一种基于空间分析的室内协作定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空间分析的室内协作定位方法，属于室内定位领域。包括：面向定位空间分析的改进射线跟踪算法；基于改进射线跟踪技术的室内空间区域判定算法；基于空间分析两阶段的协作定位算法。根据室内环境下空间构造较为稳定的特点，基于射线跟踪技术对空间进行环境分析，划分不同的定位区域并统计每个区域的视距环境下定位参考信号的数量，由此判断出直接定位区域和协作定位区域。根据空间分区判断出需要协作定位和无需协作定位的目标节点，提出一种基于空间分析的室内协作定位方法。这种室内协作定位的方法，有效避免了误差较大的移动参考节点造成的定位精度降低的问题，提高了整体的定位精度。

An Indoor Cooperative Location Method Based on Spatial Analysis

The invention discloses an indoor cooperative positioning method based on spatial analysis, which belongs to the field of indoor positioning. Including: improved ray-tracing algorithm for positioning spatial analysis; indoor space area determination algorithm based on improved ray-tracing technology; cooperative location algorithm based on two-stage spatial analysis. According to the stable characteristics of space structure in indoor environment, based on ray tracing technology, the environment of space is analyzed, different locating areas are divided and the number of locating reference signals in each area's visual distance environment is counted, thus the direct locating area and the cooperative locating area are judged. According to the spatial partition, the target nodes which need collaborative location and need not collaborative location are identified, and an indoor collaborative location method based on spatial analysis is proposed. This indoor cooperative positioning method effectively avoids the problem of reducing the positioning accuracy caused by large errors of mobile reference nodes, and improves the overall positioning accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间分析的室内协作定位方法
本专利技术属于室内定位领域，具体涉及一种基于空间分析的室内协作定位方法。
技术介绍
室内定位技术的实质就是对待定位终端进行位置估计。室内定位算法中定位所需变量随着计算方式的不同，主要包括了信号到达时间、到达角度、信号到达时间差、接收信号强度等众多类型。协作定位技术主要有两个好处：一是由于用户之间距离较短，待定位终端之间点对点(P2P)方式的测量可能是非常准确的，因此即使所有待定位终端相对于所有可用的参考点都在非视距条件下，定位系统的精度也可以提高，二是由于移动终端的空间分集的特点，如果其中至少有一个待定位终端和一个发射端位于视距条件下，就能够通过协作定位避免阴影效应，从而提高定位精度。