[发明专利]一种基于菲涅尔区的船载环境多目标室内定位方法

权利要求书

1.一种基于菲涅尔区的船载环境多目标室内定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A、采集各时刻的CSI数据，CSI数据采用矩阵形式表示；

B、利用线性拟合对CSI相位进行动态清洗，消除CSI的动态相位误差，保留CSI相位测量值，得到时域功率延迟曲线；具体包括以下步骤：

R1、计算展开后CSI相位的线性拟合，计算公式如下：

其中，为拟合后的船体形变程度，θ_i(m，n)为第m根天线的第n个子载波上第i个数据包的信道响应的展开相位，f_s(n-1)为第n-1个子载波的频率，d_s为船体形变程度，c为光速，β为环境噪声引起的误差，M为天线数量，N为子载波数量；

B2、从原始CSI相位中减去线性拟合值，消除动态相位误差，计算清洗后的CSI相位测量值，计算公式如下：

其中，为清洗后的CSI相位测量值；

C、利用Rician包络分布对视距路径主导条件进行建模，计算视距路径分量的功率与散射非视距路径的功率之比得到Rician-K因子，对Rician-K因子进行阈值检测判断菲涅尔区域中存在目标的概率；

D、设计一种基于衰落模型的有向菲涅尔特征估计算法，具体包括以下步骤：

D1、对Wi-Fi信号的传播衰落、反射吸收、趋肤路径衰减和目标反射衰减建模；

利用Friis模型对传播衰落建模，建模公式如下：

其中，L(d_LoS)为空气中Wi-Fi信号传播的功率衰减，λ为Wi-Fi信号的波长，d_LoS为收发机间的距离；

反射吸收建模，建模公式如下：

其中，R(d_k)为第k条路径的反射衰落，d_k为第k条路径的传输距离，γ_k为环境因子，P_t为发射功率，G_t为发射天线增益，G_r为接收天线增益，λ为Wi-Fi信号的波长；

利用对数正态阴影模型对趋肤路径衰减建模，建模公式如下：

其中，p(ψ)为趋肤路径衰减的对数正态阴影模型，ψ为趋肤路径衰减，为ψ_dB＝10logψ的均值，是标准偏差；

将目标反射衰减记为L_T；

D2、利用步骤D1中的四种模型得到非视距路径的接收功率，通过与时域功率延迟曲线测量结合定义总拟合误差；

计算非视距路径的接收功率，计算公式如下：

将功率模型与时域功率延迟曲线测量结合，得到误差计算公式如下：

其中，ε_k为第k条路径的功率模型与PDP测量的误差，K为路径总数，p(T)为PDP测量值，d_k＝d₁+c·Δt·(k-1)，d₁为第一条传输路径的长度，c为光速，Δt为两个到达信号的时间间隔；γ_k＝(γ₁)^k为每个路径的近似反射衰减系数，γ₁为一次反射时的衰减；

误差拟合公式如下：

D3、利用牛顿法或梯度体面法解决总拟合误差优化问题，并得到每个路径的估计值，识别趋肤信号，利用趋肤信号的偏斜度确定目标在菲涅尔区内的方向；

通过使总误差最小来找到每个路径的估计值(d₁，d₂，...，d_K)，并将趋肤信号路径定义为传播距离3d₁＜d_k＜5d₁，通过趋肤信号路径定义识别并提取趋肤信号，通过提取的趋肤信号功率的偏斜度确定目标菲涅尔区内方向，趋肤信号功率的偏斜度计算公式如下：

其中，S为趋肤信号功率的偏斜度，x为测量值，u为平均值，E为标准偏差；

E、确定所有子区域并推算其对应的有向菲涅尔特征，构建菲涅尔特征表；具体包括以下步骤：

E1、将K个发射机和P个接收机的位置作为输入，并返回定位空间中的所有成对的菲涅尔椭圆形边界E的集合K×P，菲涅尔边界E表达公式为：

E＝{e_i|i∈(0，K×P)}

其中，环境中一共有K个发射机与P个接收机，共有K×P个收发机组，e_i为第i个收发机组的菲涅尔椭圆形边界；

E2、将菲涅尔椭圆集合E和局部空间S作为输入并返回子区域集SZ，每个集合包括空间S中子区域的所有位置；

E3、将分区集合SZ[i]的位置作为输入，并返回集合中所有位置质心，质心计算公式如下：

其中，(cx_i，cy_i)为第i个菲涅尔区的质心；x_j、y_j为分区集合中的各个坐标，用于计算质心；

E4、输入位置的坐标，相对于菲涅尔椭圆边界集返回该位置的菲涅尔特征；

E5、将K个发射机和P个接收机的位置作为输入，返回所有成对的垂直平分线B的集合K×P；

E6、输入位置的坐标和垂直平分线B以确定该位置的菲涅尔方向；

F、先将采集的在线CSI数据依次经步骤B、步骤C、步骤D处理，得到在线菲涅尔矩阵，再利用支持向量机算法进行分类，然后进行位置匹配得到用户实时位置。