專利名稱：高精度的超寬帶無線定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)，特別涉及超寬帶(UWB)無線通信技術(shù)，具體是一種采 用超寬帶的高精度的無線定位方法。
背景技術(shù)：
超寬頻帶無線通信技術(shù)是一種不用載波，采用小于納秒時長的不連續(xù)脈沖進(jìn)行通 信的一種無線通信技術(shù)。由于UWB使用小于納秒時長的超短脈沖進(jìn)行通信，其信號功率被 擴(kuò)散在從0到數(shù)十GHz的超寬頻帶范圍內(nèi)，這種獨特的通信機(jī)制使其與目前頻域通信技術(shù) 相比具有對信道衰落不敏感、發(fā)射功率低、與其它無線系統(tǒng)可以共存、多徑分辨能力強(qiáng)、抗 干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜度低、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點，因而在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，在精確 測距和定位、短距離高速通信(IOOMbps-IGbps)、雷達(dá)探測、防偵聽抗干擾保密通信等多個 軍用和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。為了實現(xiàn)基于超寬帶的無線定位，已有的相關(guān)的硬件設(shè)備主要有移動待定位終 端、定位基站及定位服務(wù)器組成。其中，移動待定位終端是在定位區(qū)域內(nèi)移動的，需要定位的終端，一般是功率低 (幾毫瓦特)的超寬帶發(fā)射裝置，包括一些目前廣泛使用的移動通訊設(shè)備。定位基站是由分布在定位區(qū)域內(nèi)的定位基站，可以接收待定位終端發(fā)送的UWB信 號，并進(jìn)行互相關(guān)，計算信號傳播時延，最后能夠?qū)⒂嬎阒蛋l(fā)送給定位服務(wù)器。一般由三個 以上的定位基站。定位服務(wù)器一般是一臺計算機(jī)，可以接收來自于定位基站發(fā)送的傳播時延，并對 其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、執(zhí)行定位算法。目前較常用的定位技術(shù)大都是基于測距進(jìn)行的，這是因為，非基于距離的定位技 術(shù)一般定位精度較差，且需要大量基站(位置已知的終端)的配合。最常用的定位方法 有基于接收信號到達(dá)時間估計的TOA(Time of Arrival)和TDOA(Time Difference of Arrival)、基于接收信號強(qiáng)度估計的RSS(Received Signal Strength)和基于到達(dá)角度估 計的AOA (Angle of Arrival)。UWB脈沖由于具有極高的帶寬，持續(xù)時間達(dá)到ns級，因而具 有很強(qiáng)的時間分辨能力。所以為了充分利用UWB時間分辨能力強(qiáng)這個特性，使用T0A、TD0A 估計的定位技術(shù)是最適合于UWB的。在這兩種方法中影響測量誤差的主要因素就是傳輸時 延測量的精確度。傳統(tǒng)的方法需要發(fā)送端和接收端使用共同的參考時鐘，才能完成傳輸時 延的測量，而基于導(dǎo)頻序列與接收信號相關(guān)器的傳輸時延最大似然估計的方法不需要發(fā)送 端和接收端使用共同的參考時鐘，這樣可以很大程度上減少測量誤差，其定位的一般步驟 如下(如圖1所示)A、系統(tǒng)初始化包括基站和定位服務(wù)器的硬件安裝；也包括服務(wù)器的軟件安裝；B、待定位終端發(fā)射單個UWB脈沖信號(即脈沖序列)；C、定位基站接收信號并計算信號傳播時延；D、定位基站將傳播時延計算結(jié)果發(fā)送給定位服務(wù)器；