相关文献有：Khalaf-AllahM.Timeofarrival(TOA)-baseddirectlocationmethod[C]//RadarSymposium(IRS),201516thInternational.IEEE,2015:812-815；FangD,ChongS,QianG.ResearchonMultipointPositioningBasedonTOACooperatewithAOALocationAlgorithm[J].DEStechTransactionsonComputerScienceandEngineering,2016(itms)；MengY,XuJ,HuangY,etal.Keyfactorsofmulti-stationTDOApassivelocationstudy[C]//IntelligentHuman-MachineSystemsandCybernetics(IHMSC),20157thInternationalConferenceon.IEEE,2015,2:220-223；BohidarS,BeheraS,TripathyCR.Acomparativeviewonreceivedsignalstrength(RSS)basedlocationestimationinWSN[C]//EngineeringandTechnology(ICETECH),2015IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2015:1-7；史蒂芬·山德,阿明·达曼,克里斯汀·门兴.无线通信系统中的定位技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2016:56-59页；YunZ,IskanderMF.Raytracingforradiopropagationmodeling:principlesandapplications[J].IEEEAccess,2015,3:1089-1100。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决在室内定位中，非视距的协作定位分区无法定位问题而提出提高视距环境的直接定位区域的定位精度的一种基于空间分析的室内协作定位方法。本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：1.设计一种面向定位空间分析的改进射线跟踪算法，预处理空间中固定参考点位置关于空间中的镜像点信息，并通过建立反射面过滤集方式，排除部分平面的计算过程。具体步骤包括：(1)初始化固定参考点信息，即可以获取定位信号发射端的空间三维位置坐标；(2)初始化定位参考信号信息，即可以获取信号的强度等特征参数；(3)初始化目标节点位置信息，即获取到接收端的空间三维位置坐标；(4)初始化定位空间数据，即获取室内环境影响定位信号传播相关数据信息，具体包括空间中每一个物体的平面组成、每一个平面中的平面方程参数以及边界凸点坐标、平面材质等；(5)建立空间平面过滤集合，将无法参与传播计算的平面放入集合中；(6)预处理空间固定参考点的镜像点集合，计算固定参考点关于空间中除平面过滤集合之外其他平面的镜像点；(7)根据定位参考信号的不同传播方式处理，反射场景转至执行(8)，透射场景转至执行(9)，绕射场景转至(10)；(8)进行反射计算，固定参考点关于平面做镜像参考点并通过镜像参考点与目标节点连线与反射平面进行相交测试，判断交点是否在平面内；若为在平面内，则根据反射材质及入射角进行计算反射信号的损耗，执行(9)；若计算的交点不在平面内(可能在平面的所在平面延长区域或镜像参考点与目标节点连线的延长线上)，则反射面无效，不予进行计算；(9)进行透射计算，通过穿过物体材质、厚度计算信号的衰减值，执行(11)；(10)进行绕射计算，通过绕射物体材质和绕射角度计算信号的损耗值，执行(12)；(11)统计信号通过不同的方式在空间传播路径，以及在每一条路径对应的损耗和时延，生成径参数表；(12)将径参数表中的信号强度与最低信号强度约束阀值进行比较，若目前信号强度大于最低信号阀值则说明信号强度可以进行下一步计算，执行(5)；若信号强度小于等于最低信号强度阀值，则说明信号衰减至接收端无法进行分析，结束当前信号的计算，执行(11)；(13)将目前信号传播路径以及对应的损耗、时延持久化存储，用于后续计算分析。2.设计一种基于改进射线跟踪技术的室内空间区域判定算法，判断空间中某一区域是否满足视距径数所需数目，区分直接定位分区和协作定位分区。具体步骤包括：(1)初始化判断算法相关参数，空间分区数目ND，分区内部单位区域内(边长1m)的位置采样率PLOS，分区视距环境最低覆盖率Pmin，定信号最低阀值RSSmin；(2)根据空间分区数目ND和定位空间面积将其划分成ND个矩形立体网格并将每一个网格进行编号，记为Di；(3)在每一个分区中通过采样率PLOS计算出相应的视距径采样点数量NLOS，并随机生成每个视距径采样点的坐标，记为P(xi，yi，zi)；(4)在分区中根据步骤(3)中生成的视距采样点基于2.2.2节中的射线跟踪法进行信号直射径传播计算，其中采样点能够接收到固定参考点定位信号的视距信号的标准是：定位信号通过直射传播且达到采样点时接收时强度大于RSSmin；(5)当分区中的所有采样点完成了基于射线跟踪的LOS信号径计算后，统计出其中接收LOS信号能够满足大于等于4个的参考点数量，并计算出可定位采样点的覆盖率PDi，若PDi大于等于Pmin，则该区域为视距环境的直接定位分区；否则，该区域为非视距环境的协作定位分区。3.