CN113056000A - 一种基于超表面的定位系统、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于超表面的定位系统、方法及装置，系统包括：基站和移动终端，其中，基站配置有超表面，通过发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波，控制超表面改变信号波的传输路径，得到第一反射波束，利用第一反射波束对移动终端进行扫描；移动终端接收到第一反射波束中的第一接收波束后，基于第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到第一位置参数，并将携带有第一位置参数的第一反馈信息反馈至基站；基站基于第一反馈信息，确定对移动终端的定位结果。应用本发明实施例，可以通过主动改变信号传输路径来降低信号在传输过程中受到的多径效应影响，从而提高定位精度。

Description

一种基于超表面的定位系统、方法及装置

技术领域

本发明涉及定位技术领域，特别是涉及一种基于超表面的定位系统、方法及装置。

背景技术

一些场景中，需要在非视距(通信的两点视线受阻)等复杂环境下通过基站发射的定位信号来对移动终端进行定位，比如，救生员在森林中进行生命救援时会携带移动定位设备，该移动定位设备接收到由基站发射的定位信号后，会对该定位信号进行分析，以计算得到自身的位置参数，并将该位置参数反馈给基站，基站根据移动定位设备反馈的位置参数可以确定对该移动定位设备的定位结果，从而确定救生员所处的位置。

但现有的定位方案是基于直射径信号提出的，在如同森林等复杂环境下，由于障碍物的影响，信号在传输过程中，会出现多径效应，即信号经过不同路径传输后，各信号分量到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真或者产生错误的现象，影响最终得到的定位结果的准确度。

多径效应是目前制约高精度定位的瓶颈问题之一，而现有定位手段难以主动改变信号的传输路径，只能通过被动识别并消除多径信号的方法来尽量降低多径效应对定位结果的影响，例如一些相关技术中提出的按照多径分量能量大小依次消除的FRFT(分数傅里叶变换)多径时延估计算法、基于多门延迟和曲线拟合的多径抑制方法、基于载波扫频的伪随机码多径抑制方法等，这些方法的计算量较大，消除效果也不够理想。

现有技术对被动识别并消除多径信号的研究已接近理论极限，需要提供一种能够实现主动改变信号传输路径的定位方案，以提高定位精度。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于超表面的定位系统、方法及装置，以通过主动改变信号传输路径来提高定位精度。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于超表面的定位系统，所述系统包括：基站和移动终端，所述基站配置有超表面，其中，

所述基站，用于发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波；控制所述超表面改变所述信号波的传输路径，得到第一反射波束；利用所述第一反射波束对所述移动终端进行扫描；

所述移动终端，用于接收第一接收波束，所述第一接收波束为所述第一反射波束中的部分波束；基于所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度，计算得到第一位置参数；将包括所述第一位置参数的第一反馈信息反馈至所述基站；其中，所述发射角为所述第一定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；所述到达角为所述第一定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

所述基站，还用于基于所述第一反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

可选的，所述移动终端，还用于在所述接收第一接收波束之后，判断所述第一接收波束的功率是否达到定位条件，如果达到，再执行所述基于所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度，计算得到第一位置参数的步骤。

可选的，所述移动终端，还用于在判定所述第一接收波束的功率达到定位条件之后，对所述第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构；基于重构后的信道参数，计算得到所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度。

可选的，所述第一反馈信息中还包括所述重构后的信道参数。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于超表面的定位方法，应用于基站，所述基站配置有超表面，所述方法包括：

发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波；

控制所述超表面改变所述信号波的传输路径，得到第一反射波束；

利用所述第一反射波束对移动终端进行扫描；

接收所述移动终端反馈的第一反馈信息；其中，所述第一反馈信息包括第一位置参数；所述第一位置参数是基于所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；所述第一接收波束为所述移动终端接收的所述第一反射波束中的部分波束；所述发射角为所述第一定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；所述到达角为所述第一定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

基于所述第一反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

可选的，所述基于所述第一反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果，包括：

基于所述第一反馈信息，确定预调位置；

基于所述第一反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及所述超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面；

控制调整后的超表面反射调整后的信号波至预调位置，得到第二反射波束；

接收所述移动终端反馈的第二反馈信息；其中，第二反馈信息包括第二位置参数；第二位置参数是基于第二接收波束中携带的第二定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；第二接收波束为所述移动终端接收的第二反射波束中的部分波束；发射角为第二定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；到达角为第二定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

判断是否达到结束条件；如果未达到，基于第二反馈信息，更新预调位置，并基于第二反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及所述超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面，而后返回执行所述控制调整后的超表面反射调整后的信号波至预调位置，得到第二反射波束的步骤；如果达到，基于最终得到的第二反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

