:暨南大學(xué)