Ε、定位服務(wù)器接收各個基站的傳播時延；
F、定位服務(wù)器計算各個基站的測距結(jié)果；G、定位服務(wù)器應(yīng)用TOA或TDOA基于距離的定位算法對待定位終端進(jìn)行定位。以上步驟中對定位結(jié)果影響最大的是步驟E中傳播時延的計算；目前常用的有兩 種方法來計算傳播時延。門限值法設(shè)定相關(guān)器的門限，如果相關(guān)器的輸出大于該門限值則觸發(fā)信號的捕 捉，該時刻即為信號傳播時延。但是這種方法中門限值的選擇非常困難如果門限值太大， 則接收機(jī)就不能檢測出導(dǎo)頻序列，導(dǎo)致測得的脈沖傳播時延值偏大；如果門限值太小，則相 關(guān)器的小峰值的信號也會錯誤地觸發(fā)信號捕捉，導(dǎo)致測得的脈沖傳播時延值偏小。峰值法獲取相關(guān)器輸出的最大值所對應(yīng)的時刻為信號的傳播時延。由于無線信 道的多徑、發(fā)射、衍射等干擾很有可能造成相關(guān)器輸出峰值對應(yīng)的時刻并不是真正信號的 傳播時延，所以就會對時間測量值造成很大的誤差。此外，雖然多次測量取平均值的方法雖然在一定程度上可以使定位精度得到改 善，但是在復(fù)雜的無線環(huán)境下，其精度還是不理想。而且在有多徑、折射等復(fù)雜的無線環(huán)境 下，其測量誤差也并不是服從0均值的高斯分布，所以不適合使用平均值的數(shù)據(jù)處理方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高精度的超寬帶無線定位方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)測量精 度不高的不足。本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了“用待定位終端的最大移動速度ν對傳播時 延的測量值進(jìn)行后向過濾”，從而解決了現(xiàn)有技中難以處理誤差偏大的數(shù)據(jù)的問題；又在該 “后向過濾”之后增加了 “取傳播時延的最大概率測量值作為最終所使用的傳播時延”，從而 解決了在復(fù)雜的無線環(huán)境下無法取得精確值的問題，最終獲得每一個待定位終端的高精度 的定位坐標(biāo)。一種高精度的超寬帶無線定位方法，包括以下步驟Α、系統(tǒng)初始化主要包括設(shè)定每次定位的測距次數(shù)N、各個基站的時鐘偏移、待定 位終端的最大可能移動速度V、各個基站的時鐘偏移以及脈沖信號的傳播速度C ；B、由待定位終端發(fā)射UWB脈沖信號；C、由各定位基站接收脈沖信號并計算脈沖信號的傳播時延τ ；D、由各定位基站將傳播時延τ的計算結(jié)果發(fā)送給定位服務(wù)器；Ε、由定位服務(wù)器接收各個定位基站發(fā)送的傳播時延τ ；F、由定位服務(wù)器計算各個基站的測距結(jié)果；G、最后，根據(jù)上述定位服務(wù)器的測距結(jié)果由定位服務(wù)器按照TOA或TDOA定位算法 而計算出待定位終端的定位坐標(biāo)；其特征在于在上述步驟E后，依次有步驟E1-用待定位終端的最大可能移動速度ν 對傳播時延的測量值τ進(jìn)行后向過濾，以及步驟E2-取傳播時延的最大概率測量值作為最 終所使用的傳播時延。上述步驟E1中的后向過濾是1)計算待定位終端相對于本定位基站的上次定位與本次定位的距離之差δ ；
