CN112566015B - 一种基于毫米波的定位信息获取方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波的定位信息获取方法及系统,方法包括:通过多天线阵列接收毫米波定位信号;对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号;对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值;获取多天线阵列中TOA估计值最小的天线,记为目标天线;对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值;根据TOA估计值和AOA估计值,生成定位信息。本发明通过利用毫米波进行测量,能比现阶段的TOA和AOA检测技术更加准确,不易受噪声影响,并且基于该定位信息,能够使物体定位精准度提高。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域,尤其涉及一种基于毫米波的定位信息获取方法及系统。
背景技术
现阶段我国的定位技术主要是基于Bluetooth,Lora,Long Term Evolution等无线通信技术进行。通常我们通过检测网络参数来间接获取定位信息。常用的定位信息包括:Time-of-Arrival(TOA),Time-Difference-of-Arrival(TDOA),Received SignalStrength(RSS),Angle-of-Arrival(AOA)。但由于上面提及的定位信息极其不稳定,很容易受外界的干扰,如multipath和none-line-of-sight。
Bluetooth和LoRa等技术主要是通过获取RSS来获取定位目标的位置信息的。但是RSS相比于TOA,TDOA,AOA更加不稳定。比如RSS穿个人体就会有5dBm的衰减。在multipath和none-line-of-sight的影响下,RSS检测及其困难,因此定位精度为10-30米。在第四代移动通信网络当中,AOA的检测也是不准确的,因4G基站天线的设计。同样TOA的检测由于有多径的影响和非视距的影响,基于TOA难以计算目标位置。
因此,基于现阶段获取的定位信息不准确的,不足以定位到目标的准确位置,定位精度低。
因此现有技术还有待于进一步发展。
发明内容
针对上述技术问题,本发明实施例提供了一种基于毫米波的定位信息获取方法及系统,能够解决现有定位技术中的获取的定位信息不准确,不足以定位到目标的准确位置,定位精度低的技术问题。
本发明实施例的第一方面提供一种基于毫米波的定位信息获取方法,包括:
通过多天线阵列接收毫米波定位信号;
对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号;对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值;
获取所述的多天线阵列中TOA估计值最小的天线,记为目标天线;
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值;
根据TOA估计值和AOA估计值,生成定位信息。
可选地,所述对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,包括:
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样,生成采样定位信号;
对采样定位信号进行降频处理生成降频后的定位信号。
可选地,所述对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值,包括:
根据ROOT MUSIC算法对降频后的定位信号的相位和幅度进行分析,生成AOA估计值。
可选地,所述对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号,包括:
获取每个天线接收的毫米波定位信号,对毫米波定位信号进行低通放大处理后,生成放大后的目标定位信号;
对放大后的目标定位信号进行下变频处理后,生成每个天线对应的基带信号。
可选地,所述对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值,包括:
对基带信号进行滤波及采样处理后,生成采样信号;
通过相关器获取接收信号,根据相关器的信号与阈值进行比较,估算出TOA的起点;
根据估算出的TOA的起点选择最佳数据窗口;
通过相关器将接收到的最佳数据窗口对应的波形作为模板信号,获取与模板信号产生最大相关性的参考信号,所述参考信号为TOA的到达时间,生成每个天线对应的TOA估计值。
本发明实施例第二方面提供了一种基于毫米波的定位信息获取系统,所述系统包括:存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时实现以下步骤:
通过多天线阵列接收毫米波定位信号;
对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号;对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值;
获取所述的多天线阵列中TOA估计值最小的天线,记为目标天线;
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值;
根据TOA估计值和AOA估计值,生成定位信息。
可选地,所述计算机程序被所述处理器执行时还实现以下步骤:
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样,生成采样定位信号;
对采样定位信号进行降频处理生成降频后的定位信号。
可选地,所述计算机程序被所述处理器执行时还实现以下步骤:
根据ROOT MUSIC算法对降频后的定位信号的相位和幅度进行分析,生成AOA估计值。
可选地,所述计算机程序被所述处理器执行时还实现以下步骤:
获取每个天线接收的毫米波定位信号,对毫米波定位信号进行低通放大处理后,生成放大后的目标定位信号;
对放大后的目标定位信号进行下变频处理后,生成每个天线对应的基带信号。
本发明实施例第三方面提供了一种非易失性计算机可读存储介质,其特征在于,所述非易失性计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时,可使得所述一个或多个处理器执行上述的基于毫米波的定位信息获取方法。
本发明实施例提供的技术方案中,通过多天线阵列接收毫米波定位信号;对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号;对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值;获取多天线阵列中TOA估计值最小的天线,记为目标天线;对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值;根据TOA估计值和AOA估计值,生成定位信息。因此相对于现有技术,本发明实施例通过利用毫米波进行测量,能比现阶段的TOA和AOA检测技术更加准确,不容易受噪声的影响,并且基于我们检测出来的定位信息,能够使物体定位精准度提高。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于毫米波的定位信息获取方法的一实施例的流程示意图;
图2为本发明实施例中一种基于毫米波的定位信息获取系统的另一实施例的硬件结构示意图。
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,本领域技术人员在没有作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。
在第五代移动通信网络当中,我们可以应用mmWave波技术解决这个事情。mmWave是指毫米波,现在中国的5G技术工作频段在sub-6GHz并非毫米波技术。但当运行频率大于30GHz,即是运行在毫米波频段。mmWave具备极大的带宽,有利于TOA的检测,毫米波的频率范围一般在26.5~300GHz,带宽高达273.5GHz。mmWave与激光相比,毫米波的传播受气候的影响要小得多,可以认为具有全天候特性。和微波相比,毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。但在空气中传播衰减严重,因此不能进行长距离传输。但正因为这个特性,检测的定位信息不会受到multipath和no-line-of-sight(NLOS)的影响。因此本发明实施例提出基于毫米波的定位信息获取方法用于目标定位。
以下结合附图对本发明实施例进行详细的描述。
请参阅图1,图1为本发明实施例中一种基于毫米波的定位信息获取方法的一个实施例的流程示意图。如图1所示,包括:
步骤S100、通过多天线阵列接收毫米波定位信号;
步骤S200、对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号;对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值;
步骤S300、获取所述的多天线阵列中TOA估计值最小的天线,记为目标天线;
步骤S400、对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值;
步骤S500、根据TOA估计值和AOA估计值,生成定位信息。
具体地,基于现有的第五代移动通信技术,利用其中FR2的毫米波频段,进行TOA与AOA的检测。相比于与基于LTE网络的TOA与AOA检测,基于mmWave的定位信息检测更有优势,因其被no-line-of-sight和multipath的影响很少。NLOS和multipath的影响主要源于信号不会被接收器直接接收,而会被其他障碍物阻隔或反射后才被接收器所处理。从而用该信号检测出的TOA和AOA都是不准确的。但为了提高检测的精度,还是需要进一步检测非视距信道(no-line-of-sight path)和视距信道(line-of-sight path)。
在TOA检测时采用单频带范围估计的架构。先将接受到的信号,使用低噪声放大器(LNA)来放大该信号并且将其下变频到基带信号。下变频到基带信号通过ADMV1014芯片实验。然后信号通过低通滤波器来消除混叠效应。然后通过ADC(模拟信号转数字信号)采样,将信号从模拟信号变成数字信号。
接收信号通过LNA和DDC芯片进行处理的基带信号;通过低通滤波器排除信号的混叠效率,通过低通滤波器处理后得出的信号,利用ADC芯片进行采集,然后进行TOA估计;获取TOA估计结果,生成到达时间;比较每个天线的TOA数值,确定出TOA最小值所对应的天线为目标天线,该目标天线测出来的AOA为所求。
通过多天线阵列射频前端接收信号,通过ADC芯片对信号进行采样,并通过DDC芯片,对信号进行降频处理;根据ROOTMUSIC算法对相位和幅度的信息进行分析,得到AOA估计值;通过ROOTMUSIC算法检测出天线对应的角度,从而确定AOA的数值;根据AOA数值及信号的RSS值,获取不受NLOS影响的目标信号。其中AOA估计值和TOA估计值为最终的检测的定位信息,根据定位信息进行下一步的定位操作。
进一步地,对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号,包括:
获取每个天线接收的毫米波定位信号,对毫米波定位信号进行低通放大处理后,生成放大后的目标定位信号;
对放大后的目标定位信号进行下变频处理后,生成每个天线对应的基带信号。
具体实施时,在TOA的检测当中,接受信号通过low-noise amplifier(LNA)低噪音放大器和digital down-converter(DDC)芯片进行处理的到基带信号。
进一步地,对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值,包括:
对基带信号进行滤波及采样处理后,生成采样信号;