可选的，所述判断是否达到结束条件，包括：

判断第二反馈信息中包括的第二位置参数的波动范围是否在预设范围内，如果否，则判定未达到结束条件；如果是，则判定达到结束条件。

第三方面，本发明实施例提供了一种基于超表面的定位装置，应用于基站，所述基站配置有超表面，所述装置包括：

发射模块，用于发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波；

控制模块，用于控制所述超表面改变所述信号波的传输路径，得到第一反射波束；

扫描模块，用于利用所述第一反射波束对移动终端进行扫描；

接收模块，用于接收所述移动终端反馈的第一反馈信息；其中，所述第一反馈信息包括第一位置参数；所述第一位置参数是基于所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；所述第一接收波束为所述移动终端接收的所述第一反射波束中的部分波束；所述发射角为所述第一定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；所述到达角为所述第一定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

运算模块，用于基于所述第一反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

可选的，所述运算模块，包括：

第一初始化子模块，用于基于所述第一反馈信息，确定预调位置；

第二初始化子模块，用于基于所述第一反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及所述超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面；

控制子模块，用于控制调整后的超表面反射调整后的信号波至预调位置，得到第二反射波束；

接收子模块，用于接收所述移动终端反馈的第二反馈信息；其中，第二反馈信息包括第二位置参数；第二位置参数是基于第二接收波束中携带的第二定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；第二接收波束为所述移动终端接收的第二反射波束中的部分波束；发射角为第二定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；到达角为第二定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

判断子模块，用于判断是否达到结束条件；如果未达到，基于第二反馈信息，更新预调位置，并基于第二反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及所述超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面，而后触发所述控制子模块；如果达到，基于最终得到的第二反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

可选的，所述判断子模块还用于：

判断第二反馈信息中包括的第二位置参数的波动范围是否在预设范围内，如果否，则判定未达到结束条件；如果是，则判定达到结束条件。

本发明实施例提供的一种基于超表面的定位系统、方法及装置，基于超表面的定位系统包括基站和移动终端，其中，基站配置有超表面，通过发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波，控制超表面改变信号波的传输路径，得到第一反射波束，利用第一反射波束对移动终端进行扫描；移动终端接收到第一反射波束中的第一接收波束后，基于第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到第一位置参数，并将携带有第一位置参数的第一反馈信息反馈至基站；基站基于第一反馈信息，确定对移动终端的定位结果。应用本发明实施例，通过基站控制超表面改变携带有定位信号的信号波的传输路径，也就是主动改变信号传输路径，可以降低信号在传输过程中受到的多径效应影响，从而提高定位精度，改变了现有定位理论体系中被动识别并消除多径信号的定位方式。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

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实施例。

图1为本发明实施例提供的一种基于超表面的定位系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于超表面的定位系统中各设备之间的交互示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于超表面的定位方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种定位场景示意图；

图5为本发明实施例提供的一种确定对移动终端的定位结果的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种基于超表面的定位装置的结构示意图。

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。

为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种基于超表面的定位系统、方法及装置，以下分别进行说明。

图1为本发明实施例提供的一种基于超表面的定位系统的结构示意图，该定位系统包括：基站110和移动终端120，其中，基站110配置有超表面1101，基站110配置的超表面数量不限。

超表面1101是由亚波长元件组成的人工平面结构，具有调控反射电磁波的性质，可以改变入射的电磁波的反射角度，具体可参考下面方法实施例S320中的相关介绍。

如图1所示的定位系统中，超表面1101可以配置于基站110的外部(基站110与移动终端120之间)，由基站110中的FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或者其他处理器与超表面1101相连，该定位系统中各设备之间的交互可参考图2所示，该定位系统中：

基站110，可以用于发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波；控制超表面改变信号波的传输路径，得到第一反射波束；利用第一反射波束对移动终端进行扫描；

基站110执行上述各步骤的具体实施方式可参考下面方法实施例中对S310、S320、S330的详细介绍，此处不再赘述。

移动终端120，可以用于接收第一接收波束，第一接收波束为第一反射波束中的部分波束；基于第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度，计算得到第一位置参数；将包括第一位置参数的第一反馈信息反馈至基站110；

其中，发射角为第一定位信号从基站110发射时与水平面所成的夹角；到达角为第一定位信号到达移动终端120时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角。

一种实施方式中，移动终端120，还可以用于在接收第一接收波束之后，判断第一接收波束的功率是否达到定位条件，如果达到，再执行基于所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度，计算得到第一位置参数的步骤。