2)計算待定位終端在上次定位與本次定位的時間間隔內(nèi)的最大可能位移L ；3)若1)中的距離之差δ大于最大可能位移L則將δ過濾掉，否則進(jìn)行步驟氏 的數(shù)據(jù)處理。上述步驟1)包括通過脈沖信號的傳播速度C和上次定位計算出的傳播時延τ ^，而計算出上次定位 時待定位終端與本定位基站的距離Ltl = C τ ^ ；以及通過脈沖信號的傳播速度C和本次測量 的傳播時延τ，而計算出本次定位時待定位終端與本定位基站的距離L = C τ ；并得到待定 位終端相對于本定位基站的上次定位與本次定位的距離差δ = L-k。上述步驟2)包括 通過待定位終端的最大可能移動速度ν與兩次定位的時間間隔即定位周期T，而 得到待定位終端的最大可能位移Lmax = vT。上述步驟3)包括如果距離之差δ大于最大可能位移Lmax，則將該δ過濾掉；否則該δ將參與步驟 E2的處理。上述步驟3)執(zhí)行完畢后，判斷本次定位是否是第N次測距，如果是則繼續(xù)執(zhí)行下 述的步驟E2,否則返回步聚B由待定位終端繼續(xù)發(fā)送脈沖信號。上述步驟E2包括1)在步驟3)的未過濾掉的時延中，找出最小和最大的兩個時延以確定一個兩端 點分別為最小和最大時延的區(qū)間；2)根據(jù)需要的定位精度將1)的區(qū)間等分成若干個子區(qū)間；3)在定位服務(wù)器中統(tǒng)計出現(xiàn)在每個子區(qū)間內(nèi)的傳播時延的個數(shù)；4)找出包含時延個數(shù)最多的那個子區(qū)間；5)求出4)中子區(qū)間內(nèi)的各個傳播時延的平均值τ ’，并以該平均值作為本次定位 中本定位基站與待定位終端的傳播時延。上述高精度的超寬帶無線定位方法應(yīng)用于基于距離的定位算法中的TOA或TDOA 算法以對待定位終端進(jìn)行定位。本發(fā)明通過用待定位終端的最大移動速度ν對傳播時延的測量值進(jìn)行后向過濾， 從而解決了現(xiàn)有技中難以處理誤差偏大的數(shù)據(jù)的問題；通過取傳播時延的最大概率測量值 作為最終所使用的傳播時延，比現(xiàn)有的計算傳播時延的方法更加精確，因此定位的可靠性 高，定位準(zhǔn)確迅速，抗干擾能力強(qiáng)，且無須增加額外的硬件設(shè)備，而廣泛地應(yīng)用于各種無線 設(shè)備的定位。采用本發(fā)明在ΙΕΕΕ802. 15. 3a提供的信道模型下進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)無論是在通信條 件好的環(huán)境下(距離近、視距、發(fā)射信號功率大等)還是通信條件不好(距離遠(yuǎn)、非視距、發(fā) 射信號功率低等)的環(huán)境下，使用上述的步驟E1和步驟E2后，可以大大提高步驟E中傳播 時延的計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而保證步驟F中測距結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，表1所示的是真實 距離為2，4，6，8米時，進(jìn)行了 100次測量后，使用本發(fā)明進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與測量平均值進(jìn)行數(shù) 據(jù)處理的對比?？梢园l(fā)現(xiàn)用本發(fā)明的測量值的誤差明顯小于平均值法的測量值。表1真實距離為2，4，6，8米時本發(fā)明的測量值與平均值法的測量值


圖1是現(xiàn)有的傳統(tǒng)定位方法流程圖。圖2是本發(fā)明的步驟E1和步驟E2的流程圖。圖3是本發(fā)明的總體流程圖。
