[發明專利]一種基于電磁場強度的壓縮感知室外定位方法

有效

• 申請號: 201711079826.1
• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN107682822B
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 蔣伊琳;張昊平;陳濤;郜麗鵬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H04W4/021
• 分類號: H04W4/021;H04W64/00;H04W4/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于電磁場強度的壓縮感知室外定位方法，主要解決室外傳感器網絡覆蓋范圍較大且傳感器位置變化環境下的信號源定位問題。其實現步驟為：1)建立電磁場強度的數據庫；2)根據傳感器分布位置設計觀測矩陣；3)根據少數傳感器接收的目標點場強值構造測量向量；4)利用壓縮感知重構算法恢復出目標點場強向量在稀疏基下的稀疏向量；5)根據稀疏向量利用加權法計算目標點位置。本發明的定位方法適用于傳感器間距較大的室外環境，重點關注其他定位方法忽略的測量值獲取時傳感器位置移動的問題。

技術領域

本發明屬于室外定位技術領域，具體的是一種基于電磁場強度的壓縮感知室外定位方法。

背景技術

近幾年目標定位正日漸成為熱門研究課題，相應的定位算法如TDOA、TOA、AOA、RSSI等也愈發豐富。基于信號接收強度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)定位方法，是通過測量接收到發射的信號強度值，再利用一些經過大量研究得出的信道衰落模型計算出移動臺到各個基站的距離，最后得到三個以及三個以上距離根據圓周模型估算出移動臺最終位置，在如今室外環境極其復雜的情況下，很難得到精確的環境模型。基于信號到達時間(Time of Arrival，TOA)定位方法至少需要三個基站(BS)參定位，是通過得到無線電波從各基站到的傳播時間的方法，來得出兩者之間的距離，再以基站為圓心，以距離為半徑做圓，理論上三個圓的交點便是移動臺的所在點，由于測量過程和計算過程都存在一定誤差，導致定位結果不準。基于信號到達角度(Angle of Arrival，AOA)定位方法，是利用測得信號在移動臺到基站的角度來確定位置的方法。該方法主要利用基站中的天線陣列測量出入射角度，移動臺位置便在方位角的延長線上，兩個基站測得兩個方位角，延長線交點為該方法估計的移動臺位置坐標。當基站數目逐漸增多時，測量誤差也會隨著減小。該方法容易受到環境因素的影響，當定位距離較遠時測得定位角度會有誤差，且在測量定位角度時需要基站具有天線陣列，增加了定位技術的設備成本，該方法不適合室外復雜環境的定位需求。電磁場強度和壓縮感知技術結合是常見的定位方法之一，利用該方法將目標所在的區域離散化為一個網格，通過探討目標位置與接收信號強度向量之間的關系，將定位問題轉化為場強向量在某稀疏基下的重構問題，這是壓縮感知定位技術的理論依據。

壓縮感知理論是一種新興的信號采集和恢復理論，以遠小于奈奎斯特采樣定理的采樣點數，實現信號的恢復。奈奎斯特采樣定理是信號處理領域信號采樣和重構的重要理論基礎,它指出，采樣速率需達到信號帶寬兩倍以上是避免混疊、精確重構信號的必要條件。近年來由朗。和等人提出了一種新穎的理論，即壓縮感知理論(Compressive Sensing,CS)。不同于傳統的奈氏采樣定理，壓縮感知理論指出，對于可壓縮或在某個變換域內稀疏的信號，可從遠比奈氏采樣速率低的采樣或測量中以高概率得到無損恢復。其具體實現可通過一個與變換基不相關的感知矩陣將變換所得高維信號投影到一個低維空間,并通過優化問題的求解從這些低維的投影信號中以高概率重構原始信號。由于實際信號在某一特定域下如空域、頻域、小波域等往往具有一定的可壓縮性,因而該理論為壓縮采樣、信號重構領域帶來了一次新的革命。壓縮感知理論認為如果信號在某一變換域上可以稀疏表示，那么利用特定的觀測矩陣進行降維得到一個低維度的測量值，然后根據測量值、稀疏基、觀測矩陣，通過解決一個優化問題就能高概率的恢復出原始信號。

因此本發明將傳感器節點相距較遠、測量時傳感器節點位置變化的特點加入到定位系統中，目的為了更符合室外定位的實際環境要求。

發明內容

本發明提出了一種基于場強和壓縮感知技術的室外目標定位方法，用來解決較大范圍室外目標定位效果不理想，以及傳統場強定位方法構建測量值不考慮傳感器節點移動的問題。本發明真實的體現了室外環境下定位的特點。

本發明的技術方案為一種基于傳感器位置變化的目標定位方法，具體包括如下步驟：

(1)將定位區域均勻劃分成N個網格，每個網格中心放置一個傳感器，計算參考點相對N個傳感器的場強值，構成N×1維的參考點原始場強向量；