在本实施方式中，一种情况下，移动终端120，还可以用于在判定所述第一接收波束的功率达到定位条件之后，对第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构；基于重构后的信道参数，计算得到第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度。这种情况下，移动终端120反馈至基站110的第一反馈信息中还可以包括第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构后的信道参数。

移动终端120执行上述各步骤的具体实施方式可参考下面方法实施例S340中的详细介绍，此处不再赘述。

基站110，还可以用于基于第一反馈信息，确定对移动终端的定位结果。基站110执行该步骤的具体实施方式可参考下面方法实施例S350中的详细介绍。

应用本发明实施例，通过基站控制超表面改变携带有定位信号的信号波的传输路径，也就是主动改变信号传输路径，可以降低信号在传输过程中受到的多径效应影响，从而提高定位精度，改变了现有定位理论体系中被动识别并消除多径信号的定位方式。

下面再从如图1所示的定位系统中各设备的交互角度，对本发明实施例提供的基于超表面的定位方法进行详细介绍。以下方法实施例中的各个步骤按照合乎逻辑的顺序执行即可，步骤标号或者对各步骤进行介绍的先后顺序，并不对各步骤的执行顺序构成限定。

参考图3所示，本发明实施例提供了一种基于超表面的定位方法，该方法应用于配置有超表面的基站，该方法可以包括如下步骤：

S310：发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波；

基站除了配置有超表面，还可以配置有用于发射电磁波的发射天线。可以利用发射天线随机发射携带有定位信号的多道电磁波，也可以根据需求利用发射天线发射期望的波束，举例来说，可以先对基站配置的发射天线进行波束赋形，使从基站发射出的信号波近似平面波。

S320：控制超表面改变信号波的传输路径，得到第一反射波束；

一种实施方式中，可以在超表面上配置多个天线单元(阵元)，基站中的FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或者其他处理器可以根据超表面的相移矩阵，通过控制超表面改变对信号波中不同入射角度的电磁波产生的相移量，来改变不同入射角度的电磁波的反射角度，从而改变信号波的传输路径，形成期望的反射波束，即第一反射波束。

图4可以理解为一种定位场景示意图，在基站与移动终端之间存在障碍物的定位场景下，基站控制超表面改变信号波的传输路径，尽可能地使信号避开障碍物进行传输，经超表面反射后的波束中存在部分波束能够达到移动终端。举例来说，假设基站发射的信号波中第p道电磁波经超表面反射后到达了移动终端，参考图4所示，第p道电磁波从基站到达超表面的入射角度可以表示为θ_i,p，超表面对第p道电磁波设定的反射角度可以表示为θ_r,p，第p道电磁波经超表面反射达到移动终端的实际反射角度(观测角)可以表示为θ_s,p，第p道电磁波从基站到超表面的传输路径长度可以表示为r_i,p，第p道电磁波由超表面反射到达移动终端的传输路径长度可以表示为r_r,p，第p道电磁波中携带的定位信号的发射角可以表示为θ_T,p，第p道电磁波中携带的定位信号的到达角可以表示为θ_R,p，基站到超表面的垂直距离可以表示为l₁，超表面到移动终端的垂直距离可以表示为l₂，移动终端的旋转角(移动终端的旋转角可以通过移动终端自身配置的传感器获得)可以表示为α。其中，根据图4可知，观测角θ_s,p与到达角θ_R,p的几何关系为

超表面的相移矩阵表达式可以为如下公式1所示：

其中，L^-1为超表面的路径损耗的表达式，(θ_n＝θ_r-θ_i，n＝1…N_m)表示超表面对信号波中入射角度为θ_i的电磁波产生的相移量，N_m表示超表面上的阵元数量，θ_r表示入射角度为θ_i的电磁波在产生θ_n的相移量时对应的反射角度。根据公式1可知，可以通过设定超表面对不同入射角度的电磁波的反射角度，来确定超表面对不同入射角度的电磁波的相移量，从而确定超表面的相移矩阵。可以理解的，根据超表面的相移矩阵，也可以确定超表面对不同入射角度的电磁波设定的反射角度，控制超表面按照期望的反射角度改变信号波的传输路径，可以形成期望的反射波束。

举例来说，超表面的厚度可以忽略不计，在远场情况下，基站发射的信号波中第p道电磁波可以表示成幅度近似为E_i,p的平面波，将超表面对第p道电磁波的反射角度设定为θ_r,p，则在观测角θ_s,p处的反射波束的幅值的平方可以表示为如下公式2所示：

