CN104125641A - 一种基于60GHz脉冲信号的高精度测距定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，包括定位服务器以及至少3个基站，所述基站采用基于阵列天线的切换波束进行方向性传输，待定位节点采用全向天线，所述无线定位方法包括以下步骤：（1）系统初始化；（2）依次对各基站阵列天线进行波束训练，找到各基站阵列天线与待定位节点间的最优波束指向；（3）待定位节点产生60GHz脉冲信号并发射；（4）各基站在其已确定的波束指向方向接收此60GHz脉冲信号，并对脉冲信号的到达各基站的传播时延进行记录；（5）定位服务器依次计算各个基站与待定位节点之间的距离；（6）计算待定位节点的坐标。本发明的定位方法，抗干扰能力强，定位精度高，基站端采用定向信号接收，可有效提高60GHz的测距和定位距离。

Description

一种基于60GHz脉冲信号的高精度测距定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，具体地说，是涉及一种基于60GHz脉冲信号的高精度测距定位方法。

背景技术

目前人们对室内高精度导航、定位、测距的需求越来越迫切，在很多公共服务领域，若能获取高精度定位数据，可捕获关键点发生的事件用于导航和决策。特别地，在室内机器人精确定位、生产管理(特别是对危险品的定位和监控以及对危险区域内的人员和设备进行定位和监控)等领域对厘米级高精度导航定位技术有重大需求。目前可应用于室内的无线定位技术主要有如下几种：基于无线局域网(Wireless Local Area Networks，简称WLAN)和基于ZigBee的短距离定位技术的定位精度只能到米，且系统终端功耗大，严重阻碍了该项技术的发展与应用；其他，如激光和红外线定位可以达到较高的测距定位精度，但都只能在视距(Line of Sight,简称LOS)环境下工作，即定位目标和参考基站之间不存在遮挡，且红外线容易被日光、灯光等干扰；超宽带(Ultra-Wide Band,简称UWB)是非常有前景的一种室内无线定位技术，然而其定位误差仍为分米级，不能实现真正意义上的厘米级精确定位。

60GHz毫米波信号具有比UWB信号更高的时间分辨率，具备实现厘米甚至毫米级测距和定位精度的潜力。目前60GHz通信系统采用的多是基于载波的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)或单载波频域均衡(Signal Carrier Frequency Domain Equalization,SC-FDE)通信体制，而脉冲无线定位采用脉冲持续时间远小于多径传播时延的窄脉冲，能够在接收端有效分离多径信号，具有很高的多径分辨率，因此如若采用中心频率位于60GHz的极窄脉冲进行通信定位，使用最能发挥时间分辨率高这一特点的TOA(信号到达时间估计)、TDOA(信号到达时间差估计)定位技术是最合适的，这能够有效提高定位精度。同时由于60GHz信号位于氧气吸收高峰，且高频段路径损耗较低频段要大得多，而大多数国家和组织都对60GHz的发射功率进行了限制，无法采用大功率通信，常规的全向天线定位下其巨大的能量损耗将导致其定位范围将非常有限。

发明内容

本发明为了解决现有定位技术定位精度不高，无法达到厘米级精度，提供了一种基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，用以实现厘米级定位精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，包括定位服务器以及至少3个基站，所述基站配备阵列天线，待定位节点配备全向天线，所述无线定位方法包括以下步骤：

(1)、系统初始化：确定各基站的坐标位置，以及对各个基站进行时钟同步；

(2)、依次对各基站阵列天线进行波束训练，找到各自基站阵列天线的最优波束指向，满足各基站波束指向能够将待定位节点覆盖在其波束范围内；

(3)、待定位节点产生60GHz脉冲信号并发射；

(4)、各基站在其已确定的波束指向方向接收此60GHz脉冲信号，并对脉冲信号的到达各基站的传播时延τ_k进行记录；

(5)、各基站将传播时延τ_k的记录结果发送给定位服务器，定位服务器根据D_k＝cτ_k依次计算各个基站的与待定位节点之间的距离D₁……D_n,，其中，c为光速；

(6)、定位服务器根据各基站的坐标以及各个基站与待定位节点之间的距离计算出待定位节点的坐标。

进一步的，所述基站设置的定向天线为阵列天线，天线间间隔为半个60GHz信号的波长。

进一步的，所述步骤(2)中，进行波束训练的方法为：

各基站在不同的波束指向接收待定位节点发送的60GHz脉冲信号，根据接收功率最优或信噪比最优准则找出各自基站的最优接收天线指向。

又进一步的，所述步骤(2)中，进行波束训练包括以下步骤：

(21)、预先为每个基站建立记录阵列天线波束不同指向时的波束码本，所述波束码本中的每个列向量控制一个波束指向；

(22)、待定位节点每隔一个时间段利用全向天线发送一个60GHz脉冲信号，各基站的阵列天线在不同时间段从其波束码本中选择不同的列向量，直至测试完波束码本中的所有列向量，每完成一个波束指向的信号接收，各基站计算该波束指向下信号接收功率或者计算出信噪比，确定最优接收天线指向。

