【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于物联网无线定位，具体涉及一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法。
技术介绍
0、技术背景
1、随着智能化设备的普及，当前物联网技术发展迅速，智慧工厂、智能交通管理等基于位置的服务已全面普及与应用，给社会经济与民生发展带来了深刻影响，也激发了学术界与产业界对于无线定位技术的广泛关注。
2、以基于全球卫星导航系统和移动通信无线接入网为代表的定位技术在定位领域已经取得了巨大的影响力与优势。然而，这两种代表性的无线定位技术在面对物联网技术的典型应用场景，如深度密集城市、室内场景等复杂环境时，其在可访问性、覆盖等方面受环境影响受到严重的性能降级。此外，以基于蓝牙和无线保真网为代表的局域网络辅助定位手段因为服务半径有限，无法提供连续稳定的定位保障。同时，上述无线定位方法都需要专用的硬件设备，导致系统结构复杂，泛用性差。综上所述，目前仍缺乏一种能够在城市物联网应用场景中提供连续定位服务能力的网络系统。
3、泛在无线感知是指利用环境中无处不在的无线射频信号，包括wi-fi、4g/5g、rfid和蓝牙信号等，对环境中的人和物实现感知的技术。利用这些泛在无线信号，可扩展连续无线定位服务覆盖范围，同时只需使用一套集成硬件系统即可完成对泛在信号的处理，实现室内定位、轨迹追踪等多种类型的应用。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提供一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，以解决现有技术在物联网定位场景中信号体制异构从而导致硬件结构冗余、系统
2、本专利技术所提供的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，所建立的系统环境如下：
3、在由多个泛在信号基站为用户提供定位服务的场景中，基站的集合为m＝{1，…，m}，用户的集合为l＝{1，…，l}。具体而言，基站-m在全局坐标系下的位置坐标为用户-l在全局坐标系下的位置坐标为这里全局坐标系是指物理世界中的绝对坐标系，与之相对的是用户端的阵列天线本体坐标系。用户端配备h×v直角型平面阵列天线，阵列天线阵元的集合表示为a＝{1，…，h+v-1}。为叙述方便，假定阵列天线的中心即为用户的位置所在，即用户-l的阵列天线中心在全局坐标系下的位置坐标与用户-l的位置坐标相同，为以下只针对单一用户-l展开方法叙述，对于其它用户定位测姿方法的过程相同。由m个泛在信号基站发射信号，用户-l接收来自m个泛在信号基站发射的信号，将在其阵列天线本体坐标系中通过测角算法测得的m组包含方位角与高度角θ信息的信号到达角记为需要指出的是该m组信号到达角与m个泛在信号基站并不存在对应关系，这正是本方法所关注的关键问题。由于信号到达角在用户-l的阵列天线本体坐标系下测得，需将m组信号到达角转换到全局坐标系下进行对用户-l在全局坐标系下的位置坐标解算，因此需要首先明确全局坐标系与用户-l阵列天线本体坐标系的转换关系。设全局坐标系是以og为原点的右手笛卡尔坐标系xg-yg-zg，以用户-l的阵列天线中心在全局坐标系下的坐标ul为原点ou-l建立右手笛卡尔坐标系作为用户-l处的阵列天线本体坐标系。假设用户-l的空间姿态角(欧拉角)，也即用户-l阵列天线本体坐标系相对全局坐标系的旋转变换角为其中表示用户-l围绕旋转的翻滚角，表示用户-l围绕旋转的俯仰角，表示用户-l围绕旋转的航向角。用户-l在阵列天线本体坐标系下测得的m个泛在信号基站发射信号到达角需要根据用户-l的空间姿态角φl转换到全局坐标系下参与对用户-l的位置解算，同时用户-l的空间姿态角φl本身也是一个待估计量。为叙述方便，下文只考虑用户-l围绕旋转的航向角，即最终结合m个泛在信号基站发射信号在用户-l阵列天线本体坐标系下的信号到达角信息与各基站在全局坐标系下的坐标，即可在用户端完成其在全局坐标系下位置坐标与姿态角的解算。现将本方法总体实现过程概述如下：
4、第一步，建立全局坐标系与用户端阵列天线本体坐标系，并确定两者转换关系；
5、第二步，m个泛在信号基站发射信号，用户-l利用h×v直角型平面阵列天线同时接收m个泛在信号基站的信号；
6、第三步，在用户端进行阵列信号处理，基于music算法测得m个泛在信号基站发射信号在用户-l处的信号到达角
7、第四步，用户-l结合m组信号到达角信息与各泛在信号基站在全局坐标系下的位置坐标，基于最小二乘残差多泛在信号基站使能用户定位测姿方法，求解用户-l在全局坐标系下的位置坐标与姿态角
8、上述步骤中，主要涉及以下关键技术要点：
9、(1)全局坐标系与阵列天线本体坐标系的建立与互相转换
10、全局坐标系采用“东-北-天”(enu)当地地理坐标系，在应用场景中选取某个参考点作为全局坐标系坐标原点og，xg指向当地的东向方向，yg指向当地北向，zg指向天顶。在全局坐标系中，m个泛在信号基站的空间位置坐标表示为用户-l的空间位置坐标表示为
11、用户处的h×v直角型平面阵列天线存在自身本体坐标系，以用户-l为例，其阵列天线本体坐标系的坐标原点取为(1，1)阵元所在位置，垂直于阵列天线平面，由围绕顺时针旋转90°得到，阵列天线本体坐标系满足右手笛卡尔坐标系准则。为叙述方便，认为用户-l阵列天线本体坐标系坐标原点在全局坐标系下的位置坐标即为用户-l在全局坐标系下的位置坐标
