[发明专利]一种基于旋转RSS的单信标定位方法

摘要

本发明提供了一种基于旋转RSS的单信标定位方法，本方法根据人绕无线接收设备旋转时收集到多个发送设备的旋转RSS信息，获得发送节点相对于接收节点的距离和方向约束，从而得到所有发送节点相对于接收节点的位置。而只要知道了接收节点的绝对位置，就能够得到所有发送节点的绝对位置。本发明不需要依赖特殊设备，在无线定位领域是一种未被探讨过的新的定位方法。本发明可以在单信标场景中完成多个未知节点的定位，突破了基本三边定位算法对最小信标数目的限制，对环境的动态适应性好，且通信开销较小。

主权项

一种基于旋转RSS的单信标定位方法，其特征在于，该方法具体按照以下步骤进行：步骤一，场景设置：步骤S11：通过一组发送节点和一个位置已知的接收节点搭建一个没有任何遮挡的传播环境，位置已知的接收节点作为信标，发送节点向接收节点发送无线信号，发送节点和接收节点之间形成视距链路，选择一个体格信息已知的人作为阻挡视距链路的载体；步骤二，方向确定：步骤S21：人围绕接收节点以相同的半径做匀速旋转，接收节点检测并记录各个发送节点的旋转RSS信息，并将该信息上传给服务器进行存储；步骤S22：根据人的体格信息、人绕接收节点的旋转半径、无线发送节点和无线接收节点间的距离信息，分析并计算不同体格的人对无线信号的遮挡角度θB，具体计算过程如下所示： b 2 ′ = d 1 2 + b 2 · | sin ( θ - arctan b d 1 ) | - - - ( 2 ) d 1 ′ ′ = d 1 2 + b 2 · | cos ( θ - arctan b d 1 ) | - - - ( 4 ) r 1 ′ ′ = λ d 1 ′ ′ ( d - d 1 ′ ′ ) d - - - ( 9 ) B = ( r 1 ′ ′ ) 2 × arccos b 2 ′ r 1 ′ ′ - b 2 ′ × ( r 1 ′ ′ ) 2 - ( b 2 ′ ) 2 - - - ( 10 ) θm是满足下式的最小角度，即满足下式的最小θ； B π ( r 1 ′ ′ ) 2 ≤ 45 % - - - ( 11 ) θB=2θm式中：2b表示人的宽度；d1表示未旋转时人与接收节点的距离，也是人围绕接收节点的旋转半径；λ表示无线信号的波长；d表示发送节点与接收节点的视距链路长度；θ表示人的旋转角度；2α表示未旋转时由人引起的遮挡角度；b2＇表示当人转动角度θ满足α＜θ＜π/2时，人左侧与视距链路的垂直距离；d1〞表示当人转动角度θ满足α＜θ＜π/2时，人左侧距接收节点的水平距离；r1〞表示当人转动角度θ满足α＜θ＜π/2时，在d1〞处对应的第一菲涅尔区半径；B表示当人转动角度θ满足α＜θ＜π/2时，遮挡第一菲涅尔区的面积；步骤S23：根据步骤S22中计算出的遮挡角度θB选择移动窗口w，发送节点和接收节点的视距链路长度为d，d=d1+d2，d1确定后，首先找到d的变化范围内大于并且最接近最大遮挡角度θB的偶数角度作为窗口角度，然后取这个窗口角度加1度得到的奇数作为移动窗口w，在0到360度的旋转范围内，计算移动窗口w对应角度范围内旋转RSS绝对值的累加和，将累加和最大时移动窗口的中心位置对应的角度作为第i个发送节点的方向θi，从而得到所有发送节点的方向集合Θ={θi}； θ i = arg max θ ip ( Σ k = - w - 1 2 w - 1 2 | RSS ( D i , θ i ( p + k ) ) | ) , P ∈ ( 1 , . . . , K ) - - - ( 12 ) 