一種基于脈沖幅度比值指紋的天線陣列單基站定位方法

1.一種基于脈沖幅度比值指紋的天線陣列單基站定位方法，其特征在于，包括以下步驟：
1)建立指紋數(shù)據(jù)庫：
(1)從已知入射角θ發(fā)射超寬帶UWB信號，測得每個天線接收到的信號強度，找到信號強度最大的兩個天線，并確定所屬的角度區(qū)間；
(2)根據(jù)公式(7)得到一個歸一化的比值R，即R＝(最大幅度-次大幅度)/次大幅度，在每個角度區(qū)間內(nèi)，R為一單調(diào)函數(shù)，均勻分布在0～1之間；
其中：
其中θ0為天線波束的軸線間距，k是與半功率波束寬度有關(guān)的一個常量，接收信號幅度最大的天線序號為n號，次強的天線序號為(n-1)號；A為UWB信號到達天線序號為n號和天線序號為(n-1)號天線處的幅度；
(3)在每個角度區(qū)間內(nèi)，用曲線擬合或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式建立入射角θ與R的指紋對照關(guān)系；
2)利用指紋數(shù)據(jù)庫進行測量信號的到達角度AOA估計：
(1)在估計AOA時，首先測量所有天線接收到的信號強度，找到信號強度最大的兩個天線，根據(jù)這兩個天線的序號，確定在哪個角度區(qū)間；
(2)根據(jù)所述公式(7)得到一個歸一化的比值R；
(3)在所述角度區(qū)間通過一定的指紋比對方法查詢與比值對應(yīng)的角度，即為估計的AOA；
3)進行脈沖到達時間TOA估計：使用傳統(tǒng)的方法測得TOA，進而計算出距離；
4)進行UWB無線定位：根據(jù)AOA和TOA估計值，再利用傳統(tǒng)的UWB定位算法，進行基于UWB的無線定位。

一種基于脈沖幅度比值指紋的天線陣列單基站定位方法\n技術(shù)領(lǐng)域\n[0001] 本發(fā)明涉及的是一種基于脈沖幅度比值指紋的天線陣列單基站定位方法。\n背景技術(shù)\n[0002] 隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，21世紀的世界將很快從網(wǎng)絡(luò)時代進入無線互聯(lián)時代。新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如WiFi、WiMax、ZigBee、Ad hoc、BlueTooth和UltraWideBand(UWB)，在辦公室、家庭、工廠、公園等大眾生活的方方面面得到了廣泛應(yīng)用，基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)的應(yīng)用更加具有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)投資銀行Rutberg公司、無線數(shù)據(jù)研究集團和國際數(shù)據(jù)公司等的預(yù)測，網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)將在未來的3年內(nèi)達到幾百億甚至上千億美元的營業(yè)收入，而無線定位技術(shù)的應(yīng)用將在其中占有至少上百億美元的份額。\n除了全球定位系統(tǒng)(GPS)在導(dǎo)航和室外環(huán)境的應(yīng)用定位以外，人們對室內(nèi)定位、短距離定位等應(yīng)用不甚了解。未來無線定位技術(shù)的趨勢是室內(nèi)定位與室外定位相結(jié)合，實現(xiàn)無縫的、精確的定位。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還不能完全滿足這個要求，而UWB技術(shù)由于功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點，在眾多無線定位技術(shù)中脫穎而出，成為未來無線定位技術(shù)的熱點。\n[0003] 目前，UWB定位技術(shù)的理論研究與應(yīng)用開發(fā)在美國與歐洲均受到廣泛的關(guān)注。在美國，已經(jīng)有了廣泛的軍事應(yīng)用，而民用市場也正在發(fā)展之中。目前一個典型的UWB定位系統(tǒng)需要用3個以上參考基站來確定一個UWB標簽的3維位置，為保證精度，所有基站使用時鐘電纜互聯(lián)以保持精確的納秒級別的時間同步。