本发明属于室内定位技术领域，具体涉及一种基于蓝牙反向散射的室内定位方法和装置。
背景技术：
定位是位置服务、万物互联、人工智能应用的核心技术之一。在室外，以成熟的gps、北斗等卫星定位技术为主，由于卫星信号难以穿透建筑物，且室内环境复杂多变，因此难以用于室内定位。室内定位技术目前还不够成熟，但是变得越来越重要。因此，实现准确、可靠、实时的室内定位，满足大众需求，具有非常重要的科学意义和社会应用价值。但室内定位受空间布局、拓扑和复杂信号环境等方面的约束，想要实现准确、可靠、实时的室内定位，满足现有各类定位的需求仍有很大的挑战性。
目前，研究人员提出了许多基于射频识别技术的室内定位技术解决方案，通过利用环境反向散射技术并结合多天线标签的波束扫描，实现室内实时的三维定位，如申请号201710697495.1的专利，该方法是通过射频源发射信号，然后标签进行环境反向散射，移动终端对接收到的标签信号进行检测，最后进行移动终端的三维定位；但这种方法在实施时存在很大的局限性，接收端需要专门设计的接收器才可使用，此种接收器体积大、成本高，不易普及。基于蓝牙信标的室内定位，如申请号为201922212095.4的专利申请的一种基于蓝牙信标的室内定位方法，通过蓝牙信标来检测蓝牙标签的广播信号，并通过总线网络上传信息给定位基站，定位基站融合所有信标信息可计算得出标签位置；这种方法虽然有效地降低了成本和体积，但是对于标签来说，还是有着较高的功耗。
技术实现要素：
为了解决采用传统的反向散射所实用的接收机需要特别制作且体积较大、成本较高的技术问题，本发明的目的是提供一种基于蓝牙反向散射的室内定位方法和装置，利用反向散射技术集合蓝牙aoa定位技术，采用较为通用的接收器，即可以实现室内的精确定位，所采用的技术方案是：
一种基于蓝牙反向散射的室内定位方法，其方法包括以下步骤：
1)在室内的固定位置布置数个接收机，数个接收机所围成的区域内设置射频源，待测移动标签处于数个接收机所围成的区域中；射频源发射主载波信号，所述主载波信号频段在接收机检测频段内，主载波信号的频率远离接收机接收信道的中心频率；
2)待测移动标签自动生成一个支持测向功能的蓝牙数据包构成基带信号，射频源发射的主载波和基带信号在待测标签内经过调制混合后，落在ble的广告信道中；
3)接收机上设置有阵列的有源天线，接收机对蓝牙数据包的反向散射信号进行采样，并在阵列中的每个有源天线之间切换，计算出信号的相位差，根据
其中λ为信号的波长，d为有源天线之间的距离，
4)根据接收机的到达角度，以接收机为起点形成的射线的交点即可确定待测移动标签的位置。
优选的，步骤2)中所述的蓝牙数据包在数据包协议数据单元的循环冗余校验后嵌入一个常量音调扩展的附加字段，所述常量音调扩展的附加字段由“1”组成未白化序列，以蓝牙载波频率加上250khz的频率发送，持续16μs至160μs。
优选的，步骤2)中的主载波和基带信号在待测移动标签内调制的次数为两次。
优选的，所述的两次调制分别为副载波在待测移动标签内对基带信号的一次调制，且在调制后采用希尔伯特变换保留被副载波调制后的基带信号的上边带，所述副载波由待测移动标签内部的模拟电路或fpga产生；以及外置主载波和经过一次调制后的基带信号在待测移动标签天线的发射处进行的第二次调制。
优选的，所述的副载波信号的上边带频谱包含以下成分：m·fcw n·(fsc±δfsc)；其中m是载波的谐波数，n是子载波的谐波数，fcw为主载波频率，δfsc为单边频率。
优选的，步骤4)中所述的接收机的到达角度为，距离待测移动标签最近的两个接收机所计算得出的到达角α1和α2。
优选的，根据距离待测移动标签最近的两个接收机的各天线的坐标，和两个到达角α1和α2，通过最小二乘法解出标签的位置坐标。
优选的，步骤3)中所述的阵列有源天线为增益为gr的两根直线阵天线，两根直线阵天线的间距为d，
一种基于蓝牙反向散射的室内定位装置，包括射频源、待测移动标签和接收机，所述待测移动标签包括编码模块、调制模块和发射模块，所述编码模块生成支持测向功能的蓝牙数据包，所述调制模块对待测移动标签的基带信号进行初次调制，所述发射模块将初次调制的信号利用反向散射原理与主载波进行混合；所述接收机包括射频接收模块、定位计算模块、电源模块，所述射频接收模块接收待测移动标签反向散射发送的射频波束并进行解调，所述定位计算模块对解调的信号进行到达角度计算，进而计算得到待测移动标签在室内的位置坐标，从而实现定位，所述电源模块为接收机提供工作电源。
