一种无接触感知定位方法技术

本发明专利技术公布了一种无接触感知定位方法，发射端为WiFi信号发射设备，接收端是与发射端对应的WiFi信号接收器；构造一个天线阵列接收信号，结合天线间的差异，并利用信号的相干性，识别正在运动的目标的反射信号的到达角度，同时利用不同频率的载波之间的差异，估计动态目标的各个反射路径的相对长度，选择其中一个反射路径信号的到达角度作为定位目标相对于该接收设备的角度。本发明专利技术定位目标无需携带任何设备，利用WiFi网卡就可以实现准确的无接触感知的动态物体定位，最少只需要一个WiFi发射端和两个WiFi接收端，就能够确定目标的位置。同时利用活动的空间和时间连续性来补全缺失的测量值，扩大可感知范围。

Method for contactless sensing positioning

The invention discloses a non-contact sensing positioning method, transmitter for the WiFi signal transmitting device, the receiver is WiFi signal receiver and transmitter corresponding; a signal receiving antenna array structure, combined with the difference between antennas, and the use of signal coherence, arrival angle reflection signal recognition moving target. At the same time, the differences between different carrier frequency, estimation of the relative length of each reflection path dynamic target, choose one reflection path of the signal arrival angle as the target angle relative to the receiving device. The present invention target without any equipment, the use of WiFi cards can achieve accurate non-contact sensing dynamic object positioning, at least only one WiFi transmitter and two WiFi receiver, we can determine the location of the target. At the same time, a continuous measure to complete the missing value activities of the use of space and time, to expand the scope of perception.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及感知定位技术，尤其涉及一种基于商业无线局域网设备的无接触感知定位方法。
技术介绍
无接触感知定位指的是不需要定位目标携带任何设备，也不需要发生任何接触性行为，就可以确定目标的位置。无线局域网(WiFi)设备目前广泛存在于我们的日常生活中，因此实现在商业WiFi设备上的无接触感知定位技术受到人们的广泛关注。2013年，埃及的Heba Abdel-Nasser提出了一种解决方案(MonoPHY:Mono-Stream-based Device-free WLANLocalization via Physical Layer Information,WCNC 13,P4546-4551)同年，香港的Xiao Jiang等人也提出类似想法(Pilot:Passive Device-free Indoor LocalizationUsing Channel State Information,ICDCS 13)：利用商业WiFi网卡中获得的信道状态信息(ChannelStateInformation(CSI)，反应了信号从发射端到接收端发生的振幅和相位的变化)，事先测量获知目标在不同位置时对信道状态的影响，以此作为指纹在实际使用中来确定目标的实际位置。然而，该方法需要大量的劳动力花费在指纹数据库的建立，当环境发生变化时，该指纹数据库就需要更新或者重新建立，并且如果定位目标在活动时，定位效果会不好。2015年，美国的ManikantaKotaru提出了一种解决方案(SpotFi:Decimeter Level Localization Using WiFi,Sigcomm’15，P269-282)：利用WiFi网卡提供的30个子载波上的信息，增加虚拟天线的数量，从而降低普通WiFi网卡天线数对信号区分及到达角度估计的影响，提高直接通路信号的到达角度估计精度，从而定位WiFi信号发射设备。然而，该方法的目标是用来定位WiFi信号发射设备的位置，不能确定一个运动的反射WiFi信号的物体的位置。2016年，美国的Kiran Joshi提出了一种解决方案(WiDeo:Fine-grained Device-free Motion Tracing using RF Backscatter,NSDI 15,P189-204)：建立一种自发自收的无线局域网设备，自己发出的信号经过反射后再被自己接收。通过后期信号处理分析出每条反射路径的长度、到达角度以及信号强度，根据定位目标的活动性找出定位目标反射的路径，最终确定目标的位置。