一种消除环境噪声的被动式定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种消除环境噪声的被动式定位方法，属于定位领域。发明包括测量第一接收信号强度指示；测量第二接收信号强度指示；确定目标引起的扰动噪声分量；根据目标引起的扰动噪声分量，结合与目标对应的地理坐标，构建射频地图；将目标引起的扰动噪声分量，结合样本数据，通过动态时间规整的方法，确定与扰动噪声分量最接近的序列；根据与扰动噪声分量最接近的序列，结合射频地图，获得扰动噪声分量对应的地理坐标。本发明通过在接收到的接收信号强度指示中剔除由于环境反射引起的噪声分量，得到仅由目标引起的扰动分量，避免了环境反射引起的噪声干扰，提高了对目标定位的准确性。
【专利说明】一种消除环境噪声的被动式定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及定位领域，特别涉及一种消除环境噪声的被动式定位方法。
【背景技术】
[0002] 随着技术的发展，被动式定位由于被检测目标不需要携带任何定位设备又可以主 动参与定位过程，因此已经成为研究的热点。
[0003] 常见的被动式目标定位方法根据待定位目标对无线通信链路射频信号产生的干 扰，通过测量受干扰链路的接收信号强度指示（ReceivedSignalStrengthIndicator,简 称RSSI)值对目标的位置进行计算。此类方法通常分为训练和定位两个阶段。在训练阶 段，根据待定位目标在不同位置处测量RSSI值与位置的映射关系形成指纹，构建射频地图 (RadioMap)。在定位阶段，通过测量实时的RSSI值并与指纹信息进行匹配，得到目标的位 置。
[0004] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
[0005] 随着时间的推移，环境中其他射频信号的干扰、障碍物的变化、甚至温湿度的变化 等，都会使目标处于同一位置时对应在定位阶段得到的RSSI值与RadioMap中的RSSI值 产生偏差，换言之，RSSI值固定不变仅仅是真实场景下一种假设，目标周围环境反射造成的 噪声会对目标的定位产生干扰，造成了对目标进行定位的准确性。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种消除环境噪声的被动式定位方法， 所述方法包括：
[0007] 测量第一接收信号强度指示RSSI的数值rm，所述第一接收信号强度指示RSSI中 包括第一环境噪声分量rns ;
[0008] 测量第二接收信号强度指示RSSI的数值r'm，所述第二接收信号强度指示RSSI 中包括第二环境噪声分量yns和目标引起的扰动噪声分量rin ;
[0009] 通过对所述第二环境噪声分量r'ns进行精确估计，确定所述目标引起的扰动噪 声分量rin ;
[0010] 根据所述目标引起的扰动噪声分量rin，结合与所述目标对应的地理坐标，构建射 频地图RadioMap，所述射频地图中包括至少两个样本数据；
[0011] 将所述目标引起的扰动噪声分量，结合所述样本数据，通过动态时间规整的方法， 确定与所述扰动噪声分量最接近的序列；
[0012] 根据所述与所述扰动噪声分量最接近的序列，结合所述射频地图RadioMap，获得 所述扰动噪声分量对应的地理坐标。
[0013] 可选的，所述通过对所述第二环境噪声分量r'ns进行精确估计，确定所述目标引 起的扰动噪声分量rin,包括：
[0014] 根据所述未受干扰链路对应的状态转移概率PMa，确定受干扰链路对应的状态转 移概率Pdis;
[0015] 根据所述受干扰链路对应的状态转移概率Pdis，结合所述第一环境噪声分量rns，确 定所述第二环境噪声分量yns;
[0016] 根据所述第二接收信号强度指示r'm以及所述第二环境噪声分量r' ns，确定所 述目标引起的扰动噪声分量rin。
[0017] 可选的，所述根据所述未受干扰链路对应的状态转移概率P_，确定受干扰链路对 应的状态转移概率Pdis，包括：
[0018] 将所述未受干扰链路对应的状态转移概率Pma，通过线性迁移，得到所述受干 扰链路对应的状态转移概率Pdis，具体的迁移公式为Pdis (SjISi) =Pma (Sj_γISi_γ )，其 中SpSi,Sh，SiI为RSSI值所处的Markov状态，γ为线性迁移因子，γ的取值范围 为-Ν+1；^γ?^Ν-l，所述N为整数。
[0019] 可选的，所述迁移因子Y具体通过：
[0020] 确定未受干扰链路对应的状态转移概率均值μ_，受干扰链路对应的状态转移概 率均值μdis，其中，AU= .?ΧΑ)，μdis =μnea+Y; j=li=l