进一步的，所述步骤(3)中，待定位节点产生60GHz脉冲信号的方法为：计算31阶高斯导数，取脉冲形成因子α＝0.052ns，得到基于31阶高斯导数的60GHz冲激脉冲，所述冲激脉冲频域3dB频带范围为54GHz-67GHz，所述冲激脉冲的时域脉冲宽度为150ps。

进一步，在所述步骤(4)中，每个基站将接收到的信号与发送的未经过传播延时的原始60GHz发送脉冲信号一同经过相关器，取相关器输出峰值对应的时刻即为脉冲信号的传播时延，将其记录下来。

又进一步的，在所述步骤(6)中，通过以下方法计算待定位节点的坐标(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_1-x)}^2+{(Y_1-y)}^2+{(Z_1-z)}^2}\\ \sqrt{{(X_2-x)}^2+{(Y_2-y)}^2+{(Z_2-z)}^2}\\ .\\ .\\ .\\ \sqrt{{(X_k-x)}^2+{(Y_k-y)}^2+{(Z_k-z)}^2}\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{D}_1\\ D_2\\ .\\ .\\ .\\ D_k\end{array}\right\}$

其中，(X_k,Y_k,Z_k)，是已知的参考基站的坐标(k≥3)，D_k为目标节点到第k个基站之间的距离。

再进一步的，在所述步骤(6)中，通过最小二乘法、Chan、Fang等基于测距的定位算法计算待定位节点的坐标。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，一方面充分利用了60GHz频段抗干扰能力强，定位精度高的优点，另外一方面采用阵列天线切换波束进行定向接收，提高了通信距离，实现了额定的信号功率可以支持更远的距离，解决了60GHz由于巨大能量传输损耗和发射功率限制等原因无法进行较远距离传输的问题。此外，采用60GHz窄脉冲信号，脉冲持续时间短，接收时间分辨率高，利于实现厘米级定位。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法的一种实施例流程图；

图2是波束训练时不同波束指向示意图；

图3是基于高斯31阶导函数的60GHz脉冲波形图；

图4是图3中脉冲波的功率谱密度图；

图5是根据测距原理进行定位的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有定位技术定位精度不高，无法达到厘米级精度的技术问题，本发明提供了一种基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，60GHz频段无线通信凭借其极宽的带宽和出众的抗干扰能力等诸多优点使其成为最具有潜力的物理层技术，能够实现Gbps的传输速率，但是，同时由于60GHz信号位于氧气吸收高峰，同时高频段路径损耗较低频段要大得多，而大多数国家和组织都对60GHz的发射功率进行了限制，无法采用大功率通信，因此，其准确定位范围将非常有限(一般在2-3米)，如果仅能实现如此短距离定位的话，定位也即失去意义，因此，目前没有公开资料将60GHz频段信号用于定位中，本发明即是针对上述问题，一方面充分利用了60GHz频段抗干扰能力强，定位精度高的优点，另外一方面采用阵列天线切换波束进行定向接收，提高通信距离，实现了额定的信号功率可以支持更远的距离，解决了60GHz的由于巨大能量传输损耗和发射功率限制原因无法进行较远距离传输的问题。此外，采用60GHz窄脉冲信号，信号持续时间短，接收时间分辨率高，利于实现厘米级定位。下面将结合具体实施例对本发明的定位方法进行详细说明。

实施例一，本实施例提供了一种基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，包括定位服务器以及至少3个基站，所述基站配备阵列天线，待定位节点配备全向天线，如图1所示，所述无线定位方法包括以下步骤：

