[发明专利]WiFi信号直接视距传播路径挖掘的高精度室内定位方法

权利要求书

1.一种WiFi信号直接视距传播路径挖掘的高精度室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过商用WiFi设备收集WiFi信号的信道状态信息和信号强度；

S2、估计定位目标到WiFi接入点传播路径的到达角度；

S202、扩展WiFi接入点的虚拟天线阵列；

S204、利用平滑算法去除相关路径信号对到达角度估计结果的影响；

S206、利用虚拟天线阵列估计定位目标到WiFi接入点传播路径的到达角度：将平滑后每根虚拟天线收集到的子载波带入空间谱估计函数求取定位目标到WiFi接入点传播路径的到达角度；

S3、利用嵌入表示，识别定位目标到WiFi接入点之间的直接传播路径，加权设计定位损失函数；

S4、利用定位目标到WiFi接入点之间的直接传播路径的到达角度和无线射频信号强度，通过基于位置指纹的定位方法来获得定位结果：在事先好的构建位置指纹库中计算所有网格点的位置指纹与待定位目标位置指纹的定位损失函数，则该待定位目标的位置被估计为损失函数最小的网格点对应的网格点位置。

2.根据权利要求1所述WiFi信号直接视距传播路径挖掘的高精度室内定位方法，其特征在于，步骤S202具体为：

在IEEE802.11协议下，每根商用WiFi设备的天线收集到的信道状态信息为30个子载波，将3根天线收集到的所有信道状态信息表示为3×30的信道状态信息矩阵CSI：

上式中，设csi_i，j为信道状态信息矩阵CSI第i行第j列的数，则csi_i，j表示第i根天线上的第j个子载波的信道状态信息；

利用正交频分复用技术将商用WiFi设备的3根天线扩充到90根虚拟天线阵列；虚拟天线阵列的接收信号为一个90×1的虚拟天线阵列接收矩阵：

X＝[csi_1，1，...，csi_1，30，csi_2，1，...，csi_2，30，csi_3，1，...，csi_3，30]^T。

3.根据权利要求2所述WiFi信号直接视距传播路径挖掘的高精度室内定位方法，其特征在于，步骤S204通过二维前向平滑将虚拟天线阵列接收矩阵X平滑为30×32的测量矩阵X_s：

由商用WiFi设备的3根天线中的前两根天线各自收集到的前15个子载波组成传感器子阵列，二维前向平滑将两个相关路径信号同时加入不同的传感器子阵列，去除相关路径信号对到达角度估计结果的影响。

4.根据权利要求3所述WiFi信号直接视距传播路径挖掘的高精度室内定位方法，其特征在于，步骤S206具体为：

令测量矩阵X_s的协方差矩阵为其中是测量矩阵X_s的共轭转置矩阵；将R_s的特征矩阵表示为E_n，E_n的共轭转置矩阵为

当WiFi信号入射到天线阵列时，t_k为第k条路径飞行时间，令Ψ_2，Θ和Ψ_3，Θ分别表示方位角为Θ的某条路径在第2根和第3根天线上引起的相对于第1根天线的相位差，和表示飞行时间为t_k的路径k下第2个和第15个子载波相对于第1个子载波的相位差；定义a(Θ，t)如下：

利用MUSIC算法，基于协方差矩阵R_s的特征矩阵E_n、E_n的共轭转置矩阵a(Θ，t)、a(Θ，t)的共轭转置矩阵a^H(Θ，t)，计算得到空间谱估计函数P(Θ，t)为：

将平滑后每根虚拟天线收集到的子载波带入空间谱估计函数P(Θ，t)，通过寻找空间谱P(Θ，t)波峰对应的到达角度Θ和飞行时间t来估计定位目标到WiFi接入点传播路径到达角度和飞行时间。

5.根据权利要求4所述WiFi信号直接视距传播路径挖掘的高精度室内定位方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：

S302、对不同传播路径数据分组的到达角度和飞行时间进行嵌入表示，取所有到达角度和飞行时间的表示向量的均值作为该特定WiFi信号传播路径的到达角度和飞行时间；

S304、估计WiFi接入点和定位目标的直接传播路径概率：用表示传播路径k所对应的路径分组中的路径数量，和分别表示该类中到达角度和飞行时间估计值的总体方差，是该类中飞行时间估计值的平均值，将加权系数w_C，w_θ，w_τ和w_S作为预定义常数项；则计算路径k为直接传播路径的概率为：

根据上式选择概率最高的路径作为WiFi接入点和定位目标的直接传播路径，并保存该路径对应的到达角度和估计概率值；根据上式选择概率最高的路径作为WiFi接入点和定位目标的直接传播路径，并保存该路径对应的到达角度和估计概率值；

S306、采用到达角度和信号强度加权设计定位损失函数获得定位结果；

在定位目标离线阶段，将室内环境进行网格划分，并建立每个网格点的位置指纹(θ_m，P_m，r_m|m∈M)，其中M为WiFi接入点数目，θ_m为第m个WiFi接入点直接传播路径的到达角度，P_m为第m个WiFi接入点直接传播路径的概率，r_m为该网格测量得到的来自该接入点的WiFi信号强度；

在定位目标在线阶段，收集带定位目标的位置指纹，该位置指纹包括所有WiFi接入点到达角度平均值和WiFi信号强度平均值计算定位损失函数：

上式中，m为总WiFi接入点数目M中第m个WiFi接入点；P_m为第m个WiFi接入点直接传播路径的概率；为所有WiFi接入点的WiFi信号强度平均值，为所有WiFi接入点到达角度平均值；r_m为第m个WiFi接入点所在网格测量得到的来自该WiFi接入点的WiFi信号强度。