其中，a表示超表面的长度，b表示超表面的宽度，λ表示电磁波的波长，其余参数的含义可参考图4中的各参数所表示的含义，此处不再赘述。

根据天线理论，基站发射的信号波到达超表面处对应的功率可以表示为如下公式3所示：

其中，P_T表示基站配置的发射天线的发射功率，G_T表示基站配置的发射天线在第p道电磁波从基站到超表面方向上的增益，η表示超表面的特征阻抗，E_i,p表示信号波中第p道电磁波的幅度，其余参数的含义可参考图4中的各参数所表示的含义，此处不再赘述。

根据公式3，可得

则移动终端从超表面接收到的接收波束对应的功率可以表示为如下公式4所示：

其中，

表示在观测角θ_s,p处的反射波束的幅值的平方，

表示移动终端配置的接收天线的有效孔径，G_R表示移动终端配置的接收天线在观测角方向上的增益，P_T表示基站配置的发射天线的发射功率，G_T表示基站配置的发射天线在第p道电磁波从基站到超表面方向上的增益，η表示超表面的特征阻抗，其余参数的含义可参考图4中的各参数所表示的含义，此处不再赘述。

一种情况下，假设基站配置的发射天线与移动终端配置的接收天线具有各向同性增益，可以将公式4简化为如下公式5所示：

其中，P_T表示基站配置的发射天线的发射功率，G_T表示基站配置的发射天线在第p道电磁波从基站到超表面方向上的增益，G_R表示移动终端配置的接收天线在观测角方向上的增益，其余参数的含义可参考图4中的各参数所表示的含义，此处不再赘述。

根据公式5，可以将超表面的路径损耗的表达式表示为如下公式6所示：

其中，G_T表示基站配置的发射天线在第p道电磁波从基站到超表面方向上的增益，G_R表示移动终端配置的接收天线在观测角方向上的增益，其余参数的含义可参考图4中的各参数所表示的含义，此处不再赘述。

S330：利用第一反射波束，对移动终端进行扫描；

举例来说，第一反射波束可以是类似于扇形的波束，该第一反射波束中存在一定方向的波束能够辐射到移动终端，以实现对移动终端的波束扫描。

S340：接收移动终端反馈的第一反馈信息；

其中，第一反馈信息包括第一位置参数；第一位置参数是基于第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；第一接收波束为移动终端接收的第一反射波束中的部分波束；发射角为第一定位信号从基站发射时与水平面所成的夹角；到达角为第一定位信号到达移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角。

移动终端可以将接收到的第一反射波束中的部分波束作为第一接收波束，并探测该第一接收波束的功率。一种情况下，移动终端可以先判断第一接收波束的功率是否达到自身的定位条件，比如，判断第一接收波束的功率是否达到一预设阈值，如果达到，则与基站建立通信，并将携带有该第一接收波束的信息反馈给基站；基站根据移动终端接收到的第一接收波束进行筛选，保留两条较为稳定的波束，以便移动终端能够基于这两条波束计算自身的位置参数。

举例来说，移动终端可以先对接收到的第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构，比如，移动终端共接收到P道波束作为第一接收波束，可以将第p道波束的定位信号表示为如下公式7所示：

其中，H₁[n]表示第p道波束的定位信号从基站发射至超表面的信道，H₂[n]表示第p道波束的定位信号由超表面反射至移动终端的信道，Θ表示超表面的相移矩阵，ω_(p)[n]表示对基站配置的发射天线进行第p道波束赋形的矢量，s_(p)[n]表示第p道波束的发送符号，z_(p)[n]表示第p道波束在移动终端处的功率密度对应的加性高斯白噪声。基于毫米波信道在空间信号域的稀疏性，可以将移动终端接收到的第一接收波束中携带的第一定位信号的信道虚拟表示为如下公式8所示，使虚拟表示的信道H_v[n]在空间信号域可视为稀疏：

其中，H[n]＝H₂[n]ΘH₁[n]表示第p道波束的定位信号从基站到移动终端的整体信道，

表示第p道波束的定位信号的信道的虚拟接收端的转换矩阵，

表示第p道波束的定位信号的信道的虚拟发送端的转换矩阵，β_p表示第p道波束的定位信号的信道增益，a_R,n表示第p道波束的定位信号的信道响应矢量，a_T,n表示第p道波束的定位信号的信道导向矢量，θ_T,p表示第p道波束的定位信号的发射角，θ_R,p表示第p道波束的定位信号的到达角。