优选的，数个所述接收机分别布置于室内的固定位置，所述射频源布置在由数个接收机围成的区域中心。
本发明具有以下有益效果：
1)在待测移动标签附近设置一个射频源，射频源发送固定的主载波信号，待测移动标签收到后加入自身的信息并通过反向散射给接收机，由于射频源距离待测移动标签较近，从而减少了中间路径的损失，扩大了待测移动标签和接收机之前的通信距离；
2)通过两次调制，使得经过调制后的混合信号能够落入在ble的广告信道中，蓝牙协议的兼容可以使得接收机变得更加通用，有效降低了设备成本；
3)本发明方法在定位中有着较高的稳定性，误差率较低，整个发明装置的体积小，功率低，适宜在室内环境，尤其是物联网定位中广泛应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明方法的aoa定位示意图；
图3为本发明装置的结构示意图；
图4为ble广告数据包帧结构；
图5为在ble广告频道中的fsk信号；
图6为本发明装置的测试场景；
图7为基于反向散射的aoa定位误差分布图；
图8为aoa定位误差分布图；
图9为基于反向散射和没有反向散射两种情况的位置估计累积分布图。
具体实施方式
本发明是一种基于蓝牙反向散射的室内定位方法和装置，如图1所示为本方法的流程图，主要步骤如下：
1)在室内的固定位置布置数个接收机，数个接收机所围成的区域内设置射频源，待测移动标签位于数个接收机所围成的区域中；射频源发射主载波信号，所述主载波信号频段在接收机检测频段内，主载波信号的频率远离接收机接收信道的中心频率；由于主载波源直接发射到接收机的信号功率远大于反向散射调制后到达接收机的信号功率，为了在接收机端避免反向散射调制后的信号淹没于主载波源直接发射的信号中，主载波的频率要与接收信道的中心频率保持尽可能远的距离。
2)待测移动标签自动生成支持测向功能的蓝牙数据包，该蓝牙数据包为待测移动标签自动生成的基带信号，蓝牙数据包包括的信息有：前导、接入地址、报头、报文、循环冗余校验和固定频率扩展信号，所述蓝牙数据包在数据包协议数据单元(pdu)的循环冗余校验(crc)后嵌入一个常量音调扩展(cte)的附加字段；cte是一种没有经过调制的信号，以蓝牙载波频率加上250khz的频率发送，持续16μs至160μs，所述常量音调扩展的附加字段由“1”组成未白化序列，传输时间足够长，能够让接收机提取蓝牙数据包中的iq数据，而不会对调制产生干扰效果。本发明所采用的待测移动标签通过纽扣电池进行供电。
主载波和副载波为固定频率，主载波由射频源产生，副载波由标签内的模拟电路或fpga产生，标签内还由单片机产生基带信号，基带信号经过副载波的调制后，使得主载波和调制后的基带信号的混合信号落在ble的广告信道中，且与由传统ble设备发送的ble广告分组不可区分；它们出现在相同的信道中，具有相同的调制方式和相同的分组格式。
ble在2.4000ghz至2.483ghz的频段进行工作，其中这些频段被分为40个信道，每个信道1mhz带宽，信道与信道之间的距离为2mhz。在ble协议中，指定了37个数据信道和3个广告信道(ch37在2.402ghz，ch38在2.426ghz，ch39在2.480ghz)，这些广告信道提供了一种无连接的信标模式。广告包的结构如图4所示，在这个模式下，这个通信方式非常适合传输反向散射的上行链路，因为所有ble兼容的接收机都要定期调频到广告信道以接收信标包的内容，这样保障了反向散射的上行链路数据可以兼容通用的ble接收机。
兼容相关的频谱如图5所示，ble的物理层是基于1.0mbps的高斯频移键控(gfsk)调制的，ble接收机期望接收以信道中心频率fc为中心的二进制fsk信号，单边频率δfsc在185khz到500khz之间。低于信道中心频率fc的频率偏差表示为逻辑“0”(fsc,0)，高于信道中心频率fc的频率偏差表示逻辑“1”(fsc,1)。高斯滤波器用来限制调制后(第一次调制)信号的频谱宽度，达到限制频谱宽度及功率消耗的目的。
为了将待测移动标签的基带信号与主载波混合后的信号落在ch38中，要在待测移动标签的基带信号上进行一次调制，并且经过副载波调制后需要采用希尔伯特变换保留基带信号的上边带，当主载波使用副载波进行反向散射调制时，所得的上边带频谱包含以下成分：
