[發(fā)明專利]一種UWB室內(nèi)定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110638880.5
• 申請(qǐng)日: 2021-06-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113473373B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 莊銘杰;朱任
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華僑大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W4/021
• 分類號(hào): H04W4/021;H04W4/33;H04W64/00
• 代理公司: 廈門市首創(chuàng)君合專利事務(wù)所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;林燕玲

本發(fā)明公開(kāi)了一種UWB室內(nèi)定位方法，先利用順序聚類算法改進(jìn)了粒子群算法(PSO)，使其具有求解復(fù)雜多峰函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的能力。其次根據(jù)MB?OFDM?UWB信號(hào)的特點(diǎn)，利用空時(shí)MUSIC算法來(lái)估計(jì)室內(nèi)多徑信號(hào)的波達(dá)方向(DOA)和到達(dá)時(shí)間(TOF)，并將空時(shí)MUSIC算法的空間譜函數(shù)作為改進(jìn)PSO的目標(biāo)函數(shù)，來(lái)快速搜索出直達(dá)波的DOA。最后使用AOA定位算法實(shí)現(xiàn)了UWB信號(hào)的室內(nèi)定位。本方法能夠在多徑信號(hào)中準(zhǔn)確識(shí)別出直達(dá)波的DOA，且相較MUSIC算法大幅降低了譜峰搜索的用時(shí)，提升了定位速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及室內(nèi)定位領(lǐng)域，特別是指一種UWB室內(nèi)定位方法。

背景技術(shù)

在室內(nèi)環(huán)境中，由于墻壁、障礙物等的存在使信號(hào)產(chǎn)生反射和折射，從而導(dǎo)致多徑效應(yīng)的出現(xiàn)，使定位系統(tǒng)產(chǎn)生較大誤差。MUSIC(Multiple Signal Classification多信號(hào)分類)算法是1979年由美國(guó)人R.O.Schmidt提出的，它標(biāo)志著空間譜估計(jì)測(cè)向進(jìn)入了繁榮發(fā)展的階段。它將“向量空間”的概念引入了空間譜估計(jì)領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展，可以說(shuō)其理論已經(jīng)比較成熟。MUSIC算法是一種基于矩陣特征空間分解的方法，具有高精度和高分辨的特點(diǎn)，是估計(jì)DOA參數(shù)的經(jīng)典算法之一。MUSIC算法主要由兩個(gè)環(huán)節(jié)組成：其一是構(gòu)建空間譜函數(shù)，其二是對(duì)空間譜函數(shù)進(jìn)行譜峰搜索估計(jì)出入射信號(hào)的參數(shù)。

TOA定位方法，主要是根據(jù)測(cè)量接收信號(hào)在基站和移動(dòng)臺(tái)之間的到達(dá)時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換為距離，從而進(jìn)行定位。空時(shí)MUSIC算法不僅能夠估計(jì)DOA，還能同時(shí)估計(jì)每簇多徑信號(hào)的飛行時(shí)間(TOF)，因此其可用于室內(nèi)環(huán)境下多徑信號(hào)的直達(dá)波識(shí)別，進(jìn)而有效解決AOA定位算法在多徑環(huán)境中失效的問(wèn)題。但是，空時(shí)MUSIC算法在譜峰搜索環(huán)節(jié)采用的是等步長(zhǎng)的網(wǎng)格搜索方法，在高精度要求下，網(wǎng)格搜索會(huì)產(chǎn)生巨大的計(jì)算量導(dǎo)致搜索時(shí)間長(zhǎng)，最終影響空時(shí)MUSIC算法的估計(jì)性能。

因此，需要一種能夠快速求解復(fù)雜多峰函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的搜索方法，來(lái)替代網(wǎng)格搜索，從而實(shí)現(xiàn)高精度、快速的DOA估計(jì)及室內(nèi)定位。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有定位方法采用網(wǎng)格搜索方法，產(chǎn)生巨大的計(jì)算量導(dǎo)致搜索時(shí)間長(zhǎng)、影響MUSIC算法的估計(jì)性能的缺陷，提出一種UWB室內(nèi)定位方法，能實(shí)現(xiàn)UWB室內(nèi)高精度、快速的直達(dá)波識(shí)別和定位。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種UWB室內(nèi)定位方法，其特征在于，將信源的k個(gè)多徑相干信號(hào)入射到具有M個(gè)陣元的均勻直線陣列，將均勻直線陣列分為p個(gè)相互交錯(cuò)子陣，每個(gè)子陣的陣元數(shù)為M，建立接收數(shù)據(jù)的模型，定位方法包括如下步驟：

1)通過(guò)L次快拍采樣接收數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的最大似然估計(jì)，使用前向空間平滑算法修正數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣；

2)對(duì)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，構(gòu)建空間譜函數(shù)；

3)采用小生境PSO找出空間譜函數(shù)中的全部極大值點(diǎn)，按照函數(shù)值降序排列，取前k個(gè)點(diǎn)，再找出其中到達(dá)時(shí)間最小的極大值點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DOA即直達(dá)波的波達(dá)方向；

4)使用AOA算法計(jì)算出信源的坐標(biāo)。

所述接收數(shù)據(jù)的模型如下：

X(t)＝AS(t)+N(t)

其中X(t)是陣列的接收數(shù)據(jù)矢量，A是陣列的導(dǎo)向矩陣，其表達(dá)式為：A＝[a(θ₁，τ₁)，a(θ₂，τ₂)，...，a(θ_k，τ_k)]，式中a(θ_i，τ_i)是第i個(gè)信號(hào)的導(dǎo)向矢量，θ_i和τ_i分別是第i個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向和到達(dá)時(shí)間，表達(dá)式為：