移动终端接收到的P道波束(第一接收波束)中的第一定位信号可以表示为如下公式9所示：

其中，h_v[n]＝vec(H_v[n])，Ω[n]表示压缩感知中的观测矩阵，z[n]表示第一接收波束在移动终端处的功率密度对应的加性高斯白噪声。

一种实施方式中，可以通过将公式9中的y_v[n]与Ω[n]作为输入，代入DCS-SOMP(Distributed Compressed Sensing-Simultaneous Orthogonal Matching Pursuit，分布式压缩感知-同步正交匹配跟踪)算法，得到第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度。

移动终端获得第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度之后，可以通过几何计算得到自身的第一位置参数。举例来说，用(x_m，y_m)表示第一位置的坐标，其中，x_m可以根据公式10计算得到，y_m可以根据公式11计算得到：

x_m＝r_i,p cosθ_T,p-r_r,p cos(θ_R,p+α) 公式10

y_m＝r_i,p sinθ_T,p-r_r,p sin(θ_R,p+α) 公式11

其中，θ_T,p表示第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角，θ_R,p表示第一接收波束中携带的第一定位信号的到达角，α表示移动终端的旋转角，r_i,p＝l₁/sinθ_T,p表示信号波中第p道电磁波从基站到超表面的传输路径长度，l₁表示基站到超表面的垂直距离，r_p,2＝l₂/sin(θ_R,p+α)表示信号波中第p道电磁波由超表面反射到达移动终端的传输路径长度，l₂表示超表面到移动终端的垂直距离。

S350：基于第一反馈信息，确定对移动终端的定位结果。

一种实施方式中，基站获得移动终端反馈的第一反馈信息中包括的第一位置参数后，可以将该第一位置参数对应的坐标位置确定为对移动终端的定位结果。

另一种实施方式中，基站接收的第一反馈信息中还可以包括第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构后的信道参数。参考图5所示，S350还可以通过以下步骤来实现：

S3501：基于第一反馈信息，确定预调位置；

基站可以将第一反馈信息中包括的第一位置参数对应的坐标位置确定为预调位置。

S3502：基于第一反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面；

基站可以基于第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构后的信道参数，调整对基站配置的发射天线的波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面。

举例来说，可以基于重构后的信道参数中包含的H₁[n]、Θ、H₂[n]将移动终端接收到的第一接收波束中携带的第一定位信号的信噪比表示为如下公式12所示：

其中，H₁[n]表示第一接收波束中携带的第一定位信号从基站发射至超表面的信道，H₂[n]表示第一接收波束中携带的第一定位信号由超表面反射至移动终端的信道，Θ表示超表面的相移矩阵，ω[n]表示对基站配置的发射天线进行波束赋形的矢量，σ²表示第一接收波束的功率密度。

根据公式12，可以建立目标函数如下公式13所示：

其中，H₁[n]表示第一接收波束中携带的第一定位信号从基站发射至超表面的信道，H₂[n]表示第一接收波束中携带的第一定位信号由超表面反射至移动终端的信道，Θ表示超表面的相移矩阵，ω[n]表示对基站配置的发射天线进行波束赋形的矢量，P_Tmax表示基站配置的发射天线的最大发射功率，θ_k表示超表面对信号波中不同入射角度的电磁波产生的相移量，N_m表示超表面上的阵元数量。

一种情况下，可以将发射天线的波束赋形的矢量调整为最大比率传输如下公式14所示：

其中，P_Tmax表示基站配置的发射天线的最大发射功率，P_T表示基站配置的发射天线的发射功率，H₂[n]表示第一接收波束中携带的第一定位信号由超表面反射至移动终端的信道，Θ表示超表面的相移矩阵，H₁[n]表示第一接收波束中携带的第一定位信号从基站发射至超表面的信道。

根据公式14得到的波束赋形的矢量，对发射天线的波束赋形进行调整，从而改变基站发射出的信号波，得到调整后的信号波。

在将发射天线的波束赋形的矢量调整为最大比率传输的基础上，如公式13所示的目标函数可以简化为如下公式15所示：

其中，H₂[n]表示第一接收波束中携带的第一定位信号由超表面反射至移动终端的信道，Θ表示超表面的相移矩阵，H₁[n]表示第一接收波束中携带的第一定位信号从基站发射至超表面的信道，θ_k表示超表面对信号波中不同入射角度的电磁波产生的相移量，N_m表示超表面上的阵元数量。