S1、系统初始化：确定各基站的坐标位置，以及对各个基站进行时钟同步；

S2、依次对各基站阵列天线进行波束训练，找到各自基站阵列天线的最优波束指向，满足各基站波束指向能够将待定位节点覆盖在其波束范围内；

S3、待定位节点产生60GHz脉冲信号并发射；

S4、各基站在其已确定的波束指向方向接收此60GHz脉冲信号，并对脉冲信号的到达各基站的传播时延τ_k进行记录；τ_k

S5、各基站将传播时延τ_k的记录结果发送给定位服务器，定位服务器根据D_k＝cτ_k依次计算各个基站的与待定位节点之间的距离D₁……D_n，其中c为光速；

S6、定位服务器根据各基站的坐标以及各个基站与待定位节点之间的距离计算出待定位节点的坐标。

在所述步骤S1中，为了确保定位的精度，因此，在系统初始化的时候首先保证各基站的坐标位置是已知的，而且各基站的时钟是同步的。

有关基站的安装及天线的配备：如果是二维定位，则至少需要3个定位基站；如果是三维定位则至少需要4个定位基站。基站的阵列天线可采用均匀直线阵，天线间间隔为半个60GHz信号的波长，即为2.5mm。为克服当定位基站与待定位节点距离较远时采用60GHz频段定位即无法准确传输的问题，本实施例在基站端采用基于阵列天线，利用阵列天线切换波束成形技术形成方向性传输增益，来加大定位距离，同时可以减小各基站或各待定位节点间的共信道干扰，同时提高定位精度。同时为了降低系统及定位复杂度，待定位节点采用全向收发。

在本实施例中，定位服务器端能够接收到各个基站发送过来的信号传播时延数据，其通信方式可以通过传统的射频通信、有线通信等方式，定位服务器用于接收各基站发送的其传播时延记录结果并计算各个基站的与待定位节点之间的距离，最终计算出待定位节点的坐标。此外，定位服务器还用于待定位节点的定位周期确定、每次定位的测量次数N(即发送脉冲信号的个数)、各个基站的时钟校对等。

作为一个优选实施例，所述步骤S2中，进行波束训练的方法为：

各基站在不同的波束指向接收待定位节点发送的60GHz脉冲信号，根据接收功率最优或信噪比最优准则找出各自基站的最优接收天线指向。

上述的步骤中基站端波束训练的目的是获得待定位节点与基站的相对角度方向信息，从而使基站端选取最优的波束指向接收待定位节点发送的信号，从而提高定位精度。

所述步骤S2中，进行波束训练包括以下步骤：

S21、预先为每个基站建立记录阵列天线波束不同指向时的波束码本，所述波束码本中的每个列向量表示一个波束指向；

S22、待定位节点每隔一个时间段利用全向天线发送一个60GHz脉冲信号，各基站的阵列天线在不同时间段从其波束码本中选择不同的列向量，直至测试完波束码本中的所有列向量，每完成一个波束指向的信号接收，各基站计算该波束指向下信号接收功率或者计算出信噪比，确定最优接收天线指向。

阵列天线中每根天线都施加一定的加权矢量(包括幅度与相位)，从而影响其辐射方向图，使波束主瓣指向期望方向，带来阵列天线增益和方向性增益。预先为每个基站建立记录阵列天线波束不同指向时的波束码本，码本中向量w(m,k)表示形成编号为k的波束时第m根天线的加权矢量，因此阵列天线指向不同方向是通过依次从波束码本矩阵中读取每列向量的方式获得。

待定位节点每隔一个时间段利用全向天线发送一个60GHz脉冲信号，各基站的阵列天线在不同时间段从其波束码本中选择不同的列向量，使自身天线在不同时间段依次指向如图2所示的波束B0，B1,B2,……BN方向，基站在各个波束指向方向接收发送的60GHz脉冲信号，根据不同波束对应的接收功率或最优信噪比找出各自基站的最优接收天线指向，完成各基站的阵列天线最优接收波束的训练。

所述步骤S3中，待定位节点产生60GHz脉冲信号的过程如下：

由于脉冲发生器最容易产生的脉冲波形是一个钟形函数，类似于高斯脉冲，因此为了方便产生中心频率为60.5GHz的脉冲，优选采用高斯脉冲及其各阶导函数。高斯及其各阶导函数可以表示为：

$\begin{array}{c}{g}_0\left(t\right)=A{e}^{-\frac{2\mathrm{\π}{t}^2}{{\mathrm{\α}}^2}},\\ g_1\left(t\right)=A(-\frac{4\mathrm{\πt}}{{\mathrm{\α}}^2})e^{-\frac{2\mathrm{\π}{t}^2}{{\mathrm{\α}}^2}},\\ g_2\left(t\right)=A\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\α}}^4}{e}^{-\frac{2\mathrm{\π}{t}^2}{{\mathrm{\α}}^2}}[-{\mathrm{\α}}^2+4\mathrm{\π}{t}^2],\\ g_3\left(t\right)=A\frac{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2}{{\mathrm{\α}}^6}{e}^{-\frac{2\mathrm{\π}{t}^2}{{\mathrm{\α}}^2}}[-{\mathrm{\α}}^2+4\mathrm{\π}{t}^2],\\ .\\ .\\ .\end{array}---\left(1\right)$