m·fcw n·(fsc±δfsc)
其中m是载波的谐波数，n是子载波的谐波数，fcw为主载波频率，δfsc为单边频率。
由于标签内是采用数字调制的方式，经过副载波一次调制后的信号是一个方波，外置主载波源产生的正弦波与经过副载波一次调制后的方波在待测移动标签天线的发射处进行二次调制。经过反向散射，二次调制后的信号波形的基波是可以与ble规范兼容的带通信号，并且可以被广告信道所正常接收解调。
3)接收机上设置有阵列的有源天线，接收机对于反向散射信号数据包的iq数据进行采样，并在阵列中的每个有源天线之间切换，由于信号的相位是线性变化的，所以可以计算出信号的相位差，这种相位差是由于阵列中的每个天线与单一信号发射天线(射频源的天线)的距离差异导致的；计算出信号的相位差
其中λ为信号的波长，d为有源天线之间的距离，
4)根据接收机的到达角度，以接收机为起点形成的射线的交点即可确定待测移动标签的位置。接收机的到达角度为，距离待测移动标签最近的两个接收机所计算得出的到达角α1和α2。如图2所示，a1和a2为两个接收机的位置，坐标分别为a1(x1,y1)和a2(x2,y2)，假设待测移动标签的位置坐标为t(x,y)，则他们之间满足：
利用最小二乘法可以得到待测移动标签t的位置坐标，待测移动标签是用一个天线发送支持测向功能的蓝牙数据包，通过接收机的多天线组接收数据包，并基于aoa算法进行定位。
如图6所示，为本发明的一种实施例，空间为10mx10m的正方形空间，4个接收机a1、a2、a3和a4分别位于正方形空间每条边的中点上，主载波发射源m位于正方形空间的正中央，待测移动标签则位于以4个接收机为顶点所围成的正方形区域中。
在视距传播路径下，反向散射系统的链路预算类似于双基地雷达装置，其中射频源和接收机被物理分离，接收机的接收功率计算为：
其中，d1为从射频源到待测移动标签的距离；d2为从待测移动标签到接收机的距离；pt为射频源的发射功率；gt为射频源的天线增益；gr为接收机的天线增益；δσ为查分雷达散射截面，计算如下式：
其中，gn为待测移动标签天线的增益，共轭匹配反射系数γ*为：
za为谐振天线阻抗，zl为复负载阻抗(复数形式的负载阻抗)。
外置射频源发射固定频率的正弦主载波，其发射功率为pt，天线增益为gt，待测移动标签中产生蓝牙协议中规定的cte信号，并且经过固定频率副载波的单边带调制后，与外置主载波进行反向散射，待测移动标签天线的增益为gn。za、zl1和zl2为实测结果。每个接收机配有两根间距为d，增益为gr的直线阵天线，接收机的灵敏度为定值。此外，为了以低误码率(ber≤0.1％)接收bfsk信号，要求接收机接受信号的信噪比snr至少为7db。
在本发明实施例的场景中(不含边界线)，对定位位置的准确度进行测试，方法为每间隔0.5m设置一个测试标签，每个位置的测试标签重复测试100次，接收机采用aoa算法，每次计算角度时采样160个cte信号中的iq样本，并根据其相位变化的线性模型估计测试标签反射信号的到达角。每次定位采取与标签距离最近的两个接收机进行接收，通过计算得出两个到达角，根据接收机各天线的坐标和两个到达角度，通过最小二乘法解出测试标签的位置坐标，并且计算所有标签位置的定位误差。
图7所示为采用本发明方法所测得的不同区域的定位误差，图8为没有反向散射情况下基于aoa标准定位的不同区域定位误差，所测得的区域为5mx5m的三角形区域，通过对比可以发现，在测试三角形的内部区域，不管反向散射是否考虑在内，定位误差都比较小，都在0.1m以下；基于反向散射的蓝牙定位，在测试三角形的斜边区域的定位误差比没有反向散射的高，其中基于反向散射的定位误差是从0.2266m到0.3074m；然而在测试三角形的直角边区域，基于反向散射的蓝牙定位的误差要比没有反向散射的误差更低，其中反向散射误差是0.1865m，没有反向散射误差是0.2175m。
图9为基于反向散射和没有反向散射两种情况的位置估计累积分布函数，从图中可以看出，尽管基于反向散射情况下的误差大于没有反向散射的误差，但是两种情况发生大误差的频率都较低；另外，我们计算得到基于反向散射的定位平均误差是0.1425m，没有反向散射的平均误差是0.0461m。通过对比可知，在测试区域内，采用基于反向散射的蓝牙aoa定位并不会显著地降低定位精度，可以与标签直接发射的蓝牙aoa定位有着同级别的平均误差。所以，反向散射技术在小体积、低功耗的前提下，还有着较优的定位性能。
