[发明专利]一种基于声信号时延估计及到达频率的室内非视距定位方法

说明书

本发明公开了位置的服务技术领域的一种基于声信号时延估计及到达频率的室内非视距定位方法，基于距离量测以及频率到达信息中所包含的目标相对运动速度量测来对目标的位置进行求解，目标设备对信标节点发出的声音信号采集，得到原始声音信号，对来自各信标节点的声信号进行探测及分割，依靠距离量测计算目标在定位时的初始位置估计，结合声信号的时延估计及到达频率估计对目标当前位置进行估计，进而在不依赖于其它传感器的前提下，仅通过定位声信号所包含的时延信息及多普勒信息即可增加目标定位所需的信息量，使得对目标设备进行精确定位所需的视距信标节点数量要求变为≥2个，在仅有1个视距信标节点时，实际定位效果也优于其它定位算法。

技术领域

本发明属于基于位置的服务技术领域，具体涉及一种基于声信号时延估计及到达频率的室内非视距定位方法。

背景技术

基于位置信息(Location Based Services，LBS)的服务在民用、工业和军事领域均有着重要的应用，是空间地理信息的基本参量和智能手机的基本功能，也是未来智能系统发展与推广的基石。在室外空间，基于卫星的定位技术，如北斗、GPS、伽利略及格洛纳斯卫星定位系统，其技术的成熟及普适性推动了LBS应用的迅速发展，为人们的出行和生活带来了诸多便利，并催生出许多具有广阔市场前景的应用，如高德地图导航、滴滴出行、大众点评等服务。而伴随着国家城市化的进程，室内空间总面积急剧增长，机场、高铁站、大型交通枢纽站、博物馆、购物中心等大型建筑的内部空间也变得越来越复杂和庞大，使得基于卫星的定位技术在室内场景中受到极大限制，定位与位置服务“最后一公里”问题日益突出。

当前针对智能移动终端的室内高精度定位潜在的解决方案包括：蓝牙技术、WiFi技术、超宽带技术(Ultra-Wideband，UWB)、行人航迹推算(Pedestrian Dead Reckoning，PDR)技术、以及声音技术等。基于声音技术的室内定位系统，其定位精度高、成本低、与智能手机完全兼容、且主要元器件均能够国产化，是智能移动终端高精度室内定位与导航的最有潜力解决方案。正是这些特性引起了国内外的学者和专家的关注，并在过去几年间做出了许多开拓性的研究。

基于声音的室内定位系统所使用的定位技术包括基于距离、角度、指纹匹配等。根据微软室内定位大赛个技术的评测性能对比来看，基于距离量测的三角定位方法的定位精度最高。该类技术通过预设数个信标节点，基于信号的时延估计(Time of Arrival，TOA)获得目标的位置信息，而影响该类技术定位性能主要为TOA的量测误差。如图1所示的场景为典型的基于TOA的室内定位系统架构，该场景中共有4个信标节点(也称锚节点、定位基站，本说明书中统一称之为信标节点)。在实际场景中，由于障碍物及多径传播现象的存在，非视距现象(也称作遮挡现象)往往会给距离量测结果引入较大的正向偏差，进而给位置估计带来较大偏差，甚至失效。如何在强遮挡环境中对目标设备进行精确定位，无论是在无线定位领域还是在声学定位领域，均面临着巨大挑战。

如图2所示为当前文献中主要基于TOA的遮挡定位方法总结。其估计器大都基于最大似然估计与最小二乘估计，基于对量测非视距(遮挡)不同类型的假设，辅以不同类型的处理手段，会得到不同的非视距定位方法。以非视距(遮挡)量测偏差假设以及非视距(遮挡)分布假设的算法，由于需要足够数量的数据基础作为统计计算的基础，在某些场景下会不适用。而M估计器计算量较大且性能不稳定，因此无法在计算能力受限的平台上应用，比如：嵌入式平台以及主频较低的智能手机等。最小中值二乘的方法在强遮挡环境中的性能较差。

当前解决目标鲁棒定位的方法大都采用多传感器信息融合的策略和方法，通过引入其它传感器的数据(如惯性导航模块等)来增加信息量，以提高目标的定位精度。但由于各类硬件平台的器件和传感器性能千差万别，使得该类方法的适用性和通用性较差。综上所述，在强遮挡环境中，或信标节点(也称锚节点、定位基站)部署密度较低的场合中，实现高精度定位成为急需解决的难题。

发明内容