其中g₀(t)表示高斯脉冲，g_j(t)表示第j阶高斯脉冲导数(j>1)，A用于归一化脉冲能量，α表示脉冲形成因子，其大小影响脉冲宽度及频谱宽度，α越大，脉冲越宽，其频谱越窄。

式(1)表示的高斯脉冲系列对应的功率谱密度可表示为：

$P_g\left(f\right)=\frac{A^2{\mathrm{\α}}^2}{2T_p}{e}^{-{\mathrm{\π\α}}^2{f}^2}{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^{2k},k=\mathrm{0,1,2}\·\·\·.---\left(2\right)$

其中Tp表示脉冲宽度。

根据式(1)和(2)给出的各阶高斯导数脉冲波形及频谱，可以实现基于高斯导数的IR-60GHz脉冲波形的设计，设定60GHz系统的中心频率位于60.5GHz频带上。影响脉冲中心频率的因素主要包括采用的脉冲阶数、脉冲形成因子的大小和脉冲宽度的大小，这要求设计的脉冲不能过窄，因为现阶段产生特别窄的脉冲，对脉冲形成器的设计提出了较为严峻的考验。同时频段带宽不能过大，过大会对周围已被分配的频段产生干扰。通过观察发现采用高阶的高斯脉冲会在不影响脉冲中心频率的基础上能够使频带变窄，经过对各阶高斯导函数的计算与仿真，本实施例得到了基于31阶高斯导数的60GHz冲激脉冲波形，可满足脉冲中心频率和频谱限制。其脉冲形成因子α＝0.052ns，频域3dB频带范围约为54GHz-67GHz，脉冲的时域宽度为150ps，产生如此长度的脉冲对现阶段技术是可以实现的。

设计的脉冲波形和功率谱密度如图3、图4所示。可以观察到，设计的高斯第31阶导数脉冲的中心频谱在60.5GHz左右，频域3dB频带范围约为54GHz-67GHz，由于此频段除60GHz应用外目前暂未分配给其他系统，干扰的影响度并不大。

所设计的60GHz冲激脉冲具有很高的时间和多径分辨率，当采用TOA、TDOA这些基于时间估计的定位方式时，其定位优势明显。

本实施例的60GHz冲激脉冲，(1)使用无载波的基带调制技术，无需本地振荡器、混频器等复杂元件，所以相对于有载波通信，实现起来更简单。(2)功耗低。功耗取决于电路的复杂度和通信方式，电路越复杂，使用的门电路越多，器件总的功耗越多。60GHz冲激脉冲通信系统不使用载波，仅在发射窄脉冲时消耗少量能量，从而省去了发射连续载波所需的功耗，而相对于载波通信系统功耗低一些。(3)抗多径干扰能力强。60GHz冲激脉冲通信系统发射的极窄脉冲，从不同路径到达目的地时，脉冲重合的几率小，抗多径干扰能力强。(4)理论定位精度最高。相对于载波60GHz脉冲系统，其脉冲宽度更窄，最利于实现高速通信，理论定位精度也应最高。(5)接收端容易判决，基于载波的60GHz脉冲系统。单个脉冲内振荡次数过多，不利于接收端的正确判决和实现高速率通信。

在所述步骤S4中，每个基站将接收到的信号与发送的未经过传播延时的原60GHz发送脉冲信号一同经过相关器，取相关器输出峰值对应的时刻即为脉冲信号的传播时延，将其记录下来。

一旦测得参考基站与待定位节点之间的距离D_k，根据几何原理，待定位节点一定位于以基站所在的位置为圆心、以距离D_k为半径的圆周上。以二维定位为例，如果已知待定位节点与三个参考基站之间的距离，以三个参考基站所在位置为圆心,待定位节点与三个基站的距离为半径画圆，如图5所示，三个圆的交点即为待定位节点，因此，在所述步骤S6中，通过以下方程组可以计算待定位节点的坐标(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_1-x)}^2+{(Y_1-y)}^2+{(Z_1-z)}^2}\\ \sqrt{{(X_2-x)}^2+{(Y_2-y)}^2+{(Z_2-z)}^2}\\ .\\ .\\ .\\ \sqrt{{(X_k-x)}^2+{(Y_k-y)}^2+{(Z_k-z)}^2}\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{D}_1\\ D_2\\ .\\ .\\ .\\ D_k\end{array}\right\}---\left(3\right)$