[0021] 确定受干扰链路噪声分量序列对应的信号平均功率μ' dis与所述受干扰链路对 应的状态转移概率均值μdis;
[0022] 确定所述线性迁移因子Y的数值。
[0023] 可选的，所述方法还包括：
[0024] 未受干扰链路i的信号平均功率μi，，与位置相关的均值气，链路信号平均功 率μi相对于与位置相关的均值的波动λi之间的关系为M=M,. +4，其中Ii为链路长度 (1彡i彡ξ)，^可以通过双线地面反射模型得到；
[0025] 未受干扰链路i与受干扰链路之间的距离为Cli, 1为受干扰链路的长度。在得到 与受干扰链路距离最近的ξ条未受干扰链路后，通过插值得到受干扰链路噪声分量序列 对应的平均功率波动， 4:II
[0026] xr,x/，D=Z; | 了，Γ;-又;//，.， i=l djU Uj
[0027] 其中i的取值范围为I<i<ξ，τi表示未受干扰链路i的单位长度波动值；
[0028] 所述受干扰链路噪声分量序列相对应的信号平均功率μ'dis =μ^λ，其中1 为受干扰链路的长度，μ1和λ分别为受干扰链路噪声分量序列对应的信号平均功率与位 置相关的均值和波动值，受干扰链路噪声分量序列的均值与链路的信号平均功率相等，即 μ' dis=ydis，因此有γ=μ'dis-ynea。
[0029] 可选的，在根据所述目标引起的扰动噪声分量，结合与每个所述目标引起的扰动 噪声分量对应的地理坐标，构建射频地图RadioMap之前,所述方法还包括：
[0030] 根据所述目标所在区域的地理特征，确定监测点的分布坐标，所述监测点用于接 收所在区域的信号强度指示RSSI;
[0031] 根据所述监测点的分布坐标，在所述区域中布置所述监测点。
[0032] 可选的，所述射频地图RadioMap包括：
[0033] 至少一个所述目标引起的扰动噪声分量rin，以及与所述扰动噪声分量对应的坐标 信息。
[0034] 本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
[0035]通过在接收到的RSSI中剔除由于环境反射引起的噪声分量，得到仅由目标引起 的扰动分量，避免了环境反射引起的噪声干扰，提高了对目标定位的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图 作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037] 图1是本发明提供的一种消除环境噪声的被动式定位的流程图；
[0038] 图2是本发明提供的本方案的应用场景的示意图；
[0039] 图3是本发明提供的确定目标引起的扰动噪声分量的详细流程图；
[0040] 图4是本发明提供的目标对定位区域内链路的影响示意图；
[0041] 图5是本发明提供的确定迁移因子的详细流程图；
[0042] 图6是本发明提供的链路长度相等情况（a)下各种方法的比较示意图；
[0043] 图7是本发明提供的链路长度相等情况（b)下各种方法的比较示意图；
[0044] 图8是本发明提供的链路长度不相等情况（a)下各种方法的比较示意图；
[0045] 图9是本发明提供的链路长度不相等情况（b)下各种方法的比较；
[0046] 图10是本发明提供的链路长度相等平均定位误差随时间的变化示意图；
[0047] 图11是本发明提供的链路长度不相等平均定位误差随时间的变化示意图。
【具体实施方式】
[0048] 为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地 描述。
[0049] 实施例一
[0050] 本发明提供了一种消除环境噪声的被动式定位，如图1所示，该方法包括：
[0051] 步骤101、测量第一接收信号强度指示RSSI的数值rm，第一接收信号强度指示 RSSI中包括第一环境噪声分量rns。
[0052] 步骤102、测量第二接收信号强度指示RSSI的数值r' m，第二接收信号强度指示 RSSI中包括第二环境噪声分量;Tns和目标引起的扰动噪声分量rin。
[0053] 步骤103、通过对第二环境噪声分量r'ns进行精确估计，确定目标引起的扰动噪 声分量rin。
[0054] 步骤104、根据目标引起的扰动噪声分量rin，结合与目标对应的地理坐标，构建射 频地图RadioMap，射频地图中包括至少两个样本数据。
[0055] 步骤105、将目标引起的扰动噪声分量，结合样本数据，通过动态时间规整的方法， 确定与扰动噪声分量最接近的序列。
[0056] 步骤106、根据与扰动噪声分量最接近的序列，结合射频地图RadioMap,获得扰动 噪声分量对应的地理坐标。
