一种基于多天线的单站高精度三维定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多天线的单站高精度三维定位方法，本发明专利技术基于多天线，采用俯仰角、方位角和时延联合测量方法来估计定位参数，通过联合俯仰、方位角和时延估计分离对定位精度影响较大的多径信号，从而抑制多径的影响，提高定位参数的估计精度，进一步实现高精度的单站三维定位。该方法适用于WiFi、5G、UWB等多种信号体制，能够实现低成本的单站三维定位，在智慧城市、智慧建造、室内导航、商场按需营销、安全监控管理、防走失等领域有广泛的应用前景。

A Single-station High Precision Three-dimensional Positioning Method Based on Multi-antenna

The invention discloses a single-station high-precision three-dimensional positioning method based on multi-antenna. The method adopts a joint measurement method of elevation angle, azimuth angle and time delay to estimate positioning parameters. The multi-path signal which has a great influence on positioning accuracy is separated by joint elevation, azimuth angle and time delay estimation, thereby restraining the influence of multi-path, improving the estimation accuracy of positioning parameters, and advancing. One step realizes high precision single station three-dimensional positioning. This method is suitable for WiFi, 5G, UWB and other signal systems. It can realize low-cost single-station three-dimensional positioning. It has wide application prospects in smart city, smart construction, indoor navigation, on-demand marketing of shopping malls, safety monitoring and management, anti-loss and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多天线的单站高精度三维定位方法
本专利技术涉及一种阵列信号处理
的无线信号单站三维定位方法，尤其涉及一种基于多天线阵列对无线信号三维到达角(方位角、俯仰角)和时差联合估计的单站定位方法，用于针对基站端采用多天线阵列情况下的信号源的三维到达角和传输时延估计以实现单站三维定位。
技术介绍
近年来，室内定位与位置服务呈现出巨大的市场空间，在室内导航、商场按需营销、智慧城市、安全监控管理、防走失等方面有广泛的应用。据市场研究公司ABI最近发布的一份报告，到2018年，全球室内定位市场的规模将达到50亿美元。由此，室内定位获得了技术界和产业界的极大关注。定位服务是物联网和位置大数据的基础，在消费者和企业服务领域均有广泛应用场景。随着WiFi网络覆盖范围的快速扩展和5G移动通信技术的推广应用，基于WiFi和5G的室内定位技术成为近几年来的一个研究热点，但现有技术仍难以满足一些位置服务应用对定位精度的要求。由此，室内定位获得了技术界和产业界的极大关注，但当前主流方法都存在着各种各样的问题，例如，超宽带(UWB)：功率受限、成本高、普及率低；RFID:需海量布署、普及率低；MEMS:易产生累积误差，可用作高精度室内定位的补充和增强手段；伪卫星:存在干扰/法规、需布设专用基站、仅适用于专用终端等问题。另外，普及率相对较高的蓝牙、WiFi场强匹配定位，如苹果公司推出的iBeacon，也存在着难以实现高精度(普遍精度5-8米)、热点覆盖不连续、维护工作量巨大等问题。室内环境中无线信道的多径和非直达波传播是高精度室内无线定位面临的最大挑战。但针对下一代WiFi和5G高密度部署场景设计室内定位方案有以下有利条件：(1)为提高通信传输速率和系统容量，下一代WiFi和5G将使用MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技术，基站或AP(AccessPoint)配置的天线数量成倍增加，多天线阵列的使用为高精度AOA测量提供了支撑；(2)高密度基站分布情况下，同一个用户信号通常可被多个基站接收到，为多基站协作定位提供了条件；(3)下一代WiFi和5G将使用更大的频率带宽，为高精度测距提供了有利支撑。但目前还没有成熟的单站三维定位技术。目前比较成熟的定位精度最高的超宽带定位技术UWB通常可实现十厘米级的定位精度，但要实现三维定位需同时部署多个接受基站，成本较高。因此，有必要发展一种适用于WiFi、5G、UWB等多种信号体制的低成本、高精度单站三维定位技术。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于多天线的单站高精度三维定位方法。