其中，(X_k,Y_k,Z_k)，是已知的参考基站的坐标(k≥3)，D_k为目标节点到第k个基站之间的距离。

在理想状况下，通过解上述公式(3)能够得出待定位节点的坐标(x,y,z)，但是由于存在非视距、多径、衍射和反射等原因，所以测距结果D_k不可避免的存在误差，从而导致无法解出方程组的解。因此必须通过其他的方法来求解，例如最小二乘法、Chan、Fang算法等。

下面本实施例将在IEEE802.15.3c提供的60GHz信道模型的视距环境下，采用具体的最小二乘定位算法对本发明的定位方案进行试验，本试验中进行3维定位研究，采用4个基站，每个基站均采用了8天线，通过802.15.3c波束码本对天线阵列进行加权形成切换波束成形以增加方向性增益，实现了短距离的厘米级准确定位。表1列出了6次定位测试的具体结果采用的定位模型为长宽高均为7m的空间模型，基站坐标和待定位节点坐标均为随机选取，通过计算，20次测试实验中的评价均方根误差RMSE＝0.018m，可以看出采用本发明的60GHz脉冲定位方案，目标节点的定位精度达到了厘米级。

表1基于冲激脉冲的60GHz定位系统的视距环境定位仿真结果(单位:米)

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，其特征在于，包括定位服务器以及至少3个基站，所述基站配备有定向天线，待定位节点配备有全向天线，所述无线定位方法包括以下步骤：

(1)、系统初始化：确定各基站的坐标位置，对各个基站进行时钟同步；

(2)、依次对各基站阵列天线进行波束训练，找到各自基站阵列天线的最优波束指向，满足各基站波束指向能够将待定位节点覆盖在其波束范围内；

(3)、待定位节点产生60GHz脉冲信号并发射；

(4)、各基站在其已确定的波束指向方向接收此60GHz脉冲信号，并对脉冲信号的到达各基站的传播时延τ_k进行记录；

(5)、各基站将传播时延τ_k的记录结果发送给定位服务器，定位服务器根据D_k＝cτ_k依次计算各个基站的与待定位节点之间的距离D₁……D_n，其中，c为光速；

(6)、定位服务器根据各基站的坐标以及各个基站与待定位节点之间的距离计算出待定位节点的坐标。

2.根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，所述基站配备的定向天线为阵列天线，天线间间隔为半个60GHz信号的波长。

3.根据权利要求2所述的无线定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中，进行波束训练的方法为：

各基站在不同的波束指向接收待定位节点发送的60GHz脉冲信号，根据接收功率最优或信噪比最优准则找出各自基站的最优接收天线指向。

4.根据权利要求3所述的无线定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中，进行波束训练包括以下步骤：

(21)、预先为每个基站建立记录阵列天线波束不同指向时的波束码本，所述波束码本中的每个列向量控制一个波束指向；

(22)、待定位节点每隔一个时间段利用全向天线发送一个60GHz脉冲信号，各基站的阵列天线在不同时间段从其波束码本中选择不同的列向量，直至测试完波束码本中的所有列向量，每完成一个波束指向的信号接收，各基站计算该波束指向下信号接收功率或者计算出信噪比，确定最优接收天线指向。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的无线定位方法，其特征在于，所述步骤(3)中，待定位节点产生60GHz脉冲信号的方法为：计算31阶高斯导数，取脉冲形成因子α＝0.052ns，得到基于31阶高斯导数的60GHz冲激脉冲，所述冲激脉冲频域3dB频带范围为54GHz-67GHz，所述冲激脉冲的时域脉冲宽度为150ps。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的无线定位方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，每个基站将接收到的信号与待定位节点发送的未经过传播延时的原始60GHz发送脉冲信号一同经过相关器，取相关器输出峰值对应的时刻即为脉冲信号的传播时延，将其记录下来。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的无线定位方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，通过以下方法计算待定位节点的坐标(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_1-x)}^2+{(Y_1-y)}^2+{(Z_1-z)}^2}\\ \sqrt{{(X_2-x)}^2+{(Y_2-y)}^2+{(Z_2-z)}^2}\\ .\\ .\\ .\\ \sqrt{{(X_k-x)}^2+{(Y_k-y)}^2+{(Z_k-z)}^2}\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{D}_1\\ D_2\\ .\\ .\\ .\\ D_k\end{array}\right\}$

其中，(X_k,Y_k,Z_k)，是已知的参考基站的坐标(k≥3)，D_k为目标节点到第k个基站之间的距离。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的无线定位方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，通过基于测距的定位算法计算待定位节点的坐标。