12、在本方法中，用户端接收信号的到达角估计在阵列天线本体坐标系下完成，而用户的位置解算过程采用全局坐标系进行描述。因此，在利用到达角测量结果解算用户位置姿态前，需要将到达角测量结果所对应的三维方向向量进行由本体坐标系至全局坐标系的坐标变换。采用旋转矩阵与欧拉角(即用户的空间姿态角)对用户接收信号到达角对应的方向向量进行三维空间坐标变换。欧拉角描述的是全局坐标系og-xgygzg按照zg-yg-xg的顺序围绕全局坐标系自身坐标轴旋转得到本体坐标系的过程。全局坐标系围绕其zg-yg-xg轴旋转的角度分别用符号和表示，其角度正值方向为逆时针方向。根据上述定义，全局坐标系围绕其zg-yg-xg轴的三步旋转过程可以分别用如下旋转矩阵表示：
13、
14、
15、
16、对上述三个矩阵按x-y-z这一逆序进行左乘运算，即可得到由阵列天线本体坐标系到全局坐标系的旋转矩阵：
17、
18、
19、若某一泛在信号基站-m的发射信号在用户-l阵列天线本体坐标系下测得的方位角和高度角分别为和θm，则其到达角在用户-l阵列天线本体坐标系下对应的方向向量可以表示为：
20、
21、则该泛在信号基站-m的发射信号在全局坐标系下对应的方向向量可以通过对左乘用户-l对应的旋转矩阵得到，即：
22、
23、按照上述步骤即可完成用户-l处所测得的某一泛在信号基站-m的发射信号在用户-l阵列天线本体坐标系下的方位角和高度角θm本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：全局坐标系采用“东-北-天”ENU当地地理坐标系，在应用场景中选取某个参考点作为全局坐标系坐标原点OG，XG指向当地的东向方向，YG指向当地北向，ZG指向天顶；在全局坐标系中，M个泛在信号基站的空间位置坐标表示为用户-l的空间位置坐标表示为
3.根据权利要求2所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：用户处的H×V直角型平面阵列天线存在自身本体坐标系，用户-l阵列天线本体坐标系坐标原点在全局坐标系下的位置坐标即为用户-l在全局坐标系下的位置坐标
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：若某一泛在信号基站-m的发射信号在用户-l阵列天线本体坐标系下测得的方位角和高度角分别为和θm，则其到达角在用户-l阵列天线本体坐标系下对应的方向向量表示为：
5.根据权利要求4所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使
6.根据权利要求5所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：由信号子空间与噪声子空间之间的正交特性可知，噪声子空间矩阵En中的各个特征向量与直线型阵列天线导向矢量互相正交，即：
7.根据权利要求6所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：噪声子空间矩阵En的获取方法如下：
8.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：设已测得M个泛在信号基站所发射信号在用户端阵列天线本体坐标系下的到达角将用户端各信号到达角在全局坐标系下所对应的方向向量与各泛在信号基站在全局坐标系下的位置坐标通过排列组合的方式进行匹配，则共有：
9.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：将在阵列天线本体坐标系下所测到达角对应的方向向量转换为全局坐标系下的方向向量即：
10.根据权利要求9所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：联立M个泛在信号基站所对应的方程，构建非线性方程组：
...【技术特征摘要】
1.一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：全局坐标系采用“东-北-天”enu当地地理坐标系，在应用场景中选取某个参考点作为全局坐标系坐标原点og，xg指向当地的东向方向，yg指向当地北向，zg指向天顶；在全局坐标系中，m个泛在信号基站的空间位置坐标表示为用户-l的空间位置坐标表示为
3.根据权利要求2所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：用户处的h×v直角型平面阵列天线存在自身本体坐标系，用户-l阵列天线本体坐标系坐标原点在全局坐标系下的位置坐标即为用户-l在全局坐标系下的位置坐标
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：若某一泛在信号基站-m的发射信号在用户-l阵列天线本体坐标系下测得的方位角和高度角分别为和θm，则其到达角在用户-l阵列天线本体坐标系下对应的方向向量表示为：
5.根据权利要求4所述的一种基于最小二乘残差的泛在信号使能定位测姿方法，其特征在于：用s(k)表示在第k个采样点对应的时...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘荣科，孟泉宇，王妍哲，祝倩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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