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：本专利技术通过采用俯仰角、方位角和时延联合测量的方式来估计三维定位参数，同时抑制多径对定位误差的影响，在仰角、方位角和时延联合测量中，采用交叉迭代的方式避免多维度参数搜索从而显著降低计算复杂度，实现三维定位参数的快速估计，具体方法包括以下步骤：1)基于波束形成器获得三维角度的初始估计；2)基于三维角度的初始估计，估计信号的时延参数；3)基于所得时延参数估计，计算包含角度参数信息的非结构化矩阵；4)进一步估计信号的三维角度参数。优选的，三维角度参数的估计是在基站端采用多天线构成圆阵或面阵对信号的角度进行估计。优选的，对定位信号的三维角度和时延同时进行估计。优选的，所述的波束形成器为：通过谱峰搜索来估计角度的初始值。优选的，对信号时延参数的估计通过一维搜索来估计：优选的，对信号三维角度参数的估计通过采用交替搜索方式来把二维搜索转化为多个一维搜索，从而避免二维搜索。本专利技术一种基于多天线的单站高精度三维定位方法的用途，该方法可用于WiFi、5G、UWB等各种信号体制下的三维定位参数估计，从而实现这些信号体制下的单站三维定位。本专利技术的有益效果在于：本专利技术是一种基于多天线的单站高精度三维定位方法，与现有技术相比，本专利技术基于多天线，采用俯仰角、方位角和时延联合测量方法来估计定位参数，通过联合俯仰、方位角和时延估计分离对定位精度影响较大的多径信号，从而抑制多径的影响，提高定位参数的估计精度，进一步实现高精度的单站三维定位。该方法适用于WiFi、5G、UWB等多种信号体制，能够实现低成本的单站三维定位，在智慧城市、智慧建造、室内导航、商场按需营销、安全监控管理、防走失等领域有广泛的应用前景。附图说明图1是本专利技术的高精度三维定位方法在不同信噪比情况下对定位参数的估计精度；图2是本专利技术的高精度三维定位方法在不同多径信号角度分离情况下对定位参数的估计精度；图3是本专利技术的高精度三维定位方法在不同多径信号时延分离情况下对定位参数的估计精度。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种适用于WiFi、5G、UWB等多种信号体制的低成本、高精度单站三维定位技术，基于多天线阵列，通过同时测量无线信号的三维到达角和传播时延实现高精度单站三维定位。本专利技术采用的天线阵列接收信号向量的样本通常表示为：一个M阵元的任意分布(2D平面或3D)的阵列，一个窄带信号s(t)经过L个多径反射远场入射阵列，时延(TDs)分别为t1,L,tL，入射方位角为q1,L,qL，俯仰角为f1,L,fL。则第m个阵元在时刻tn的输出可以表示为其中n＝1,L,N,bl是第l个多径的复数衰减系数。假设在较短的采样时间片段内bl,是与时间t不相关的量。复数信号s(t)已知。wm(tn)是零均值高斯白噪声。令表示第m个阵元的位置向量，然后第m个阵元在方向(q,f)上的激烈向量可以表示为其中l是波长，ρ＝[cosqcosf,sinqcosf,sinf]T是方向(q,f)对应的3D单位向量，是第m个阵元接收信号相对于阵列原点的距离差。阵列输出可以表示成向量形式其中,x(tn)＝[x1(tn),L,xM(tn)]Tw(n)＝[w1(tn),L,wM(tn)]Ta(q,f)＝[a1(q,f),L,aM(q,f)]T.在频域，第m个阵元的接收信号在离散频点k，0#kK，可表示为其中K是离散频点数或子载波数。Xm(wk),S(wk)和Wm(wk)分别是xm(tn),s(tn)和wm(tn)的离散傅里叶变换。写成向量形式，阵列输出在频域可以表示为x(k)＝D(k)β+w(k)(4)其中β＝[b1,L,bL]T，以及x(k)＝[X1(wk),L,XM(wk)]T,w(k)＝[W1(wk),L,WM(wk)]T,所述方法具体包括以下步骤：第一步(初始化，计算初始参数)：在给定前l-1个多径信号的参数时，记为l-1维的向量和第l个多径的方位和俯仰角通过下式估计得到其中以及第二步(计算时延参数)：定义给定估计对l＝1,L,L，估计tl和bl第三步(计算非结构化矩阵)：基于第二步得到的参数估计非结构化矩阵来B如下第四步(计算角度参数)：基于以上所得参数进一步估计三维角度(方位角、俯仰角)参数在第一步中给出了一个方位角和仰角参数的初始化方案，由于联合最大似然估计的目标函数是非凸的，ML估计的性能与初始化是密切相关的。在第二步中，利用了向量u(k,τ)中仅第l个元素是与tl和bl相关的特点，基于此在给定时可以单独估计tl和bl。在第二步中，为矩阵的第l列，即由于仅矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多天线的单站高精度三维定位方法，其特征在于：通过采用俯仰角、方位角和时延联合测量的方式来估计三维定位参数，同时抑制多径对定位误差的影响，在仰角、方位角和时延联合测量中，采用交叉迭代的方式避免多维度参数搜索从而显著降低计算复杂度，实现三维定位参数的快速估计，具体方法包括以下步骤：1)基于波束形成器获得三维角度的初始估计；2)基于三维角度的初始估计，估计信号的时延参数；3)基于所得时延参数估计，计算包含角度参数信息的非结构化矩阵；4)进一步估计信号的三维角度参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于多天线的单站高精度三维定位方法，其特征在于：通过采用俯仰角、方位角和时延联合测量的方式来估计三维定位参数，同时抑制多径对定位误差的影响，在仰角、方位角和时延联合测量中，采用交叉迭代的方式避免多维度参数搜索从而显著降低计算复杂度，实现三维定位参数的快速估计，具体方法包括以下步骤：1)基于波束形成器获得三维角度的初始估计；2)基于三维角度的初始估计，估计信号的时延参数；3)基于所得时延参数估计，计算包含角度参数信息的非结构化矩阵；4)进一步估计信号的三维角度参数。2.根据权利要求1所述的基于多天线的单站高精度三维定位方法，其特征在于：三维角度参数的估计是在基站端采用多天线构成圆阵或面阵对信号的角度进行估计。3.根据权利要求1所述的基于多...

【专利技术属性】
技术研发人员：文飞，宋文斌，魏新，柳祚飞，郑望贤，彭笛，
申请(专利权)人：成都旸谷信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51