式中：θi表示第i个发送节点相对于接收节点的方向；θip表示第i个发送节点旋转RSS的第p个角度；Di表示第i个发送节点相对于接收节点的距离；RSS(Di,θi(p+k))表示当人的旋转角度为θi(p+k)时，接收节点收到第i个发送节点的实际信号强度；K表示旋转时记录的角度数目；步骤三，距离确定：步骤S31：根据无线通信中的绕射理论，建立简单的人遮挡无线信号的绕射模型，具体的绕射模型如下： E d E 0 = F ( v ) = ( 1 + j ) 2 ∫ v ∞ exp ( ( - jπ t 2 ) / 2 ) dt - - - ( 13 ) v = b 2 ( d 1 + d 2 ) λ d 1 d 2 - - - ( 14 ) Gd＝20log|F(v)|       (15)式中：Ed表示接收节点接收到的电场强度；E0表示自由空间的电场强度；F(v)表示电场强度函数；v表示Fresnel‑Kirchoff绕射参数；t表示积分变量；d2表示未旋转时人与发送节点的距离；步骤S32：根据步骤S23中确定出的发送节点方向Θ={θi}和步骤S21中收集到的旋转RSS信息，计算得到无人遮挡时所有发送节点的实际信号强度集合R(d)={R(Di)}和有人遮挡引起的实际绕射增益集合Gd={Gd(Di,θi)}，具体计算公式如下所述： R ( D i ) = 1 q Σ k = 1 q RSS ( D i , θ k ) - - - ( 20 ) G d ( D i , θ i ) = RSS ( D i , θ i ) - 1 q Σ k = 1 q RSS ( D i , θ k ) - - - ( 21 ) 式中：R(Di)表示无人遮挡时接收节点收到第i个发送节点的实际信号强度；RSS(Di,θk)表示当人的旋转角度为θk时，接收节点收到第i个发送节点的实际信号强度；θk表示在角度区间(θi+π‑π/4,θi+π+π/4)内的旋转角度，在此角度区间内人不遮挡发送节点和接收节点的通信链路；q表示在角度区间(θi+π‑π/4,θi+π+π/4)内，θk的总数目；Gd(Di,θi)表示人站在第i个发送节点与接收节点的视距链路上时引起的绕射增益；RSS(Di,θi)表示人站在第i个发送节点与接收节点的视距链路上时，接收节点收到第i个发送节点的实际信号强度；步骤S33：在LDPL模型的两个参数P和n的取值范围内，根据每一组Ps、nt和步骤S32中得到的实际信号强度集合R(d)={R(Di)}计算出一组距离集合dst={Di}，然后利用 此距离集合和步骤S31中建立的绕射模型计算出一组理论绕射增益集合Gdst={Gd(Di)}，利用公式（17）得到距离集合，利用公式（15）得到理论绕射增益集合；R(d)＝P‑10nlogd+N    (17)Gd=20log|F(v)|    (15)步骤S34：将步骤S32中得到的实际绕射增益集合Gd={Gd(Di,θi)}和步骤S33中得到的每一组理论绕射增益集合Gdst={Gd(Di)}作差，得到相应的差异集合DIFst={|Gd(Di,θi)‑Gd(Di)|}，将最小的一组差异集合DIFmn对应的Pm和nn作为LDPL模型的参数，并将此Pm和nn对应的距离集合dmn={Di}作为所有发送节点相对于接收节点距离的最终结果；步骤四，位置确定：步骤S41：将步骤S23中所有发送节点相对于接收节点的方向结果和步骤S34中所有发送节点相对于接收节点的距离结果合并，得到每个发送节点相对于接收节点位置的极坐标表示，再根据接收节点的真实位置坐标，将发送节点位置相对于接收节点位置的极坐标转换为发送节点位置的笛卡尔坐标，即每个发送节点的位置坐标； x i = x 0 + D i × cos θ i y i = y 0 + D i × sin θ i 式中：(x0,y0)是接收节点的位置坐标；(xi,yi)是第i个发送节点的位置坐标；Di是第i个发送节点相对于接收节点的距离；θi是第i个发送节点相对于接收节点的方向。