本發(fā)明屬于無線電定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于多天線正交頻分復(fù)用調(diào)制信號的定位方法。

背景技術(shù)：

位置信息已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的關(guān)鍵基礎(chǔ)信息，在國民經(jīng)濟(jì)、國防科技和日常生活中發(fā)揮著重要的作用。以gps為代表的星基定位定位系統(tǒng)已經(jīng)使得眾多的應(yīng)用得到方便快捷的位置服務(wù)。正交頻分復(fù)用(ofdm)被很多無線通信的標(biāo)準(zhǔn)采納,包括3gpplte,dvb-t,和ieee802.11agn/ac、因此利用現(xiàn)有的ofdm系統(tǒng)進(jìn)行定位是一個具有兼容性的方法。

定位技術(shù)通常分為兩大類：基于測距的定位和非測距的定位。非測距的定位依靠節(jié)點(diǎn)間的連接信息來推測節(jié)點(diǎn)位置信息，定位精度不高。基于測距的定位一般基于某種距離量的測量來確定位置信息，通常定位精度較高，因此更適用提供高精度的位置服務(wù)。對于基于測距的定位系統(tǒng)，測距方式包括到達(dá)時間測距(toa)、到達(dá)時間差測距(tdoa)、方位角測距(aoa)、接收信號強(qiáng)度測距(rssi)等?；趏fdm的定位系統(tǒng)通常采用的是達(dá)時間測距(toa)、方位角測距(aoa)，然后利用三角定位原理進(jìn)行定位。

基于方位角測距(aoa)的ofdm系統(tǒng)較為成熟，大多數(shù)系統(tǒng)采用線性陣列天線，進(jìn)行二維方位角測距，其方位角估計(jì)的精度與天線的數(shù)量有密切的聯(lián)系。一般來說，天線數(shù)量越多，其能夠分辨的信號源個數(shù)越多，其估計(jì)精度也越高。在天線數(shù)量較少的情況下，如3根天線，絕大部分傳統(tǒng)的定位方法都不能有效工作。理論上，傳統(tǒng)的角度估計(jì)方法，其能夠分辨相干信號源的個數(shù)m小于天線數(shù)量n?；趏fdm子載波的頻率多樣性的定位方法能夠減小定位精度對天線數(shù)量的依賴，能夠?qū)崿F(xiàn)在天線數(shù)量少于信號源數(shù)量的情況下的高精度的方位角測距(aoa)。該方法特別適合天線數(shù)量較少情況下的角度估計(jì)，特別是當(dāng)天線數(shù)量為3根的時候，其他方法都不能估計(jì)角度，而該方法依然能夠正確估計(jì)角度信息。但是該方法僅僅限于二維的平面定位。

因此，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：當(dāng)相干信號源個數(shù)多于天線數(shù)量的時候，基于多天線正交頻分復(fù)用調(diào)制信號的定位方法無法實(shí)現(xiàn)三維定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于多天線正交頻分復(fù)用調(diào)制信號的定位方法,能以較少的天線數(shù)量實(shí)現(xiàn)多個信號源的高精度三維定位。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種基于多天線正交頻分復(fù)用調(diào)制信號的定位方法，包括如下步驟：

(10)數(shù)字信號獲?。簭膱A形排列的多天線陣獲取正交頻分復(fù)用調(diào)制的數(shù)字信號；

(20)系統(tǒng)重構(gòu)：采用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法對導(dǎo)頻數(shù)字信號進(jìn)行信道估計(jì)，獲取不同子載波的信道狀態(tài)信息，從子載波信道狀態(tài)信息中分解出基于子載波和天線排列重構(gòu)的方向矢量，根據(jù)方向矢量擴(kuò)展孔徑；

(30)子載波虛擬平滑：根據(jù)不變的子陣列流型原則，將不同天線上的子載波重新組合，得到子陣列，根據(jù)子陣列包含的不同天線上的信道專題信息，得到各子陣列信道狀態(tài)信息的協(xié)方差，并將所有子陣列的協(xié)方差求加權(quán)平均，得到子陣列協(xié)方差算術(shù)平均值；

(40)入射角度時間估計(jì)：根據(jù)各子陣列協(xié)方差的算術(shù)平均值，進(jìn)行二維角度時間估計(jì)，并進(jìn)行特征值分解，找出偽峰譜圖峰值對應(yīng)的角度、時間，作為未知信號的入射角、入射時間；

(50)三角定位：多個錨節(jié)點(diǎn)在完成對待定位節(jié)點(diǎn)的方向角度估計(jì)后，獲得了以自身為參考，待定位節(jié)點(diǎn)的方位信息；多個錨節(jié)點(diǎn)估計(jì)的方向角進(jìn)行交叉定位，選取到達(dá)時間最小信號的到達(dá)角度作為方向角，在交叉點(diǎn)形成的圖形中的選取任意一點(diǎn)作為定位的最終坐標(biāo)點(diǎn)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

當(dāng)相干信號源個數(shù)多于天線數(shù)量的時候，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的三維定位。因?yàn)椋?/p>

1、利用在圓形排列的天線陣列，基于其陣列響應(yīng)和子載波的csi共同構(gòu)建了系統(tǒng)的虛擬方向矢量，其包含兩個維度的信息，因此在估計(jì)每一個維度的信息的時候，可以利用每一根天線和所有子載波的信息，從而擴(kuò)展了陣列的孔徑。

2、根據(jù)擴(kuò)展后的圓形陣列的陣列流型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了虛擬子載波平滑方法，從而使得基于子空間分解的估計(jì)算法能夠有效的估計(jì)多個相干信號的doa-toa。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于多天線正交頻分復(fù)用調(diào)制信號的定位方法的主流程圖。

圖2為本發(fā)明定位方法的多天線圓形排列圖.