通过相关器获取接收信号,根据相关器的信号与阈值进行比较,估算出TOA的起点;
根据估算出的TOA的起点选择最佳数据窗口;
通过相关器将接收到的最佳数据窗口对应的波形作为模板信号,获取与模板信号产生最大相关性的参考信号,所述参考信号为TOA的到达时间,生成每个天线对应的TOA估计值。
具体实施时,通过低通滤波器去排除信号的混叠效应(aliasing effect)。通过低通滤波器处理后得出的信号,我们会利用ADC芯片进行采样,然后进行TOA的估计。TOA估计分为两个步骤:在粗略TOA估计模块中,使用一个相关器来检测接收到的信号。将这个相关器的输出与阈值进行比较,可以估算出TOA的起点。该估计用于选择最佳数据窗口并将其应用于精细TOA估计模块。而我们这里的TOA算法,利用的是Conventional Correlation-Based Techniques。TOA是最早到达的时间,它使接收信号和已知模板信号之间的互相关最大化。基于互相关运算的TOA估计被称为互相关器。通常,可以使用相关接收器将接收到的波形作为模板信号(或等效地匹配到接收波形的匹配滤波器)来获得TOA的最佳估计。与接收信号产生最大相关性的参考信号即是我们的到达时间。而且正由于毫米波不受NLOS的影响或影响极少,因此检测精度高。
在TOA检测中,采用了然后我们将TOA测量分为两部分:TOA初略估计和TOA准确估计。在初略估计中,使用相关器去检测接收信号。相关器是检测两个信号相似度,通过接收信号和本地缓存信号对比,如果是相似即为所求。当相关器检测出来的结果大于等于我们设置的阈值后,我们就能确认TOA的开始点,即是信号到达时间。阈值是通过实验所得的。通过对比每个TOA估计值中TOA估计值最小的天线为目标天线。通过目标天线进行下一步的AOA估计。
进一步地,对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,包括:
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样,生成采样定位信号;
对采样定位信号进行降频处理生成降频后的定位信号。
具体地,AOA检测需要用到多天线阵列,而在5G无线通信系统当中,我们可以利用MIMO技术来达到这个效果。我们通过射频前端来接收信号,然后通过ADC芯片对我们的信号进行采样,Buffer用于对信号的缓存。通过DDC(直接数字控制)芯片,对我们的信号进行降频处理,易于我们进行进一步处理。
在AOA检测中,因为在第五代移动通信中,5G基站接收信号,MIMO是接收端的多天线阵列multi-input-multi-output(MIMO)可以使检测的到达角度更准确。其中,所有天线元件经历相干信道的MIMO系统可用于AOA估计。AOA检测算法在下面已经给出。因此可以利用MIMO的空间多样性去提高AOA检测的准确性。通过目标天线的接收的毫米波定位信号进行采样,对采样后数据进行降频处理生成定位信号。
进一步地,对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值,包括:
根据ROOT MUSIC算法对降频后的定位信号的相位和幅度进行分析,生成AOA估计值。
具体实施时,利用ROOTMUSIC算法对相位和幅度的信息进行分析,得到AOA估计值。ROOT MUSIC的算法流程如下:
求解信号的协方差矩阵;根据噪声和系数向量找出多项表达式子;根据表达式求出根,即多项式为0;根据求的根求解AOA。
通过RootMUSIC算法,我们可以检测出天线主瓣mainlobe所对应的角度,从而确定AOA的数值。在计算AOA的同时,我们能计算每个信号的RSS,从而确定哪个信号不受NLOS的影响。该信号将会用于TOA的检测与分析。需要注意的一点是,每个天线是同步的。其中NLOS就是非视距传输,信号不能直达接收机。在方向性天线接收到信号的时候,如果信号不是在主瓣接收的,其增益是偏低的。因此在主瓣接收到强信号时,对应的角度即是我们所求的到达角度。
需要说明的是,上述各步骤之间并不必然存在一定的先后顺序,本领域普通技术人员,根据本发明实施例的描述可以理解,不同实施例中,上述各步骤可以有不同的执行顺序,亦即,可以并行执行,亦可以交换执行等等。
上面对本发明实施例中的基于毫米波的定位信息获取方法进行了描述,下面对本发明实施例中的基于毫米波的定位信息获取系统进行描述,请参阅图2,图2是本发明实施例中一种基于毫米波的定位信息获取系统的另一实施例的硬件结构示意图,如图2所示,系统10包括:存储器101、处理器102及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,计算机程序被处理器101执行时实现以下步骤:
通过多天线阵列接收毫米波定位信号;
对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号;对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值;
获取所述的多天线阵列中TOA估计值最小的天线,记为目标天线;
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值;
根据TOA估计值和AOA估计值,生成定位信息。
具体的实施步骤与方法实施例相同,此处不再赘述。
可选地,计算机程序被处理器101执行时还实现以下步骤:
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样,生成采样定位信号;
对采样定位信号进行降频处理生成降频后的定位信号。
具体的实施步骤与方法实施例相同,此处不再赘述。
可选地,计算机程序被处理器101执行时还实现以下步骤:
根据ROOT MUSIC算法对降频后的定位信号的相位和幅度进行分析,生成AOA估计值。
具体的实施步骤与方法实施例相同,此处不再赘述。
可选地,计算机程序被处理器101执行时还实现以下步骤:
获取每个天线接收的毫米波定位信号,对毫米波定位信号进行低通放大处理后,生成放大后的目标定位信号;