[0057] 本实施例通过在接收到的RSSI中剔除由于环境反射引起的噪声分量，得到仅由 目标引起的扰动分量，避免了环境反射引起的噪声干扰，提高了对目标定位的准确性。
[0058] 在下文会对上述方案进行进一步的说明，以便上述方案能更为容易的被众人所理 解。
[0059] 实施例二
[0060] 本发明实施例提供一种消除环境噪声的被动式定位方法，该方法包括：
[0061] 在详细描述本方法之前，先对该方案的具体应用场景以及一些参数进行解释：
[0062]如图2所示，发射节点向外发送信号，该信号被接收节点所接收，在没有目标进入 的时候，由于在场景的环境固定，因此接收节点接收到的信号值即RSSI为一恒定的数值。 当目标进入该区域后，由于目标的进入会引起信号传输环境的变化，因此接收节点接收到 的信号值会与目标进入前的有所不同，其中的差值除了目标本身引起的扰动值以外，还包 含了目标反射的信号经过环境中障碍物的二次反射造成的噪声。
[0063] 由于经过障碍物反射的噪声和目标引起的扰动值混在一起被接收节点所接收，无 法从接收的信号中区分出来，因此根据这样的接收信号值无法对目标进行精确定位，因此 需要本方法实现反射噪声与目标引起的扰动值的区分。
[0064] 步骤101、测量第一接收信号强度指示RSSI的数值rm，第一接收信号强度指示 RSSI中包括第一环境噪声分量rns。
[0065] 在实施中，存在公式
[0066] !^ = 1^(1)。
[0067] 步骤102、测量第二接收信号强度指示RSSI的数值r' m，第二接收信号强度指示 RSSI中包括第二环境噪声分量;Tns和目标引起的扰动噪声分量rin。
[0068] 在实施中，存在公式
[0069]r'm=r'ns+rin (2)。
[0070] 在实际场景中，在目标进入区域的前后，环境发生突变的概率非常低，因此噪声分 量近似不变，即r'ns?rns。由于环境中障碍物的变化会引起二次反射信号发生变化，即二 次反射信号与环境有关，因此对应的RSSI值为二次噪声分量，用rad表示。则链路受干扰后 的噪声分量变为原噪声分量与二次噪声分量的和：
[0071] r'ns =rns+rad (3),
[0072] 公式⑵变为：
[0073] r'm =rin+rns+rad (4),
[0074] 则受干扰链路的RSSI值r'm实际上由三部分组成：目标引起的扰动分量rin，链 路受干扰前的噪声分量即第一环境噪声分量rns，目标引起环境变化产生的二次噪声分量 rad。链路受到干扰后噪声分量即第二环境噪声分量会发生变化，也就是r'ns =rns+rad，则 无法根据链路受干扰前后RSSI值的变化得到rin。因此，为了得到扰动分量rin，需要先对噪 声分量r' ^进行估计。则本发明解决的问题变为如何对噪声分量r' ^进行估计，进而得 到扰动分量rin。
[0075] 为了解决上述问题，特有如下步骤：
[0076] 步骤103、通过对第二环境噪声分量rns进行精确估计，确定目标引起的扰动噪声 分量rin。
[0077] 其中，如图3所示，步骤103具体包括：
[0078] 201、根据未受干扰链路对应的状态转移概率Pma，确定受干扰链路对应的状态转 移概率Pdis。
[0079] 具体的为，首先通过FSMC建模得到未受干扰链路对应的状态转移概率Pma，然后 通过线性迁移，得到受干扰链路对应的状态转移概率Pdis，迁移公式为：
[0080] Pdis(SjSi) =Pnea(ShlSiI) (5)，
[0081]其中SjlSi表示由状态i转移为状态j，Sj_YIsiI表示由状态i-Y转变为状态 j-Y,Y为线性迁移因子，Y的取值范围为-N+1彡Y彡N-1，N为整数。公式（5)表示环 境对相邻链路的影响相同，即状态转移概率相同。
[0082] 对链路的RSSI值进行FSMC建模，具体操作为将RSSI值等分为N个相邻的子区间， 每个区间代表一个Markov状态，落在同一区间内的RSSI值对应同一个状态S。设RSSI值 范围为[RSSImin,RSSImax],子区间大小为mdBm，则区间个数：
[0083] W=L丨狀汾-狀57J/岣，L」为下取整。
[0084] 未受干扰链路的RSSI值仅包括噪声分量，由于短时间内环境发生突变的概率非 常低，因此状态之间的转移大都是相邻的。若设nu表示从状态Si转移到&的测量值个数， Iii表示处于状态Si的测量值个数，则从状态Si转移到Sj的转移概率Pii』为：Pii』=IiiijAii, 其中i，je[1，N]。链路的状态转移概率矩阵P可以表示为：
【权利要求】