求解使如公式15所示的目标函数得到最大值的相移矩阵最优解，将该相移矩阵最优解表示为如下公式16所示：

则可以根据公式16得到的相移矩阵最优解，调整超表面的相移矩阵，得到调整后的超表面。

S3503：控制调整后的超表面反射调整后的信号波至预调位置，得到第二反射波束；

举例来说，仍然可以由基站中的FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或者其他处理器，控制调整后的超表面反射调整后的信号波至预调位置，得到第二反射波束。由于预调位置是根据移动终端向基站反馈的第一位置参数确定的，可以理解的，第二反射波束中到达移动终端的波束产生的场强或功率，与第一反射波束对移动终端进行扫描时到达移动终端的波束产生的场强或功率相比更大，足够满足移动终端的定位条件。

S3504：接收移动终端反馈的第二反馈信息；

其中，第二反馈信息可以包括第二位置参数；第二位置参数是基于第二接收波束中携带的第二定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；第二接收波束为移动终端接收的第二反射波束中的部分波束；发射角为第二定位信号从基站发射时与水平面所成的夹角；到达角为第二定位信号到达移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角。得到第二位置参数具体实施方式可以参考得到第一位置参数的实施方式，此处不再赘述。

一种实施方式中，移动终端在接收到第二接收波束后，还可以先对接收到的第二接收波束中携带的第二定位信号的信道进行重构，则基站接收的第二反馈信息中除了包括第二位置参数，还可以包括第二接收波束中携带的第二定位信号的信道进行重构后的信道参数。对第二接收波束中携带的第二定位信号的信道进行重构的具体实施方式可以参考上面对第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构的实施方式，此处不再赘述。

S3505：判断是否达到结束条件；

一种实施方式中，可以通过判断第二反馈信息中包括的第二位置参数的波动范围是否在预设范围内来判断是否达到结束条件。另一种实施方式中，也可以由移动终端将自身探测到的第二接收波束的功率反馈给基站，基站再通过判断第二接收波束的功率是否大于一预设阈值来判断是否达到结束条件。如果否，则判定未达到结束条件；如果是，则判定达到结束条件。

如果未达到，执行S3506：基于第二反馈信息，更新预调位置，并基于第二反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面，而后返回执行S3503；

举例来说，基站可以基于第二反馈信息中包括的第二位置参数对应的坐标位置，更新预调位置；基于第二反馈信息中包括的第二接收波束中携带的第二定位信号的信道进行重构后的信道参数，调整对基站配置的发射天线的波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面。基于第二反馈信息中包括的信道参数调整波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面的具体实施方式可以参考上面对S3502的详细介绍，此处不再赘述。

如果达到，执行S3507：基于最终得到的第二反馈信息，确定对移动终端的定位结果。

基于循环迭代得到的位置参数更新预调位置，并基于每次循环迭代过程中对定位信号的信道进行重构后得到的不同的信道参数，调整对基站配置的发射天线的波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，以使携带定位信号的电磁波能够尽可能多地被传输至移动终端，更好地实现对移动终端的定位，也就是可以通过循环迭代逐步提高定位精度，直至达到结束条件后再输出定位结果，以使最终得到的定位结果达到期望的定位精度。

应用本发明实施例，通过基站控制超表面改变携带有定位信号的信号波的传输路径，也就是主动改变信号传输路径，可以降低信号在传输过程中受到的多径效应影响，从而提高定位精度，改变了现有定位理论体系中被动识别并消除多径信号的定位方式。

与上述方法实施例相对应，本发明实施例还提供了一种基于超表面的定位装置，参考图6所示，该装置应用于配置有超表面的基站，该装置可以包括：发射模块610、控制模块620、扫描模块630、接收模块640、运算模块650，其中，

发射模块610，用于发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波；

发射模块610可以为发射天线，用于发射电磁波。信号波可以是由发射天线随机发射的携带有定位信号的多道电磁波，也可以是期望的波束形状，举例来说，可以先对发射天线进行波束赋形，使发射天线发射出的信号波近似平面波。

控制模块620，用于控制超表面改变信号波的传输路径，得到第一反射波束；

控制模块620执行该步骤的具体实施方式可以参考方法实施例中对S320的详细介绍，此处不再赘述。

扫描模块630，用于利用第一反射波束对移动终端进行扫描；

举例来说，第一反射波束可以是类似于扇形的波束，该第一反射波束中存在一定方向的波束能够辐射到移动终端，以实现对移动终端的波束扫描。

接收模块640，用于接收移动终端反馈的第一反馈信息；

其中，第一反馈信息包括第一位置参数；第一位置参数是基于第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；第一接收波束为移动终端接收的第一反射波束中的部分波束；发射角为第一定位信号从基站发射时与水平面所成的夹角；到达角为第一定位信号到达移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角。得到第一位置参数具体实施方式可以参考方法实施例中对S340的详细介绍，此处不再赘述。