具體實施例方式下面是本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了 “用待定位終端的最大移動速度ν對傳 播時延的測量值進(jìn)行后向過濾”，以及“取傳播時延的最大概率測量值作為最終所使用的傳 播時延”，最終獲得每一個待定位終端的高精度的定位坐標(biāo)。如圖3所示，本發(fā)明包括以下步驟A、系統(tǒng)初始化主要包括設(shè)定每次定位的測距次數(shù)N、各個基站的時鐘偏移、待定 位終端的最大可能移動速度ν以及脈沖信號的傳播速度C ；B、由待定位終端發(fā)射UWB脈沖信號；C、由各定位基站接收脈沖信號并計算脈沖信號的傳播時延τ ；D、由各定位基站將傳播時延τ的計算結(jié)果發(fā)送給定位服務(wù)器；Ε、由定位服務(wù)器接收各個定位基站發(fā)送的傳播時延τ ；F、由定位服務(wù)器計算各個基站的測距結(jié)果；G、最后，根據(jù)上述定位服務(wù)器的測距結(jié)果由定位服務(wù)器按照TOA或TDOA定位算法 而計算出待定位終端的定位坐標(biāo)；其特征在于在上述步驟E后，依次有步驟E1-用待定位終端的最大移動速度ν對 傳播時延的測量值τ進(jìn)行后向過濾，以及步驟E2-取傳播時延的最大概率測量值作為最終 所使用的傳播時延。本發(fā)明定位時，待定位終端根據(jù)其設(shè)置，定時發(fā)送大于5個的納秒時長的脈沖信 號。所有接收到該脈沖信號的定位基站，對每個脈沖信號分別與導(dǎo)頻序列進(jìn)行互相關(guān)運算， 計算出其脈沖延遲時間；并將計算結(jié)果傳輸給定位服務(wù)器；然后在定位服務(wù)器端，利用待 定位終端的最大移動速度對測量結(jié)果進(jìn)行后向過濾，濾掉誤差偏大的數(shù)據(jù)；再通過劃分多 個精度區(qū)間的方法計算求出出現(xiàn)概率最大的測量值；用該值減去時鐘偏移再乘以光速即為 兩個基站之間的距離；最后再根據(jù)距離或距離差以及參考基站的位置坐標(biāo)，采用TOA或者 TDOA定位算法確定待測終端的空間位置。上述的Α、系統(tǒng)初始化，還包括定位基站的安裝如果是二維定位，則至少需要3個定位基站；如果是三維定位則 至少需要4個定位基站。定位服務(wù)器的安裝在定位服務(wù)器端要求能夠接收到各個定位基站發(fā)送(可以通過傳統(tǒng)的射頻通信、UffB通信、有線通信等方式)過來的信號傳播時延。軟件配置主要在定位服務(wù)器上進(jìn)行軟件的安裝、待定位終端的定位周期、每次定 位的測距次數(shù)N(即發(fā)送脈沖信號的個數(shù))、各個基站的時鐘偏移、待定位終端的最大移動 速度V、信號傳播速度C等，并通過無線發(fā)送給待定位終端，完成對待定位終端的設(shè)置。上述的B、待定位終端發(fā)射多個UWB脈沖信號，包括當(dāng)待定位終端要進(jìn)行定位時，就會根據(jù)預(yù)先的設(shè)置發(fā)送N個脈沖信號，每個脈沖 信號完成一次測距，每次定位要進(jìn)行多次測距。上述的C、定位基站接收脈沖信號并計算信號傳播時延，包括 定位基站接收脈沖信號，并將接收到的脈沖信號與導(dǎo)頻序列進(jìn)行互相關(guān)。此時相 關(guān)器輸出的信號的幅度會隨著接收信號與導(dǎo)頻序列的相似性而改變，相似程度越高，相關(guān) 器輸出越大，相關(guān)器的峰值對應(yīng)的時移即為本次信號的傳播時延τ。再進(jìn)行步驟D、由各定位基站將傳播時延τ的計算結(jié)果發(fā)送給定位服務(wù)器；和Ε、 由定位服務(wù)器接收各個定位基站發(fā)送的傳播時延τ。如圖2所示，本發(fā)明的步驟E1、用待定位終端的最大移動速度ν對傳播時延的測量 值τ進(jìn)行后向過濾，即1)通過脈沖信號的傳播速度C和上次定位計算出的傳播時延τ ^，而計算出上次 定位時待定位終端與本定位基站的距離Ltl = C τ ^ ；以及通過脈沖信號的傳播速度C和本次 測量的傳播時延τ，而計算出本次定位時待定位終端與本定位基站的距離L = C τ ；并得到 待定位終端相對于本定位基站的上次定位與本次定位的距離差(即位移差)δ = L-L0 ；2)通過待定位終端的最大移動速度ν與兩次定位的時間間隔即定位周期Τ，而得 到待定位終端最大可能位移Lmax = νΤ ；3)如果位移之差δ大于最大可能位移Lmax，則將該δ過濾掉；否則該δ將參與 步驟E2的處理，此時是將距離之差δ的絕對值IL-LcJ與最大可能位移Lmax作比較；步驟3)執(zhí)行完畢后，判斷本次定位是否是第N次測距，如果是則繼續(xù)執(zhí)行下述的 步驟E2,否則返回步驟B由待定位終端繼續(xù)發(fā)送脈沖信號。