圖3為本發(fā)明基于多天線正交頻分復(fù)用調(diào)制信號的定位方法的工作原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明一種基于多天線正交頻分復(fù)用調(diào)制信號的定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

(10)數(shù)字信號獲?。簭膱A形排列的多天線陣獲取正交頻分復(fù)用調(diào)制的數(shù)字信號；所述圓形排列的多天線陣為：

所述圓形排列的多天線陣是多根天線在幾何圓形的周長上均勻排布：n根天線形成均勻的圓形排列，每一根之間間隔2π/n弧度。如圖2所示，假設(shè)l個未知的ofdm信號源在遠(yuǎn)場以角度射入到圓形陣列上，θ為信號與x軸的夾角，為信號與z軸的夾角，以圓心為參考，那么第l個未知信號源的陣列響應(yīng)矢量為

其中r為圓形陣列的半徑，c為光速，θl第l條路徑的入射角，f為其頻。

這里，雖然是ofdm寬帶信號，f不盡相同，但是f/c卻帶寬的變化非常小，因此為了方便處理，我們將所有波長近似到中心頻率的波長上，統(tǒng)一為f。

(20)系統(tǒng)重構(gòu)：采用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法對導(dǎo)頻數(shù)字信號進(jìn)行信道估計(jì)，獲取不同子載波的信道狀態(tài)信息，從子載波信道狀態(tài)信息中分解出基于子載波和天線排列重構(gòu)的方向矢量，根據(jù)方向矢量擴(kuò)展孔徑；

所述(20)系統(tǒng)重構(gòu)步驟包括：

(21)信道估計(jì)：待定位節(jié)點(diǎn)采用導(dǎo)頻估計(jì)方法，即在發(fā)送的ofdm信號中加入導(dǎo)頻，錨節(jié)點(diǎn)通過對ofdm信號的模擬采樣，離散數(shù)字化為數(shù)字信號，然后利用最小二乘估計(jì)方法，通過導(dǎo)頻信息行信道估計(jì)，獲取不同子載波的信道狀態(tài)信息，即不同子載波的csi；

(22)孔徑擴(kuò)展：將不同天線上的信道狀態(tài)信息排列形成如下式，

式中，c(t)為天線的接收的csi重構(gòu)成復(fù)數(shù)矢量，csi為信道狀態(tài)信息，t為csi的快拍數(shù)，按下式分解出將c(t)分解出基于子載波和天線排列重構(gòu)的方向矢量a以擴(kuò)展孔徑，

c(t)＝a·s(t)+n(t)t＝1,2,3...t

其中，

其中，

其中，δf為子載波間隔，

式中，為公式(1)中的第l行,s(t)為1*3k的向量，其元素為不同路徑信號到達(dá)天線陣中心的衰減，n(t)為對應(yīng)的噪聲。

可以看到，在重構(gòu)的系統(tǒng)方向向量a包含了所有路徑信號的二維角度以及到達(dá)時間，并且a為3k*l的矩陣，大大地擴(kuò)展了系統(tǒng)的孔徑。

(30)子載波虛擬平滑：根據(jù)不變的子陣列流型原則，將不同天線上的子載波重新組合，得到子陣列，根據(jù)子陣列包含的不同天線上的信道專題信息，得到各子陣列信道狀態(tài)信息的協(xié)方差，并將所有子陣列的協(xié)方差求加權(quán)平均，得到子陣列協(xié)方差算術(shù)平均值；

所述(30)子載波虛擬平滑步驟具體為：

第一個子陣列為將c(t)的1,2,…,mk+1,k+2,…,k+m，2k+1,2k+2,…,2k+m共3m個元素抽出，組合而成，后續(xù)子陣列在第一個子陣列的基礎(chǔ)上分別向后移動一個子載波，以此類推，

其中，j＝1,2,..,j＝k-m+1，j為總的子陣列數(shù)量，

則，第j個子陣的輸出c^j(t)為：

其中，新的方向矢量

b＝diag[ψ1,ψ2,…,ψl]，

第一個子陣陣列流型為

的元素根據(jù)對應(yīng)的子陣列，相對應(yīng)于s(t)n(t)中的元素。

(40)入射角度時間估計(jì)：根據(jù)各子陣列協(xié)方差的算術(shù)平均值，進(jìn)行二維角度時間估計(jì)，并進(jìn)行特征值分解，找出偽峰譜圖峰值對應(yīng)的角度、時間，作為未知信號的入射角、入射時間；

將所有的j個子陣列的協(xié)方差簡單的相加：

然后用其平均的協(xié)方差作為進(jìn)行二維角度時間估計(jì)算法的輸入，如music等，利用其該協(xié)方差陣進(jìn)行特征值的分解，然后根據(jù)偽峰譜圖，找到最大的峰對應(yīng)的角度，時間，即是未知信號的入射角，入射時間。

(50)三角定位：如圖3所示，多個錨節(jié)點(diǎn)在完成對待定位節(jié)點(diǎn)的方向角度估計(jì)后，獲得了以自身為參考，待定位節(jié)點(diǎn)的方位信息；多個錨節(jié)點(diǎn)估計(jì)的方向角進(jìn)行交叉定位，選取到達(dá)時間最小信號的到達(dá)角度作為方向角，在交叉點(diǎn)形成的圖形中的選取任意一點(diǎn)作為定位的最終坐標(biāo)點(diǎn)。