[发明专利]室内环境下基于虚拟传感器的波达时间TOA定位方法

摘要

本发明属于室内无线定位领域，涉及一种室内环境下基于虚拟传感器的波达时间TOA定位方法，包括：在室内环境中部署多个实体传感器；对每个实体传感器建立虚拟传感器；对所有障碍物逐一分析，建立第i个实体传感器所对应的虚拟传感器组，并得到每一个虚拟传感器到未知目标的虚拟路径长度；得到全部M个实体传感器所对应的虚拟传感器组；从每个实际传感器所对应的虚拟传感器组中均任意选出一个虚拟传感器，估计所有可能的坐标；对得到的坐标点进行筛选，选取最终的位置估计。本发明相比传统的室内TOA定位算法，在室内非视距和多径环境中，具有更高的定位精度。

主权项

1.一种室内环境下基于虚拟传感器的波达时间TOA定位方法，包括以下步骤：步骤1，设在二维室内环境中有N个障碍物，其中第j个障碍物用直线AjBj表示，用斜截式的直线方程表示为：其中，mj表示斜率，aj表示y轴截距；步骤2，在室内环境中部署M个实体传感器，其中第i个实体传感器坐标为X_i＝[x_i,y_i]^T，待定位的未知目标的坐标设定为X_t＝[x_t,y_t]^T，接收信号第一个可探测到的波峰的到达时间为第一条可探测信号路径FDP的TOA值，定义为τ_i，因此，测量到的信号路径FDP的长度表示为：其中c为波速，lFDPi为无误差的实际FDP的长度，ni代表测量误差，服从均值为0，方差为σi2的正态分布；步骤3，对第i个实体传感器建立K_i个虚拟传感器，有K_i≥N，其中，第k_i个虚拟传感器坐标定义为X_i^ki＝[x_i^ki,y_i^ki]^T，在室内环境下，虚拟传感器到目标的距离为其中，p_i＝1,2,3分别表示直射、反射和绕射，规定接收信号最多经历一次反射或绕射，以下步骤4至步骤6分别为直射、反射和绕射这三种情况下的虚拟传感器的设立方法；步骤4，当FDP是直射或透射路径时测量到的路径长度就是直射路径的长度：lFDPi＝||Xi‑Xt||2在实体传感器的位置设立虚拟传感器有虚拟路径长度等于||·||₂表示2范数；步骤5，当FDP是反射信号时，将虚拟传感器设置在实体传感器Xi关于直线AjBj的对称点处，其位置表示为：反射信号测到的路径长度相当于信号在虚拟传感器和目标之间的直射路径的距离，lFDPi表示为：虚拟路径长度等于步骤6，当FDP为绕射路径时，绕射点为第j个障碍物的顶点Aj，则整个路径分为两部分：一部分是实体传感器到绕射点，另一部分是绕射点到目标，即：其中从已知的室内布局图中得到，将虚拟传感器设置在点A_j处，虚拟路径长度表示为：步骤7，按照步骤4～6，从j＝1开始直至j＝N，对所有障碍物逐一分析，建立第i个实体传感器所对应的虚拟传感器组，并得到每一个虚拟传感器到未知目标的虚拟路径长度；步骤8，从i＝1开始直至i＝M对所有实体传感器逐一分析，针对每一个实体传感器所对应的一个虚拟传感器组，这样，得到了全部M个实体传感器所对应的虚拟传感器组；步骤9，从每个实体传感器所对应的虚拟传感器组中均任意选出一个虚拟传感器，首先估计一个可能的目标位置坐标依此类推，得出所有可能的K₁×K₂×…×K_M个坐标；步骤10，对得到的坐标点进行筛选，如果选取的虚拟传感器是为反射建立的，需要满足反射发生的条件，即路径长度需要大于实体传感器到反射点P之间的距离，表示为：其中P点是A_jB_j与的交点，其位置坐标通过对两条直线相交求交点的方法计算出来；如果选取的虚拟传感器是为绕射建立的，需要满足绕射发生的条件，即路径长度需要大于实体传感器到绕射点之间的距离，表示为：步骤11，选取满足下式的点作为最终的位置估计结果，即：