然而，该方法需要对现有WiFi设备进行修改，改变传统的WiFi工作模式，无法在商业WiFi设备上实现。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种无接触感知定位方法，基于商业无线局域网设备的，不需要定位目标携带任何设备，在商业WiFi设备上，在不修改硬件的基础上，通过两个或两个以上的WiFi接收设备，当环境中只有一个运动物体时，确定该运动物体的位置。本专利技术的原理是：利用WiFi设备的现有天线(目前常见的为3根，随着WiFi技术的发展，最新的协议已经可以支持8根)，在WiFi接收设备上构造一个天线阵列接收WiFi信号，结合天线间的差异，并利用信号的相干性，识别并估计一个正在运动的目标的反射信号的到达角度，同时利用不同频率的载波之间的差异，估计动态目标的各个反射路径的相对长度，选择其中一个反射路径信号的到达角度作为定位目标相对于该WiFi接收设备的角度，最终通过多个WiFi接收设备分别识别定位目标相对各接收设备的角度，通过三角定位方法定位得到目标的实际位置。本专利技术提供的技术方案是：一种无接触感知定位方法，WiFi收发环境中的发射端为支持测量通道状态信息的WiFi信号发射设备，接收端是与发射端对应的能提供通道状态信息的WiFi信号接收器；待定位的动态物体目标无需携带任何设备，利用WiFi收发环境对所述待定位目标实现无接触感知定位，获得所述待定位目标的准确位置；包括如下步骤：1)在商业WiFi网卡上利用现有的天线(三根或三根以上)构造具有均匀线性天线阵列的WiFi接收设备：发射端为WiFi信号发射设备(如WiFi网卡、路由器等)；接收端是与发射端对应(使用相同频率的WiFi信号)的WiFi信号接收器，用现有的天线搭建均匀线性天线阵列；例如，常见的商用Wi-Fi网卡支持连接三根天线，可以用来构建一个三天线的均匀线性天线阵列，如果使用5GHz的WiFi信号，天线间隔不超过5GHz的WiFi信号的半波长。天线阵列的间隔应由具体WiFi信号收发设备所采用的信号的波长来决定，如果使用其他频率的WiFi信号，天线阵列的天线间距也要随之调整。另外，如果某些WiFi系统能提供更多的天线搭建天线阵列，能获得更好的效果，例如支持802.11ac协议的WiFi网卡有可能支持8根天线。2)接收设备用天线阵列接收WiFi发射端(各种WiFi设备)发出的包，并从中测量CSI信息(该信息反应了信号从发射端到达接收端所发生的振幅和相位的改变)；系统运行前测量得到各个接收设备的位置；3)利用M根天线以及K个不同频率的子载波所拥有的M*K个CSI信息构造一个M*K个虚拟天线的天线阵列，本专利技术要求M大于3，K为所使用的商业网卡提供CSI信息的载波数，如Intel 5300网卡提供30个子载波的CSI信息；每个天线上接收到的不同子载波的通道状态信息也被看作是一个“天线”采集的数据，所以称为虚拟天线阵列；4)对每个包的M*K个CSI信息进行线性处理消除随时间波动的随机相移：首先对这M*K个CSI信息的相位做解缠处理——消除0-2π的周期性，对每个子载波的CSI相位减去整数倍的2π使其变成随载波编号线性变化的值，然后按如下公式做线性拟合：其中，表示第i个包的第m个天线第k个载波上的CSI的解缠后的相位，ε是一个常数，fδ是相邻两个子载波的频差，其具体值和使用的网卡及信道带宽相关，具体可以查阅相关网卡的资料和WiFi协议标准。当使用Intel 5300网卡，采用40MHz带宽的信道时，提供30个子载波上的CSI信息，fδ为1.25MHz。为根据线性拟合结果所确定的每个CSI信息上所要减去的时间延迟。根据和如下公式，修正每个CSI信息的相位：其中表示第i个包的第m个天线第k个子载波上的CSI修正后的相位；表示第i个包的第m个天线第k个子载波上的CSI的原始相位。5)这修正相位后的M*K个CSI信息构成了M*K个虚拟天线的天线阵列的信号向量X(t)： X ( t ) = [ x 1 , 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无接触感知定位方法，其特征是，WiFi收发环境中的发射端为支持测量通道状态信息的WiFi信号发射设备，接收端是与发射端对应的能提供通道状态信息的WiFi信号接收器；待定位的动态物体目标无需携带任何设备，利用WiFi收发环境对所述待定位目标实现无接触感知定位，获得所述待定位目标的准确位置；包括如下步骤：1)利用WiFi信号发射端现有天线构造具有均匀线性天线阵列的WiFi接收设备；所述均匀线性天线阵列中的天线数量至少为三根；所述多根天线之间的间隔不超过所使用的无线信号波长的一半；2)所述接收端通过所述均匀线性天线阵列接收WiFi发射端发出的WiFi数据包，从中测量得到通道状态信息，所述通道状态反映信号从发射端到达接收端所发生的振幅衰减和相位漂移；所述接收端至少为两个；3)利用所述均匀线性天线阵列的M根天线和K个不同频率的子载波的通道状态信息构造一个由M*K个虚拟天线组成的虚拟天线阵列；4)对每个WiFi数据包的M*K个通道状态信息进行线性处理消除随时间波动的随机相移：5)用步骤4)所获得的M*K个通道状态信息构成包含M*K个虚拟天线的天线阵列的信号向量；6)将步骤5)所述信号向量作为多重信号分类算法的输入，经过计算识别得到该M*K个虚拟天线的天线阵列上的入射信号、入射信号的到达角度和相对到达时间；所述入射信号包括静态路径信号和动态路径信号；所述静态路径信号是由直接通路信号和所有静态物体反射信号融为一个的信号；所述动态路径信号是运动物体反射的无线信号；7)当探测到多条动态路径信号时，选择相对到达时间最小的动态路径信号的到达角度作为通过多重信号分类算法估计得到的目标角度，即得到运动目标相对各接收端的角度；8)同一时间多个接收端分别获得步骤7)所述运动目标相对各接收端的角度，根据各个接收端的位置，选择真实角度与估计角度误差的平方和最小的位置，作为待定位目标的准确位置。...