1. 一种消除环境噪声的被动式定位方法，其特征在于，所述方法包括： 测量第一接收信号强度指示RSSI的数值，所述第一接收信号强度指示RSSI中包括 第一环境噪声分量rns ; 测量第二接收信号强度指示RSSI的数值r' m，所述第二接收信号强度指示RSSI中包 括第二环境噪声分量r' ns和目标引起的扰动噪声分量rin ; 通过对所述第二环境噪声分量r' ns进行精确估计，确定所述目标引起的扰动噪声分 量 rin ; 根据所述目标引起的扰动噪声分量rin，结合与所述目标对应的地理坐标，构建射频地 图Radio Map，所述射频地图中包括至少两个样本数据； 将所述目标引起的扰动噪声分量rin，结合所述样本数据，通过动态时间规整的方法，确 定与所述扰动噪声分量最接近的序列； 根据所述与所述扰动噪声分量最接近的序列，结合所述射频地图Radio Map，获得所述 扰动噪声分量对应的地理坐标。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过对所述第二环境噪声分量r' ns进行精确估计，确定所述目标引起的扰动噪声分量rin，包括： 根据未受干扰链路对应的状态转移概率Pma，确定受干扰链路对应的状态转移概率 Pdis ; 根据所述受干扰链路对应的状态转移概率Pdis，结合所述第一环境噪声分量rns，确定所 述第二环境噪声分量r' ns; 根据所述第二接收信号强度指示r' m以及所述第二环境噪声分量r' ns，确定所述目 标引起的扰动噪声分量rin。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述未受干扰链路对应的状态 转移概率Pma，确定受干扰链路对应的状态转移概率Pdis，包括： 将未受干扰链路对应的状态转移概率Pma，通过线性迁移，得到所述受干扰链路对应的 状态转移概率Pdis，具体的迁移公式为Pdis (Sj I Si) = Pnea(Sj_Y I Si_Y)，其中S」，Si, Sj_Y，Si_Y为 RSSI值所处的Markov状态，Y为线性迁移因子，Y的取值范围为-N+1彡Y彡N-1，所述 N为整数。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述迁移因子Y具体通过： 确定未受干扰链路对应的状态转移概率均值U _，受干扰链路对应的状态转移概率均
确定受干扰链路噪声分量序列对应的信号平均功率U ' dis与所述受干扰链路对应的 状态转移概率均值U dis ; 确定所述线性迁移因子Y的数值。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 未受干扰链路i的信号平均功率Ui,，与位置相关的均值A ,链路信号平均功率 U i相对于与位置相关的均值的波动A i之间的关系为+1?，其中Ii为链路长度 (1 < i < O，AV可以通过双线地面反射模型得到； 未受干扰链路i与受干扰链路之间的距离为Cli, 1为受干扰链路的长度。在得到与受 干扰链路距离最近的I条未受干扰链路后，通过插值得到受干扰链路噪声分量序列对应 的平均功率波动，
其中i的取值范围为I< i < I，T,表示未受干扰链路i的单位长度波动值； 所述受干扰链路噪声分量序列相对应的信号平均功率U ' dis = U d A，其中1为受干 扰链路的长度，1^和A分别为受干扰链路噪声分量序列对应的信号平均功率与位置相关 的均值和波动值，受干扰链路噪声分量序列的均值与链路的信号平均功率相等，即dis=U dis，因此有 Y = U ' dis-unea。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述目标引起的扰动噪声分量，结 合与每个所述目标引起的扰动噪声分量对应的地理坐标，构建射频地图Radio Map之前,所 述方法还包括： 根据所述目标所在区域的地理特征，确定监测点的分布坐标，所述监测点用于接收所 在区域的信号强度指示RSSI ; 根据所述监测点的分布坐标，在所述区域中布置所述监测点。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射频地图Radio Map包括： 至少一个所述目标引起的扰动噪声分量rin，以及与所述扰动噪声分量对应的坐标信 肩、。
【文档编号】G01S5/02GK104363653SQ201410538553
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】房鼎益, 常俪琼, 方河川, 汤战勇, 王举, 陈晓江, 任宇辉, 刘晨, 聂卫科 申请人:西北大学