定位參考基站接收定位標簽所發(fā)送的UWB脈沖，測量脈沖到達的時間(TOA)或到達不同基站之間的時間差(TDOA)或到達各個基站的到達角度(AOA)，則可以確定定位標簽到各個參考基站的距離，從而可以通過標簽與參考基站之間的位置關(guān)系確定定位標簽的三維位置。\n[0004] 而該系統(tǒng)存在許多誤差源。發(fā)送端的誤差包括待測點傳送代碼序列的處理時間、從MAC層到信道的等待時間以及在物理層比特的傳輸時間；空間傳播誤差主要是無線鏈路的傳播環(huán)境帶來的時延；接收端誤差包括物理層比特的接收時間和代碼序列傳送到應(yīng)用層的時間。此外，還有NLOS影響、接收噪聲與參考點之間的同步以及求解方程帶來的誤差等，都是在設(shè)計系統(tǒng)時需要注意的問題。\n發(fā)明內(nèi)容\n[0005] 鑒于目前現(xiàn)有的TDOA/AOA UWB多參考基站定位機制的局限與不足，本發(fā)明提出了一種基于脈沖幅度比值指紋的基于天線陣列的單參考基站的高精度UWB定位方法，來克服多參考基站系統(tǒng)在安裝部署、時間同步等方面的不足。從而可以降低對系統(tǒng)時鐘精度的要求，降低成本及系統(tǒng)復(fù)雜度，降低安裝與部署的難度。\n[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：\n[0007] 一種基于脈沖幅度比值指紋的天線陣列單基站定位方法，包括以下步驟：\n[0008] 1)建立指紋數(shù)據(jù)庫：\n[0009] (1)從已知入射角θ發(fā)射UWB信號，測得每個天線接收到的信號強度，找到信號強度最大的兩個天線，并確定所屬的角度區(qū)間；\n[0010] (2)根據(jù)公式(7)得到一個歸一化的比值R，即R＝(最大幅度-次大幅度)/次大幅度，在每個角度區(qū)間內(nèi)，R為一單調(diào)函數(shù)，均勻分布在0～1之間；\n[0011] \n[0012] 其中：\n[0013] \n[0014] 其中θ0為天線波束的軸線間距，k是與半功率波束寬度有關(guān)的一個常量，接收信號幅度最大的天線序號為n號，次強的天線序號為(n-1)號；A為UWB信號到達天線序號為n號和天線序號為(n-1)號天線處的幅度；\n[0015] (3)在每個角度區(qū)間內(nèi)，用曲線擬合或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式建立入射角θ與R的指紋對照關(guān)系；\n[0016] 2)利用指紋數(shù)據(jù)庫進行A0A估計：\n[0017] (1)在估計AOA時，首先測量所有天線接收到的信號強度，找到信號強度最大的兩個天線，根據(jù)這兩個天線的序號，確定在哪個角度區(qū)間；\n[0018] (2)根據(jù)所述公式(7)得到一個歸一化的比值R；\n[0019] (3)在所述角度區(qū)間通過一定的指紋比對方法查詢與比值對應(yīng)的角度，即為估計的AOA；\n[0020] 3)進行TOA估計：使用傳統(tǒng)的方法測得TOA，進而計算出距離；\n[0021] 4)進行UWB無線定位：根據(jù)AOA和TOA估計值，再利用傳統(tǒng)的UWB定位算法，進行基于UWB的無線定位。\n[0022] 通過以上方法，使用脈沖幅度的測量替代了以往脈沖到達微量時間差的測量，可以避免因使用微量時間差的測量來計算信號到達角度所需要的高精度時鐘，從而簡化了基站的設(shè)備要求，同時因為幅度的測量比較簡單且精度較高，亦可提高系統(tǒng)的定位精度。仿真的結(jié)果表明，使用脈沖幅度測量來計算AOA的誤差可控制在0.1度以內(nèi)。\n附圖說明\n[0023] 圖1為基于天線陣列的單基站超寬帶無線定位方法示意圖；\n[0024] 圖2為使用天線陣列測量入射角示意圖；\n[0025] 圖3為天線陣列理想方向圖；\n[0026] 圖4為天線的歸一化增益示意圖；\n[0027] 圖5為天線幅度歸一化比值R；\n具體實施方式\n[0028] 以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。\n[0029] 1.基于天線陣列的單基站定位原理\n[0030] 基于天線陣列的單基站超寬帶無線定位算法是通過TDOA和AOA聯(lián)合定位技術(shù)彌補兩種技術(shù)的缺點實現(xiàn)單基站、精確定位。