对放大后的目标定位信号进行下变频处理后,生成每个天线对应的基带信号。
具体的实施步骤与方法实施例相同,此处不再赘述。
可选地,计算机程序被处理器101执行时还实现以下步骤:
对基带信号进行滤波及采样处理后,生成采样信号;
通过相关器获取接收信号,根据相关器的信号与阈值进行比较,估算出TOA的起点;
根据估算出的TOA的起点选择最佳数据窗口;
通过相关器将接收到的最佳数据窗口对应的波形作为模板信号,获取与模板信号产生最大相关性的参考信号,所述参考信号为TOA的到达时间,生成每个天线对应的TOA估计值。
具体的实施步骤与方法实施例相同,此处不再赘述。
本发明实施例提供了一种非易失性计算机可读存储介质,计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行,例如,执行以上描述的图1中的方法步骤S100至步骤S500。
作为示例,非易失性存储介质能够包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦ROM(EEPROM)或闪速存储器。易失性存储器能够包括作为外部高速缓存存储器的随机存取存储器(RAM)。通过说明并非限制,RAM可以以诸如同步RAM(SRAM)、动态RAM、(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据速率SDRAM(DDR SDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、Synchlink DRAM(SLDRAM)以及直接Rambus(兰巴斯)RAM(DRRAM)之类的许多形式得到。本文中所描述的操作环境的所公开的存储器组件或存储器旨在包括这些和/或任何其他适合类型的存储器中的一个或多个。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种基于毫米波的定位信息获取方法,其特征在于,包括:
通过多天线阵列接收毫米波定位信号;
对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号;对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值;
获取所述的多天线阵列中TOA估计值最小的天线,记为目标天线;
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值;
根据TOA估计值和AOA估计值,生成定位信息;
所述对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,包括:
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样,生成采样定位信号;
对采样定位信号进行降频处理生成降频后的定位信号;
所述对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值,包括:
根据ROOT MUSIC算法对降频后的定位信号的相位和幅度进行分析,生成AOA估计值;
所述对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号,包括:
获取每个天线接收的毫米波定位信号,对毫米波定位信号进行低通放大处理后,生成放大后的目标定位信号;
对放大后的目标定位信号进行下变频处理后,生成每个天线对应的基带信号。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波的定位信息获取方法,其特征在于,所述对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值,包括:
对基带信号进行滤波及采样处理后,生成采样信号;
通过相关器获取接收信号,根据相关器的信号与阈值进行比较,估算出TOA的起点;
根据估算出的TOA的起点选择最佳数据窗口;
通过相关器将接收到的最佳数据窗口对应的波形作为模板信号,获取与模板信号产生最大相关性的参考信号,所述参考信号为TOA的到达时间,生成每个天线对应的TOA估计值。
3.一种基于毫米波的定位信息获取系统,其特征在于,所述系统包括:存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时实现以下步骤:
通过多天线阵列接收毫米波定位信号;
对每个天线接收的毫米波定位信号进行放大及下变频处理生成基带信号;对基带信号进行滤波及采样处理后,对采样处理后的基带信号进行TOA估计,生成每个天线对应的TOA估计值;
获取所述的多天线阵列中TOA估计值最小的天线,记为目标天线;
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样及降频处理,对降频后的定位信号进行分析,生成AOA估计值;
根据TOA估计值和AOA估计值,生成定位信息;
所述计算机程序被所述处理器执行时还实现以下步骤:
对目标天线接收的毫米波定位信号进行采样,生成采样定位信号;
对采样定位信号进行降频处理生成降频后的定位信号;
所述计算机程序被所述处理器执行时还实现以下步骤:
根据ROOT MUSIC算法对降频后的定位信号的相位和幅度进行分析,生成AOA估计值;
所述计算机程序被所述处理器执行时还实现以下步骤:
获取每个天线接收的毫米波定位信号,对毫米波定位信号进行低通放大处理后,生成放大后的目标定位信号;
对放大后的目标定位信号进行下变频处理后,生成每个天线对应的基带信号。
4.一种非易失性计算机可读存储介质,其特征在于,所述非易失性计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时,可使得所述一个或多个处理器执行权利要求1-2 任一项所述的基于毫米波的定位信息获取方法。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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