[发明专利]一种UWB室内定位方法

说明书

本发明公开了一种UWB室内定位方法，先利用顺序聚类算法改进了粒子群算法(PSO)，使其具有求解复杂多峰函数优化问题的能力。其次根据MB‑OFDM‑UWB信号的特点，利用空时MUSIC算法来估计室内多径信号的波达方向(DOA)和到达时间(TOF)，并将空时MUSIC算法的空间谱函数作为改进PSO的目标函数，来快速搜索出直达波的DOA。最后使用AOA定位算法实现了UWB信号的室内定位。本方法能够在多径信号中准确识别出直达波的DOA，且相较MUSIC算法大幅降低了谱峰搜索的用时，提升了定位速度。

技术领域

本发明涉及室内定位领域，特别是指一种UWB室内定位方法。

背景技术

在室内环境中，由于墙壁、障碍物等的存在使信号产生反射和折射，从而导致多径效应的出现，使定位系统产生较大误差。MUSIC(Multiple Signal Classification多信号分类)算法是1979年由美国人R.O.Schmidt提出的，它标志着空间谱估计测向进入了繁荣发展的阶段。它将“向量空间”的概念引入了空间谱估计领域，经过三十年的发展，可以说其理论已经比较成熟。MUSIC算法是一种基于矩阵特征空间分解的方法，具有高精度和高分辨的特点，是估计DOA参数的经典算法之一。MUSIC算法主要由两个环节组成：其一是构建空间谱函数，其二是对空间谱函数进行谱峰搜索估计出入射信号的参数。

TOA定位方法，主要是根据测量接收信号在基站和移动台之间的到达时间，然后转换为距离，从而进行定位。空时MUSIC算法不仅能够估计DOA，还能同时估计每簇多径信号的飞行时间(TOF)，因此其可用于室内环境下多径信号的直达波识别，进而有效解决AOA定位算法在多径环境中失效的问题。但是，空时MUSIC算法在谱峰搜索环节采用的是等步长的网格搜索方法，在高精度要求下，网格搜索会产生巨大的计算量导致搜索时间长，最终影响空时MUSIC算法的估计性能。

因此，需要一种能够快速求解复杂多峰函数优化问题的搜索方法，来替代网格搜索，从而实现高精度、快速的DOA估计及室内定位。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有定位方法采用网格搜索方法，产生巨大的计算量导致搜索时间长、影响MUSIC算法的估计性能的缺陷，提出一种UWB室内定位方法，能实现UWB室内高精度、快速的直达波识别和定位。

本发明采用如下技术方案：

一种UWB室内定位方法，其特征在于，将信源的k个多径相干信号入射到具有M个阵元的均匀直线阵列，将均匀直线阵列分为p个相互交错子阵，每个子阵的阵元数为M，建立接收数据的模型，定位方法包括如下步骤：

1)通过L次快拍采样接收数据，计算数据协方差矩阵的最大似然估计，使用前向空间平滑算法修正数据协方差矩阵；

2)对数据协方差矩阵进行特征值分解，构建空间谱函数；

3)采用小生境PSO找出空间谱函数中的全部极大值点，按照函数值降序排列，取前k个点，再找出其中到达时间最小的极大值点，该点对应的DOA即直达波的波达方向；

4)使用AOA算法计算出信源的坐标。

所述接收数据的模型如下：

X(t)＝AS(t)+N(t)

其中X(t)是阵列的接收数据矢量，A是阵列的导向矩阵，其表达式为：A＝[a(θ₁，τ₁)，a(θ₂，τ₂)，...，a(θ_k，τ_k)]，式中a(θ_i，τ_i)是第i个信号的导向矢量，θ_i和τ_i分别是第i个信号的波达方向和到达时间，表达式为：