运算模块650，用于基于第一反馈信息，确定对移动终端的定位结果。

一种实施方式中，运算模块650可以根据移动终端反馈的第一反馈信息中包括的第一位置参数对应的坐标位置，确定对移动终端的定位结果。

另一种实施方式中，移动终端反馈的第一反馈信息中还可以包括第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构后的信道参数。在本实施方式中，运算模块650可以包括：第一初始化子模块、第二初始化子模块、控制子模块、接收子模块、判断子模块(图中未示出)，其中，

第一初始化子模块，用于基于第一反馈信息，确定预调位置；

第一初始化子模块可以将第一反馈信息中包括的第一位置参数对应的坐标位置确定为预调位置。

第二初始化子模块，用于基于第一反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面；

第二初始化子模块可以基于第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构后的信道参数，调整对基站配置的发射天线的波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面，具体可以参考方法实施例中对S3502的详细介绍，此处不再赘述。

控制子模块，用于控制调整后的超表面反射调整后的信号波至预调位置，得到第二反射波束；

举例来说，控制子模块可以为FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或者其他处理器。由于预调位置是根据移动终端向基站反馈的第一位置参数确定的，可以理解的，第二反射波束中到达移动终端的波束产生的场强或功率，与第一反射波束对移动终端进行扫描时到达移动终端的波束产生的场强或功率相比更大，足够满足移动终端的定位条件。

接收子模块，用于接收移动终端反馈的第二反馈信息；

其中，第二反馈信息包括第二位置参数；第二位置参数是基于第二接收波束中携带的第二定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；第二接收波束为移动终端接收的第二反射波束中的部分波束；发射角为第二定位信号从基站发射时与水平面所成的夹角；到达角为第二定位信号到达移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角。得到第二位置参数具体实施方式可以参考得到第一位置参数的实施方式，此处不再赘述。

一种实施方式中，移动终端在接收到第二接收波束后，还可以先对接收到的第二接收波束中携带的第二定位信号的信道进行重构，则基站接收的第二反馈信息中除了包括第二位置参数，还可以包括第二接收波束中携带的第二定位信号的信道进行重构后的信道参数。对第二接收波束中携带的第二定位信号的信道进行重构的具体实施方式可以参考上面对第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构的实施方式的介绍，此处不再赘述。

判断子模块，用于判断是否达到结束条件；如果未达到，基于第二反馈信息，更新预调位置，并基于第二反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面，而后触发控制子模块；如果达到，基于最终得到的第二反馈信息，确定对移动终端的定位结果。

一种实施方式中，判断子模块可以通过判断第二反馈信息中包括的第二位置参数的波动范围是否在预设范围内来判断是否达到结束条件。另一种实施方式中，判断子模块也可以由移动终端将自身探测到的第二接收波束的功率反馈给基站，基站再通过判断第二接收波束的功率是否大于一预设阈值来判断是否达到结束条件。如果否，则判定未达到结束条件，此时，基于第二反馈信息，更新预调位置，并基于第二反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面，而后触发控制子模块。如果是，则判定达到结束条件，此时，基于最终得到的第二反馈信息中包括的第二位置参数，确定对移动终端的定位结果。

举例来说，判断子模块可以基于第二反馈信息中包括的第二位置参数对应的坐标位置，更新预调位置；基于第二反馈信息中包括的第二接收波束中携带的第二定位信号的信道进行重构后的信道参数，调整对基站配置的发射天线的波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面。基于第二反馈信息中包括的信道参数调整波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面的具体实施方式可以参考上面方法实施例中对S3502的详细介绍，此处不再赘述。

基于循环迭代得到的位置参数更新预调位置，并基于每次循环迭代过程中对定位信号的信道进行重构后得到的不同的信道参数，调整对基站配置的发射天线的波束赋形的矢量、以及超表面的相移矩阵，以使携带定位信号的电磁波能够尽可能多地被传输至移动终端，更好地实现对移动终端的定位，也就是可以通过循环迭代逐步提高定位精度，直至达到结束条件后再输出定位结果，以使最终得到的定位结果达到期望的定位精度。

应用本发明实施例，通过基站控制超表面改变携带有定位信号的信号波的传输路径，也就是主动改变信号传输路径，可以降低信号在传输过程中受到的多径效应影响，从而提高定位精度，改变了现有定位理论体系中被动识别并消除多径信号的定位方式。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例和装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于超表面的定位系统，其特征在于，包括：基站和移动终端，所述基站配置有超表面，其中，

