[发明专利]高精度的超宽带无线定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及超宽带(UWB)无线通信技术，具体是一种采用超宽带的高精度的无线定位方法。

背景技术

超宽频带无线通信技术是一种不用载波，采用小于纳秒时长的不连续脉冲进行通信的一种无线通信技术。由于UWB使用小于纳秒时长的超短脉冲进行通信，其信号功率被扩散在从0到数十GHz的超宽频带范围内，这种独特的通信机制使其与目前频域通信技术相比具有对信道衰落不敏感、发射功率低、与其它无线系统可以共存、多径分辨能力强、抗干扰能力强、系统复杂度低、穿透能力强等优点，因而在全球范围内受到广泛关注，在精确测距和定位、短距离高速通信(100Mbps-1Gbps)、雷达探测、防侦听抗干扰保密通信等多个军用和民用领域均有广泛的应用前景。

为了实现基于超宽带的无线定位，已有的相关的硬件设备主要有移动待定位终端、定位基站及定位服务器组成。

其中，移动待定位终端是在定位区域内移动的，需要定位的终端，一般是功率低(几毫瓦特)的超宽带发射装置，包括一些目前广泛使用的移动通讯设备。

定位基站是由分布在定位区域内的定位基站，可以接收待定位终端发送的UWB信号，并进行互相关，计算信号传播时延，最后能够将计算值发送给定位服务器。一般由三个以上的定位基站。

定位服务器一般是一台计算机，可以接收来自于定位基站发送的传播时延，并对其进行数据处理、执行定位算法。

目前较常用的定位技术大都是基于测距进行的，这是因为，非基于距离的定位技术一般定位精度较差，且需要大量基站(位置已知的终端)的配合。最常用的定位方法有基于接收信号到达时间估计的TOA(Time of Arrival)和TDOA(Time Difference of Arrival)、基于接收信号强度估计的RSS(Received Signal Strength)和基于到达角度估计的AOA(Angle of Arrival)。UWB脉冲由于具有极高的带宽，持续时间达到ns级，因而具有很强的时间分辨能力。所以为了充分利用UWB时间分辨能力强这个特性，使用TOA、TDOA估计的定位技术是最适合于UWB的。在这两种方法中影响测量误差的主要因素就是传输时延测量的精确度。传统的方法需要发送端和接收端使用共同的参考时钟，才能完成传输时延的测量，而基于导频序列与接收信号相关器的传输时延最大似然估计的方法不需要发送端和接收端使用共同的参考时钟，这样可以很大程度上减少测量误差，其定位的一般步骤如下(如图1所示)：

A、系统初始化：包括基站和定位服务器的硬件安装；也包括服务器的软件安装；

B、待定位终端发射单个UWB脉冲信号(即脉冲序列)；

C、定位基站接收信号并计算信号传播时延；

D、定位基站将传播时延计算结果发送给定位服务器；

E、定位服务器接收各个基站的传播时延；

F、定位服务器计算各个基站的测距结果；

G、定位服务器应用TOA或TDOA基于距离的定位算法对待定位终端进行定位。

以上步骤中对定位结果影响最大的是步骤E中传播时延的计算；目前常用的有两种方法来计算传播时延。

门限值法：设定相关器的门限，如果相关器的输出大于该门限值则触发信号的捕捉，该时刻即为信号传播时延。但是这种方法中门限值的选择非常困难：如果门限值太大，则接收机就不能检测出导频序列，导致测得的脉冲传播时延值偏大；如果门限值太小，则相关器的小峰值的信号也会错误地触发信号捕捉，导致测得的脉冲传播时延值偏小。

峰值法：获取相关器输出的最大值所对应的时刻为信号的传播时延。由于无线信道的多径、发射、衍射等干扰很有可能造成相关器输出峰值对应的时刻并不是真正信号的传播时延，所以就会对时间测量值造成很大的误差。

此外，虽然多次测量取平均值的方法虽然在一定程度上可以使定位精度得到改善，但是在复杂的无线环境下，其精度还是不理想。而且在有多径、折射等复杂的无线环境下，其测量误差也并不是服从0均值的高斯分布，所以不适合使用平均值的数据处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度的超宽带无线定位方法，以克服现有技术测量精度不高的不足。

本发明在现有技术的基础上增加了“用待定位终端的最大移动速度v对传播时延的测量值进行后向过滤”，从而解决了现有技中难以处理误差偏大的数据的问题；又在该“后向过滤”之后增加了“取传播时延的最大概率测量值作为最终所使用的传播时延”，从而解决了在复杂的无线环境下无法取得精确值的问题，最终获得每一个待定位终端的高精度的定位坐标。