本发明还提供了一种基于蓝牙反向散射的室内定位装置，主要包括射频源、待测移动标签和接收机，所述待测移动标签包括编码模块、调制模块和发射模块，所述编码模块生成支持测向功能的蓝牙数据包，所述调制模块对待测移动标签的基带信号进行初次调制，所述发射模块将初次调制的信号利用反向散射原理与主载波进行混合；所述接收机包括射频接收模块、定位计算模块、电源模块，所述射频接收模块接收待测移动标签反向散射发送的射频波束并进行解调，所述定位计算模块对解调的信号进行到达角度计算，进而计算得到待测移动标签在室内的位置坐标，从而实现定位，所述电源模块为接收机提供工作电源。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。
1.一种基于蓝牙反向散射的室内定位方法，其方法包括以下步骤：
1)在室内的固定位置布置数个接收机，数个接收机所围成的区域内设置射频源，待测移动标签处于数个接收机所围成的区域中；射频源发射主载波信号，所述主载波信号频段在接收机检测频段内，主载波信号的频率远离接收机接收信道的中心频率；
2)待测移动标签自动生成一个支持测向功能的蓝牙数据包构成基带信号，射频源发射的主载波和基带信号在待测标签内经过调制混合后，落在ble的广告信道中；
3)接收机上设置有阵列的有源天线，接收机对蓝牙数据包的反向散射信号进行采样，并在阵列中的每个有源天线之间切换，计算出信号的相位差，根据
其中λ为信号的波长，d为有源天线之间的距离，
4)根据接收机的到达角度，以接收机为起点形成的射线的交点即可确定待测移动标签的位置。
2.根据权利要求1所述的基于蓝牙反向散射的室内定位方法，其特征在于：步骤2)中所述的蓝牙数据包在数据包协议数据单元的循环冗余校验后嵌入一个常量音调扩展的附加字段，所述常量音调扩展的附加字段由“1”组成未白化序列，以蓝牙载波频率加上250khz的频率发送，持续16μs至160μs。
3.根据权利要求1所述的基于蓝牙反向散射的室内定位方法，其特征在于：步骤2)中的主载波和基带信号在待测移动标签内调制的次数为两次。
4.根据权利要求3所述的基于蓝牙反向散射的室内定位方法，其特征在于：所述的两次调制分别为副载波在待测移动标签内对基带信号的一次调制，且在调制后采用希尔伯特变换保留被副载波调制后的基带信号的上边带，所述副载波由待测移动标签内部的模拟电路或fpga产生；以及外置主载波和经过一次调制后的基带信号在待测移动标签天线的发射处进行的第二次调制。
5.根据权利要求4所述的基于蓝牙反向散射的室内定位方法，其特征在于：所述的副载波信号的上边带频谱包含以下成分：m·fcw n·(fsc±δfsc)；
其中m是载波的谐波数，n是子载波的谐波数，fcw为主载波频率，δfsc为单边频率。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于蓝牙反向散射的室内定位方法，其特征在于：步骤4)中所述的接收机的到达角度为，距离待测移动标签最近的两个接收机所计算得出的到达角α1和α2。
7.根据权利要求6所述的基于蓝牙反向散射的室内定位方法，其特征在于：根据距离待测移动标签最近的两个接收机的各天线的坐标，和两个到达角α1和α2，通过最小二乘法解出标签的位置坐标。
8.根据权利要求1所述的基于蓝牙反向散射的室内定位方法，其特征在于：步骤3)中所述的阵列有源天线为增益为gr的两根直线阵天线，两根直线阵天线的间距为d，
9.一种基于蓝牙反向散射的室内定位装置，其特征在于：包括射频源、待测移动标签和接收机，所述待测移动标签包括编码模块、调制模块和发射模块，所述编码模块生成支持测向功能的蓝牙数据包，所述调制模块对待测移动标签的基带信号进行初次调制，所述发射模块将初次调制的信号利用反向散射原理与主载波进行混合；所述接收机包括射频接收模块、定位计算模块、电源模块，所述射频接收模块接收待测移动标签反向散射发送的射频波束并进行解调，所述定位计算模块对解调的信号进行到达角度计算，进而计算得到待测移动标签在室内的位置坐标，从而实现定位，所述电源模块为接收机提供工作电源。
10.根据权利要求9所述的基于蓝牙反向散射的室内定位装置，其特征在于：数个所述接收机分别布置于室内的固定位置，所述射频源布置在由数个接收机围成的区域中心。
技术总结