所述基站，用于发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波；控制所述超表面改变所述信号波的传输路径，得到第一反射波束；利用所述第一反射波束对所述移动终端进行扫描；

所述移动终端，用于接收第一接收波束，所述第一接收波束为所述第一反射波束中的部分波束；基于所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度，计算得到第一位置参数；将包括所述第一位置参数的第一反馈信息反馈至所述基站；其中，所述发射角为所述第一定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；所述到达角为所述第一定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

所述基站，还用于基于所述第一反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述移动终端，还用于在所述接收第一接收波束之后，判断所述第一接收波束的功率是否达到定位条件，如果达到，再执行所述基于所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度，计算得到第一位置参数的步骤。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述移动终端，还用于在判定所述第一接收波束的功率达到定位条件之后，对所述第一接收波束中携带的第一定位信号的信道进行重构；基于重构后的信道参数，计算得到所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一反馈信息中还包括所述重构后的信道参数。

5.一种基于超表面的定位方法，其特征在于，应用于基站，所述基站配置有超表面，所述方法包括：

发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波；

控制所述超表面改变所述信号波的传输路径，得到第一反射波束；

利用所述第一反射波束对移动终端进行扫描；

接收所述移动终端反馈的第一反馈信息；其中，所述第一反馈信息包括第一位置参数；所述第一位置参数是基于所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；所述第一接收波束为所述移动终端接收的所述第一反射波束中的部分波束；所述发射角为所述第一定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；所述到达角为所述第一定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

基于所述第一反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果，包括：

基于所述第一反馈信息，确定预调位置；

基于所述第一反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及所述超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面；

控制调整后的超表面反射调整后的信号波至预调位置，得到第二反射波束；

接收所述移动终端反馈的第二反馈信息；其中，第二反馈信息包括第二位置参数；第二位置参数是基于第二接收波束中携带的第二定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；第二接收波束为所述移动终端接收的第二反射波束中的部分波束；发射角为第二定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；到达角为第二定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

判断是否达到结束条件；如果未达到，基于第二反馈信息，更新预调位置，并基于第二反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及所述超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面，而后返回执行所述控制调整后的超表面反射调整后的信号波至预调位置，得到第二反射波束的步骤；如果达到，基于最终得到的第二反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述判断是否达到结束条件，包括：

判断第二反馈信息中包括的第二位置参数的波动范围是否在预设范围内，如果否，则判定未达到结束条件；如果是，则判定达到结束条件。

8.一种基于超表面的定位装置，其特征在于，应用于基站，所述基站配置有超表面，所述装置包括：

发射模块，用于发射携带有定位信号的多道电磁波，作为信号波；

控制模块，用于控制所述超表面改变所述信号波的传输路径，得到第一反射波束；

扫描模块，用于利用所述第一反射波束对移动终端进行扫描；

接收模块，用于接收所述移动终端反馈的第一反馈信息；其中，所述第一反馈信息包括第一位置参数；所述第一位置参数是基于所述第一接收波束中携带的第一定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；所述第一接收波束为所述移动终端接收的所述第一反射波束中的部分波束；所述发射角为所述第一定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；所述到达角为所述第一定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

运算模块，用于基于所述第一反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述运算模块，包括：

第一初始化子模块，用于基于所述第一反馈信息，确定预调位置；

第二初始化子模块，用于基于所述第一反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及所述超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面；

控制子模块，用于控制调整后的超表面反射调整后的信号波至预调位置，得到第二反射波束；

接收子模块，用于接收所述移动终端反馈的第二反馈信息；其中，第二反馈信息包括第二位置参数；第二位置参数是基于第二接收波束中携带的第二定位信号的发射角、到达角、以及传输路径长度计算得到的；第二接收波束为所述移动终端接收的第二反射波束中的部分波束；发射角为第二定位信号从所述基站发射时与水平面所成的夹角；到达角为第二定位信号到达所述移动终端时与水平面以旋转角逆时针旋转后的面所成的夹角；

判断子模块，用于判断是否达到结束条件；如果未达到，基于第二反馈信息，更新预调位置，并基于第二反馈信息，调整波束赋形的矢量、以及所述超表面的相移矩阵，得到调整后的信号波、以及调整后的超表面，而后触发所述控制子模块；如果达到，基于最终得到的第二反馈信息，确定对所述移动终端的定位结果。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述判断子模块还用于：

判断第二反馈信息中包括的第二位置参数的波动范围是否在预设范围内，如果否，则判定未达到结束条件；如果是，则判定达到结束条件。

Images