[发明专利]一种基于电磁场强度的压缩感知室外定位方法

说明书

本发明公开了一种基于电磁场强度的压缩感知室外定位方法，主要解决室外传感器网络覆盖范围较大且传感器位置变化环境下的信号源定位问题。其实现步骤为：1)建立电磁场强度的数据库；2)根据传感器分布位置设计观测矩阵；3)根据少数传感器接收的目标点场强值构造测量向量；4)利用压缩感知重构算法恢复出目标点场强向量在稀疏基下的稀疏向量；5)根据稀疏向量利用加权法计算目标点位置。本发明的定位方法适用于传感器间距较大的室外环境，重点关注其他定位方法忽略的测量值获取时传感器位置移动的问题。

技术领域

本发明属于室外定位技术领域，具体的是一种基于电磁场强度的压缩感知室外定位方法。

背景技术

近几年目标定位正日渐成为热门研究课题，相应的定位算法如TDOA、TOA、AOA、RSSI等也愈发丰富。基于信号接收强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)定位方法，是通过测量接收到发射的信号强度值，再利用一些经过大量研究得出的信道衰落模型计算出移动台到各个基站的距离，最后得到三个以及三个以上距离根据圆周模型估算出移动台最终位置，在如今室外环境极其复杂的情况下，很难得到精确的环境模型。基于信号到达时间(Time of Arrival，TOA)定位方法至少需要三个基站(BS)参定位，是通过得到无线电波从各基站到的传播时间的方法，来得出两者之间的距离，再以基站为圆心，以距离为半径做圆，理论上三个圆的交点便是移动台的所在点，由于测量过程和计算过程都存在一定误差，导致定位结果不准。基于信号到达角度(Angle of Arrival，AOA)定位方法，是利用测得信号在移动台到基站的角度来确定位置的方法。该方法主要利用基站中的天线阵列测量出入射角度，移动台位置便在方位角的延长线上，两个基站测得两个方位角，延长线交点为该方法估计的移动台位置坐标。当基站数目逐渐增多时，测量误差也会随着减小。该方法容易受到环境因素的影响，当定位距离较远时测得定位角度会有误差，且在测量定位角度时需要基站具有天线阵列，增加了定位技术的设备成本，该方法不适合室外复杂环境的定位需求。电磁场强度和压缩感知技术结合是常见的定位方法之一，利用该方法将目标所在的区域离散化为一个网格，通过探讨目标位置与接收信号强度向量之间的关系，将定位问题转化为场强向量在某稀疏基下的重构问题，这是压缩感知定位技术的理论依据。

压缩感知理论是一种新兴的信号采集和恢复理论，以远小于奈奎斯特采样定理的采样点数，实现信号的恢复。奈奎斯特采样定理是信号处理领域信号采样和重构的重要理论基础,它指出，采样速率需达到信号带宽两倍以上是避免混叠、精确重构信号的必要条件。近年来由朗。和等人提出了一种新颖的理论，即压缩感知理论(Compressive Sensing,CS)。不同于传统的奈氏采样定理，压缩感知理论指出，对于可压缩或在某个变换域内稀疏的信号，可从远比奈氏采样速率低的采样或测量中以高概率得到无损恢复。其具体实现可通过一个与变换基不相关的感知矩阵将变换所得高维信号投影到一个低维空间,并通过优化问题的求解从这些低维的投影信号中以高概率重构原始信号。由于实际信号在某一特定域下如空域、频域、小波域等往往具有一定的可压缩性,因而该理论为压缩采样、信号重构领域带来了一次新的革命。压缩感知理论认为如果信号在某一变换域上可以稀疏表示，那么利用特定的观测矩阵进行降维得到一个低维度的测量值，然后根据测量值、稀疏基、观测矩阵，通过解决一个优化问题就能高概率的恢复出原始信号。

因此本发明将传感器节点相距较远、测量时传感器节点位置变化的特点加入到定位系统中，目的为了更符合室外定位的实际环境要求。

发明内容

本发明提出了一种基于场强和压缩感知技术的室外目标定位方法，用来解决较大范围室外目标定位效果不理想，以及传统场强定位方法构建测量值不考虑传感器节点移动的问题。本发明真实的体现了室外环境下定位的特点。

本发明的技术方案为一种基于传感器位置变化的目标定位方法，具体包括如下步骤：

(1)将定位区域均匀划分成N个网格，每个网格中心放置一个传感器，计算参考点相对N个传感器的场强值，构成N×1维的参考点原始场强向量；