步驟E1的“后向過濾”是檢驗上次定位與本次定位中，待定位終端相對于本定位基 站的位移是否超過了其最大的可能位移L。如果超過了，則說明本次測量值存在很大的誤 差而偏離實際情況，故將其過濾掉，不參與步驟E2的處理；否則該傳播時延是合理的，可以 參與步驟E2的處理。如果本次定位是首次定位，則只要將系統(tǒng)預(yù)先給定的一個傳播時延值 τ Q作為上次定位的傳播時延即可進(jìn)行運算；也可直接使用“零”值，即此時的τ ^ = 0，從而 L0 = 0，貝丨J δ = L-L0 = L。如圖2，本發(fā)明的E2、取傳播時延的最大概率測量值作為最終所使用的傳播時延， 即1)在未過濾掉的時延中，找出最小時延Tmin和最大時延τ _而確定一個兩端點 分別為最小和最大時延的區(qū)間，即[Tmin，TfflJ ；2)將1)的區(qū)間等分成若干個子區(qū)間；子區(qū)間的具體數(shù)量是由定位精度與區(qū)間 [Tmin，TfflaJ共同決定——要求的定位精度越大，子區(qū)間的個數(shù)應(yīng)該越多，通常將， TfflaJ等分成M個子區(qū)間后，需要滿足傳播速度C與(Tmax-Tmin)/M的乘積比定位精度低一 個數(shù)量級，也可將[Tmin，TfflaJ等分成至少十個以上的子區(qū)間；
3)在定位服務(wù)器中統(tǒng)計出現(xiàn)在每個子區(qū)間內(nèi)的傳播時延的個數(shù)；4)找出包含時延個數(shù)最多的那個子區(qū)間；5)求出4)中子區(qū)間內(nèi)的各個傳播時延的平均值τ ’，并以該平均值作為本次定位 本定位基站與待定位終端的傳播時延。步驟E2之后是采用現(xiàn)有的F、定位服務(wù)器計算各個定位基站的測距結(jié)果將每一個定位基站在E2中求得的時延τ，減去因為發(fā)送和接收所造成的時鐘偏 移再乘以信號傳播速度，即為該定位基站的測距結(jié)果，其中，如果是二維定位，則至少需要3 個定位基站；如果是三維定位則至少需要4個 定位基站。然后是G、定位服務(wù)器計算待定位終端所在的坐標(biāo)根據(jù)所有基站傳輸?shù)臏y距結(jié)果，采用現(xiàn)有的計算方法如Τ0Α、TDOA等計算出待定 位終端在本次定位中的坐標(biāo)。之后待下一次定位周期來到后，將進(jìn)行下一輪定位計算。
權(quán)利要求
一種高精度的超寬帶無線定位方法，包括以下步驟A、系統(tǒng)初始化主要包括設(shè)定每次定位的測距次數(shù)N、各個基站的時鐘偏移、待定位終端的最大可能移動速度v以及脈沖信號的傳播速度C；B、由待定位終端發(fā)射UWB脈沖信號；C、由各定位基站接收脈沖信號并計算脈沖信號的傳播時延τ；D、由各定位基站將傳播時延τ的計算結(jié)果發(fā)送給定位服務(wù)器；E、由定位服務(wù)器接收各個定位基站發(fā)送的傳播時延τ；F、由定位服務(wù)器計算各個基站的測距結(jié)果；G、最后，根據(jù)上述定位服務(wù)器的測距結(jié)果由定位服務(wù)器按照TOA或TDOA定位算法而計算出待定位終端的定位坐標(biāo)，其特征在于在上述步驟E后，依次有步驟E1-用待定位終端的最大可能移動速度v對傳播時延的測量值τ進(jìn)行后向過濾，以及步驟E2-取傳播時延的最大概率測量值作為最終所使用的傳播時延。