系統(tǒng)由天線陣列、6-1交換機(即射頻交換器)、目標節(jié)點、參考基站(內(nèi)含射頻模塊、基帶模塊及主處理器CPU等)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。\n該方法使用帶天線陣列的單個參考基站同時測量目標節(jié)點與參考基站之間的距離和目標節(jié)點所發(fā)射脈沖到達參考基站的到達角度，從而獲得標簽的三維位置。\n[0031] 其中參考基站與目標節(jié)點之間的距離測量與傳統(tǒng)的系統(tǒng)一樣，例如：通過測量脈沖從參考基站到目標節(jié)點、再從目標節(jié)點反射回參考基站、減去參考基站與目標節(jié)點內(nèi)部電路處理時間所用的總時長，從而確定標簽與基站之間的距離。\n[0032] 使用天線陣列的一個關(guān)鍵問題就是如何測量目標節(jié)點所發(fā)射脈沖到達參考基站的角度，這也是影響定位精度的主要因素。目前測量AOA的主要手段是通過測量脈沖信號到達兩個不同天線的時間差Δd計算實現(xiàn)的，如圖2和公式 所示。由于天線之間的距離l不會非常大，因此測得AOA的精度將非常差，相應(yīng)的定位精度也非常差，同時由于需要測量距離差，所以還對時鐘精度要求非常高。\n[0033] 為了解決該問題，我們提出了采用脈沖幅度的測量來取代脈沖到達時間的測量，從而實現(xiàn)了高精度AOA的測量。如圖1所示，系統(tǒng)工作時，依次使UWB信號通過各個天線接收通道進入系統(tǒng)；UWB信號被天線接收后，通過6-1交換機進行放大、濾波、AD量化后送到參考基站的主處理器進行處理；主處理器主要完成信號的檢測、方向估算和開關(guān)控制等功能；\n通過比較當前各個天線信號幅度中最大的兩個天線的信號幅度，進而得到AOA。\n[0034] 為了說明通過信號幅度測量AOA的基本原理，假設(shè)天線陣列采用六單元圓形陣列，即由6面定向天線組成的天線陣列覆蓋360°空間，天線陣列通過6到1的射頻交換相連至參考基站，各天線幅度特性完全一致。實際使用中也可以采用四天線、八天線或十天線系統(tǒng)。6面定向天線陣列理想方向圖如圖3所示。\n[0035] 假設(shè)按照圖3所示的角度，即X軸正方向為0度，逆時針旋轉(zhuǎn)為正方向，第0、1、2、\n3、4、5號天線波束的軸線角分別為0、60度、2*60度、3*60度、4*60度、5*60度。假設(shè)每個天線具有一致的幅度特性，其方向圖對應(yīng)的函數(shù)為F(θ)，因此第n個天線對應(yīng)的方向圖為F(θ+n*60)，可以得到表1，各天線歸一化增益示意圖如圖4所示。\n[0036] 表1天線陣列工作特性\n[0037] \n[0038] 通過圖3和圖4可以看出在每個30度的區(qū)間內(nèi)，均有2個相鄰天線的接收信號最強，如表2所示，根據(jù)這兩個最強的天線即可得到到達角度。主要有兩種方法：一種為公式法，另一種為信號指紋法。對于信道環(huán)境良好，無惡劣的多徑、反射、干擾等或者未建立信號指紋數(shù)據(jù)庫時可以使用公式法。對于信道環(huán)境惡劣，例如室內(nèi)環(huán)境時，無法建立入射角與接收到的信號強度的幾何關(guān)系式時應(yīng)該使用信號指紋法。\n[0039] 表2各角度區(qū)間內(nèi)信號最強的兩個天線\n[0040] \n區(qū)間 接收信號最強的兩個天線\n0～30度 天線0信號最強，其次是天線1\n30～60度 天線1信號最強，其次是天線0\n60～90度 天線1信號最強，其次是天線2\n90～120度 天線2信號最強，其次是天線1\n120～150度 天線2信號最強，其次是天線3\n[0041] \n150～180度 天線3信號最強，其次是天線2\n180～210度 天線3信號最強，其次是天線4\n210～240度 天線4信號最強，其次是天線3\n240～270度 天線4信號最強，其次是天線5\n270～300度 天線5信號最強，其次是天線4\n300～330度 天線5信號最強，其次是天線0\n330～360度 天線0信號最強，其次是天線5\n[0042] 2.脈沖幅度比值\n[0043] 為了分析方便，以高斯型的方向圖為例進行分析，假設(shè)UWB信號入射方向角為θ，此時第n個天線方向圖可表示為式1。