【技术特征摘要】
1.一种无接触感知定位方法，其特征是，WiFi收发环境中的发射端为支持测量通道状态信息的WiFi信号发射设备，接收端是与发射端对应的能提供通道状态信息的WiFi信号接收器；待定位的动态物体目标无需携带任何设备，利用WiFi收发环境对所述待定位目标实现无接触感知定位，获得所述待定位目标的准确位置；包括如下步骤：1)利用WiFi信号发射端现有天线构造具有均匀线性天线阵列的WiFi接收设备；所述均匀线性天线阵列中的天线数量至少为三根；所述多根天线之间的间隔不超过所使用的无线信号波长的一半；2)所述接收端通过所述均匀线性天线阵列接收WiFi发射端发出的WiFi数据包，从中测量得到通道状态信息，所述通道状态反映信号从发射端到达接收端所发生的振幅衰减和相位漂移；所述接收端至少为两个；3)利用所述均匀线性天线阵列的M根天线和K个不同频率的子载波的通道状态信息构造一个由M*K个虚拟天线组成的虚拟天线阵列；4)对每个WiFi数据包的M*K个通道状态信息进行线性处理消除随时间波动的随机相移：5)用步骤4)所获得的M*K个通道状态信息构成包含M*K个虚拟天线的天线阵列的信号向量；6)将步骤5)所述信号向量作为多重信号分类算法的输入，经过计算识别得到该M*K个虚拟天线的天线阵列上的入射信号、入射信号的到达角度和相对到达时间；所述入射信号包括静态路径信号和动态路径信号；所述静态路径信号是由直接通路信号和所有静态物体反射信号融为一个的信号；所述动态路径信号是运动物体反射的无线信号；7)当探测到多条动态路径信号时，选择相对到达时间最小的动态路径信号的到达角度作为通过多重信号分类算法估计得到的目标角度，即得到运动目标相对各接收端的角度；8)同一时间多个接收端分别获得步骤7)所述运动目标相对各接收端的角度，根据各个接收端的位置，选择真实角度与估计角度误差的平方和最小的位置，作为待定位目标的准确位置。2.如权利要求1所述无接触感知定位方法，其特征是，所述WiFi接收端为Intel 5300网卡、Atheros AR9580网卡和Atheros AR9590网卡中的一种。3.如权利要求1所述无接触感知定位方法，其特征是，步骤4)所述对每个WiFi数据包的M*K个通道状态信息进行线性处理消除随时间波动的随机相移，具体过程是：首先对所述M*K个通道状态信息的相位通过解缠处理；然后按如下公式做线性拟合：式1中，表示第i个包的第m个天线第k个载波上的通道状态信息的解缠后的相位；fδ是相邻两个子载波的频差，其具体值和使用的网卡及信道带宽相关；ε是一个常数；为根据线性拟合结果所确定的每个通道状态信息上所要减去的时间延迟；根据和式2，修正每个通道状态信息的相位：式2中，表示第i个包的第m个天线第k个载波上的CSI原始相位；表示第i个包的第m个天线第k个载波上的CSI修正后的相位。4.如权利要求3所述无接触感知定位方法，其特征是，步骤5)所述M*K个虚拟天线的天线阵列的信号向量通过如下过程构建得到：在采样时刻t，获得M根接收天线的各自采集的信道信息，通过式1和式2修正原始通道状态信息的相位后构成天线阵列信号向量X(t)： X ( t ) = [ x 1 , 1 ( t ) , ... , x 1 , K ( t ) , ... , x M , 1 ( t ) , ... , x M , K ( t ) ] T = Σ i = 1 n a ( θ i , τ i ) s i ( t ) + N ( t ) ]]>其中，xm,k(t)表述第m根天线第k个子载波上的修正相位后的CSI信息；n表示到达接收天线阵列的不同路径的信号数；a(θi,τi)表示第i条路径的信号在接收端的天线阵列上的导向向量；θi是其到达角度；τi是其相对到达时间；si(t)是第i条路径的信号到达接收端虚拟天线阵列的第一根天线的衰减和相移；N(t)是噪声向量。5.如权利要求1所述无接触感知定位方法，其特征是，当有运动物体在无线传输环境中存在时，所述M*K个虚拟天线阵列的信号向量表示为下式： X ( t ) = [ x 1 , 1 ( t ) , ... ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大庆，李翔，李晟洁，王亚沙，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11