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于上述步驟E1中的后向過濾是1)計算待定位終端相對于本定位基站的上次定位與本次定位的距離之差δ；2)計算待定位終端在上次定位與本次定位的時間間隔內(nèi)的最大可能位移L；3)若1)中的距離之差δ大于最大可能位移L則將δ過濾掉，否則進(jìn)行步驟E2的數(shù) 據(jù)處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位方法，其特征在于上述步驟1)包括通過脈沖信號的傳播速度C和上次定位計算出的傳播時延τ ^，而計算出上次定位時待 定位終端與本定位基站的距離Ltl = C τ ^ ；以及通過脈沖信號的傳播速度C和本次測量的傳 播時延τ，而計算出本次定位時待定位終端與本定位基站的距離L = C τ ；并得到待定位終 端相對于本定位基站的上次定位與本次定位的距離差δ = L-k。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位方法，其特征在于上述步驟2)包括通過待定位終端的最大可能移動速度ν與兩次定位的時間間隔即定位周期T，而得到 待定位終端最大可能位移Lmax = vT。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位方法，其特征在于上述步驟3)包括如果距離之差δ大于最大可能位移Lmax，則將該δ過濾掉；否則該δ將參與步驟E2 的處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位方法，其特征在于上述步驟3)執(zhí)行完畢后，判斷本次定 位是否是第N次測距，如果是則繼續(xù)執(zhí)行下述的步驟E2,否則返回步驟B由待定位終端繼續(xù) 發(fā)送脈沖信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于上述步驟E2包括1)在未過濾掉的時延中，找出最小和最大的兩個時延以確定一個兩端點分別為最小和 最大時延的區(qū)間；2)根據(jù)需要的定位精度將上述1)的區(qū)間等分成若干個子區(qū)間；3)在定位服務(wù)器中統(tǒng)計出現(xiàn)在每個子區(qū)間內(nèi)的傳播時延的個數(shù)；4)找出包含時延個數(shù)最多的那個子區(qū)間；5)求出上述4)中子區(qū)間內(nèi)的各個傳播時延的平均值τ’，并以該平均值作為本次定位本定位基站與待定位終端的傳播時延。
8.權(quán)利要求1所述的定位方法應(yīng)用于基于距離的定位算法中的TOA或TDOA算法以對 待定位終端進(jìn)行定位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度的超寬帶無線定位方法。包括A、系統(tǒng)初始化；B、發(fā)射UWB脈沖信號；C、接收并計算脈沖信號的傳播時延τ；D、發(fā)送傳播時延τ的計算結(jié)果；E、接收傳播時延τ；F、計算各個基站的測距結(jié)果；G、最后，按照TOA或TDOA定位算法而計算出待定位終端的定位坐標(biāo)；其特征在于在上述步驟E后，還依次用待定位終端的最大移動速度v對傳播時延的測量值τ進(jìn)行后向過濾，并且取傳播時延的最大概率測量值作為最終所使用的傳播時延。本發(fā)明的定位方法可靠性高，定位準(zhǔn)確迅速，抗干擾能力強(qiáng)，且無須增加額外的硬件設(shè)備，而廣泛地應(yīng)用于各種無線設(shè)備的定位。
文檔編號H04B1/69GK101883426SQ20101020951
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月19日
發(fā)明者呂婷婷, 屠曉東, 崔學(xué)榮, 張麗, 張 浩, 王景景 申請人:中國海洋大學(xué)