[发明专利]基于信号检测概率和波达角估计的单接收机定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线定位技术，它以无线通信、雷达等领域为实际应用背景，利用一个接收机的天线阵列获得目标用户信号的接收数据及检测概率，分别求得目标用户与接收机的夹角及目标用户与接收机的距离，进而得到目标用户的位置信息。

背景技术

当今社会，无线电设备已广泛应用于工业生产、居民生活、军事侦查、科学研究、通信服务等各个方面。随着应用的深入，利用无线电对目标(信号源或感应、反射信号源)进行定位的需求也就应运而生。特别是近年来，无线通信的普及和无线传感器网络的兴起，相应的定位需求变得十分强烈，也促进了定位技术与相应系统的研究，随着无线定位技术的发展，无线定位的高效率高精度算法、实时实现手段以及实用化成为定位技术研究的重要内容之一。与其相关的信号处理技术成为关键技术之一。伴随着无线传感器网络的兴起及低成本小型化探测装置的广泛运用，低成本的目标运动分析成为可能。

无线定位技术的研究与应用始于20世纪，随后该项技术在公共交通管理、货物运输、出租车管理、犯罪跟踪和紧急医疗服务等有限范围内得到应用，目前无线定位在军事和民用技术中已得到了广泛应用。现有的定位与导航系统有：雷达，塔康，JTIDS(联合战术信息分布系统)，卫星通信定位系统(我国双星定位系统和其它卫星通信网定位系统)，全球定位系统(如GPS、GLONASS和即将投入应用的GALILEO系统)和蜂窝通信定位系统等。现有的主流算法一般对硬件要求较高，计算与信息传输量大，能耗高实用性差。而无线通信网络的发展现状要求无线定位技术必须着眼于提高精度、低成本方案、易于现场实施等方面。

随着无线通信网络的覆盖面越来越广，服务的范围越来越宽。移动通信系统采用增强可观察时间差分(E-OTD)技术，定位精度可在100米内，但远远不能满足社会发展对系统定位精度和可靠性日益增长的需要，达不到定位精度，亦很难实现三维位置定位。虽然可将GPS直接安装在移动终端或手机上实现较为精确的定位，但是存着一些难于解决的问题，定位精度与可靠性不能满足社会发展的需要。

发展具有定位与跟踪能力的民用无线电通信系统，如蜂窝式移动通信系统、无线局域网、个人网络等引起了广泛关注。以蜂窝式移动通信网络为例，早在1996年美国联邦通信委员会要求美国移动运营商必须能够对911紧急报警(E911)的移动电话进行定位，定位精度要求误差在百米以内的概率大于67％。其他的组织也在考虑相类似的规定。自美国联邦通信委员会发布E911规范以来，基于无线网络的定位技术研究一直处于活跃状态，各种定位技术与算法相继被提出，每种定位技术与算法都有它的优点，同时也存在一定缺陷。由于一般的定位方法都会受到各种干扰和测量误差影响，定位精度不高，可靠性较差，已经成无线定位技术发展与应用的瓶颈问题。因此，研究提高定位精度与可靠性的定位算法来完善无线定位技术是一个非常实用又具有挑战性的问题，是无线定位技术得以广泛应用的关键，定位算法的应用还可以拓展无线通信网络的业务范围。

无线通信网络能够借助定位技术进行动态资源分配，这是提供大带宽高质量服务的网络优化方案的基础。因此，定位系统的研究和开发具有巨大的市场前景，这也为定位研究的开展和深入提供了可靠的社会动力和支持，对移动运营商而言，定位技术能够为他们提供许多增值服务：随身保姆功能、紧急救援、车辆导航和智能交通系统(ITS)、安全管理、诸如与位置相关的信息浏览、智能交通控制与车队管理、个人定位服务等。

目前常用的定位算法如下：全球定位系统(GPS)是一种比较成熟的定位技术，定位精度较高，但受环境影响较大，信号被城市建筑遮挡严重，导致定位精度、可靠性下降和定位时间延长。导航定位系统专业化强，不适合通信定位广泛应用；UWB定位也是比较成熟的定位技术，它可以实现小范围内的高精度定位，但主要适合室内环境；经典的定位方法是基于到达时间(TOA)、波达角度(DOA)、接收信号强度(RSS)的求解几何方程的定位方法，需要运用分布式天线进行协同定位，需要信息融合，实现起来较为复杂，基于多维标度(MDS)的定位方法利用距离测量的平方量构建多维相似矩阵，但需要已知若干用户之间的距离。

我们提出一种简单有效的定位算法，该方法可以分为三个部分实施。首先，通过对目标用户检测概率的测量，得到目标用户与接收机的距离；其次，利用多重信号分类方法(MUSIC)对目标用户的波达角度(DOA)进行估计，得到目标用户与接收机之间的夹角；最后，结合前两部分的结果通过简单换算就能得到目标用户的位置。该方法的优势在于只需要一个接收机便可以进行定位，运算简单，易于实现。

发明内容