设计一种基于空间分析两阶段的协作定位算法，第一阶段中目标节点接收全部参考点的定位信号，进行第一阶段初定位，并根据定位信息判断所处的分区。第二阶段根据第一阶段确定的分区及空间划分，目标节点判断是否将周围的移动参考节点信息加入自身的定位参考信息中。第一阶段初定位目的是判断目标节点所在的空间分区。由于目标节点定位同样存在误差且理论上大于第二阶段的定位误差，如果判断分区发生错误会影响第二阶段协作定位的结果。将第一阶段定位根据信号共同覆盖区对室内分区的覆盖率，对目标节点的所处分区进行判定。如图1，目标节点接收到来自参考点R1、R2和R3的定位信号，每个参考点对目标估计的距离分别为L1、L2和L3。R1、R2和R3三个参考点的覆盖范围如图1所示。三个参考点共同覆盖的区域是D1、D2、D3和D4。根据几何面积计算，可以分区中得出共同信号覆盖面积占比D3>D1>D2&gt本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间分析的室内协作定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用面向定位空间分析的改进射线跟踪算法，预处理空间中固定参考点位置关于空间中的镜像点信息，并建立反射面过滤集方式；(2)利用基于改进射线跟踪技术的室内空间区域判定算法，判断空间中某一区域是否满足视距径数所需数目，区分直接定位分区和协作定位分区；(3)利用基于空间分析两阶段的协作定位算法，第一阶段中目标节点接收全部参考点的定位信号，进行第一阶段初定位，并根据定位信息判断所处的分区，第二阶段根据第一阶段确定的分区及空间划分，目标节点判断是否将周围的移动参考节点信息加入自身的定位参考信息中。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间分析的室内协作定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用面向定位空间分析的改进射线跟踪算法，预处理空间中固定参考点位置关于空间中的镜像点信息，并建立反射面过滤集方式；(2)利用基于改进射线跟踪技术的室内空间区域判定算法，判断空间中某一区域是否满足视距径数所需数目，区分直接定位分区和协作定位分区；(3)利用基于空间分析两阶段的协作定位算法，第一阶段中目标节点接收全部参考点的定位信号，进行第一阶段初定位，并根据定位信息判断所处的分区，第二阶段根据第一阶段确定的分区及空间划分，目标节点判断是否将周围的移动参考节点信息加入自身的定位参考信息中。2.根据权利要求1所述的一种基于空间分析的室内协作定位方法，其特征在于，所述的面向定位空间分析的改进射线跟踪算法具体步骤：(1.1)初始化固定参考点信息，获取定位信号发射端的空间三维位置坐标；(1.2)初始化定位参考信号信息，获取信号特征参数；(1.3)初始化目标节点位置信息，获取到接收端的空间三维位置坐标；(1.4)初始化定位空间数据，获取室内环境影响定位信号传播的数据信息，具体包括空间中每一个物体的平面组成、每一个平面中的平面方程参数以及边界凸点坐标、平面材质；(1.5)建立空间平面过滤集合，将无法参与传播计算的平面放入集合中；(1.6)预处理空间固定参考点的镜像点集合，计算固定参考点关于空间中除平面过滤集合之外其他平面的镜像点；(1.7)根据定位参考信号的不同传播方式处理，反射场景转至执行(1.8)，透射场景转至执行(1.9)，绕射场景转至(1.10)；(1.8)进行反射计算，固定参考点关于平面做镜像参考点并通过镜像参考点与目标节点连线与反射平面进行相交测试，判断交点是否在平面内；若为在平面内，则根据反射材质及入射角进行计算反射信号的损耗，执行(1.9)；若计算的交点不在平面内，则反射面无效，不予进行计算；(1.9)进行透射计算通过穿过物体材质、厚度计算信号的衰减值，执行(1.11)；(1.10)进行绕射计算通过绕射物体材质和绕射角度计算信号的损耗值，执行(1.12)；(1.11)统计信号通过不同的方式在空间传播路径，以及在每一条路径对应的损耗和时延，生成径参数表；(1.12)将径参数表中的信号强度与最低信号强度约束阀值进行比较，若目前信号强度大于最低信号阀值，执行(1.5)；若信号强度小于等于最低信号强度阀值，结束当前信号的计算，执行(1.11)；(1.13)将目前信号传播路径以及对应的损耗、时延持久化存储。3.根据权利要求1所述的一种基于空间分析的室内协作定位方法，其特征在于，所述的基于改进射线跟踪技术的室内空间区域判定算法具体步骤：(2.1)初始化判断算法相关参数，空间分区数目ND，分区内部单位区域内(边长1m)的位置采样率PLOS，分区视距环境最低覆盖率Pmin，定信号最低阀值RSSmin；(2.2)根据空间分区数目ND和定位空间面积将其划分成ND个矩形立体网格并将...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯光升，杨帅征，赵帅，王慧强，王贺哲，梁森，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23