\n[0044] \n[0045] 其中θ0為天線波束的軸線間距，例如六單元圓形陣列中θ0為60度，即π/3；k是與半功率波束寬度(Antenna Beam Width，即相對最大輻射方向場強下降到 倍處的夾角，也稱為3dB波束寬度)有關(guān)的一個常量。\n[0046] 設(shè)半功率波束寬度為α，則根據(jù)第0個天線即可計算得到k：\n[0047] \n[0048] 例如，某天線的半功率波束寬度為90度，即α＝π/2則：\n[0049] \n[0050] 所以：\n[0051] \n[0052] 為了推導(dǎo)接收信號幅度與入射角度的關(guān)系，假設(shè)接收信號幅度最大的天線序號為n號，次強的天線序號為(n-1)號。假設(shè)天線陣列距離目標節(jié)點的距離足夠遠，此時UWB信號到達兩個天線處的幅度是近似相同的，假設(shè)為A，則n號天線和(n-1)號天線接收到的信號幅度分別為：\n[0053] \n[0054] \n[0055] 設(shè)信號幅度比值R為式7，\n[0056] \n[0057] 將(5)和(6)代入(7)得：\n[0058] \n[0059] 即\n[0060] \n[0061] 將式(9)兩邊取對數(shù)得：\n[0062] \n[0063] \n[0064] \n[0065] 所以由(10)可以得到：\n[0066] \n[0067] 3.基于脈沖幅度比值指紋法的AOA估計\n[0068] 基于脈沖幅度比值的AOA估計分為兩步，第一步為建立指紋數(shù)據(jù)庫的階段，要求采集的樣本要覆蓋天線陣列周圍360度的范圍，分辨率越高越好；第二步為利用指紋數(shù)據(jù)庫進行AOA測量的階段。\n[0069] 1)建立指紋數(shù)據(jù)庫\n[0070] (1)從已知入射角θ發(fā)射UWB信號，測得每個天線接收到的信號強度，找到信號強度最大的兩個天線(如表2所示)，并根據(jù)表2確定所屬的角度區(qū)間。\n[0071] (2)根據(jù)公式(7)得到一個歸一化的比值R，即R＝(最大幅度-次大幅度)/次大幅度，對應(yīng)的圖形如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)在每個角度區(qū)間內(nèi)，R為一單調(diào)函數(shù)，均勻分布在\n0～1之間。\n[0072] (3)在每個角度區(qū)間內(nèi)，用曲線擬合或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方式建立入射角θ與R的指紋對照關(guān)系。\n[0073] 2)利用指紋數(shù)據(jù)庫進行AOA估計\n[0074] (1)在估計AOA時，首先測量所有天線接收到的信號強度，找到信號強度最大的兩個天線，根據(jù)這兩個天線的序號，可以確定在哪個角度區(qū)間。例如：如果天線2信號最強，其次是天線3，則該區(qū)間一定位于120～150度之間。\n[0075] (2)根據(jù)公式(7)得到一個歸一化的比值R。\n[0076] (3)在上述角度區(qū)間通過一定的指紋比對方法查詢與比值對應(yīng)的角度，即為估計的AOA。\n[0077] 然后進行TOA估計：使用傳統(tǒng)的方法(Maria-Gabriella，D.Benedetto and G.Giancola，超寬帶無線電基礎(chǔ)vol.1-1.北京：電子工業(yè)出版社，2005.)測得TOA，進而計算出距離。\n[0078] 最后進行UWB無線定位：根據(jù)AOA和TOA估計值，再利用傳統(tǒng)的UWB定位算法(參考文獻為：Maria-Gabriella，D.Benedetto and G.Giancola，超寬帶無線電基礎(chǔ)vol.1-1.北京：電子工業(yè)出版社，2005)，進行基于UWB的無線定位。\n[0079] 通過以上方法，使用脈沖幅度的測量替代了以往脈沖到達微量時間差的測量，可以避免因使用微量時間差的測量來計算信號到達角度所需要的高精度時鐘，從而簡化了基站的設(shè)備要求，同時因為幅度的測量比較簡單且精度較高，亦可提高系統(tǒng)的定位精度。仿真的結(jié)果表明，使用脈沖幅度測量來計算AOA的誤差可控制在0.1度以內(nèi)。\n[0080] 應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。