专利名称：定向和测位系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及无线系统中的定位(positioning)，更具体地涉及具有组合了时间分集、极化分集和空间分集的空间滤波功能的定向和测位系统(orientation andlocalization system),用于检测视距(LOS)并且传送对移动节点的位置(location)和定向的估计。
背景技术：
这样的系统可用于提供对对象的位置和定向的可靠估计。该系统既可被用在其中该对象(也即位置和定向寻找的主体)与定位无线电站不共享一条直的视距的多径无线电环境中，也可被用于其中在待要测位的对象与定位站之间有至少一条视距的无线电环境中。这样的系统能够在室内和户外环境中运行。它还提供了可用于其他无线网络服务诸如 干扰减轻和容量改善等的空间滤波方案。对远程对象的测位需要与中间接力节点的相对测位和相对定向有关的中间参数。在此情况下，重要的是，不仅需要精确知晓接力节点的相对测位，而且还有它们的相对定向。专利文件EP 11617601公开了一种上述种类的定向寻找器(orientationfinder)装置，该专利文件涉及点对点(ad hoc)网络。在该专利文件中所公开的系统旨在提供这些网络所需的定位信息。另一个申请涉及成群的海上浮标，它们浮在海上以测量关于一给定区域的一
些水参数，诸如温度、盐度......以及其他环境参数诸如风强度等等。为了轨迹规划
(trajectory planning),必须仔细地考虑这些浮标的地理定向。本发明的一个目标在于提供一种具有比现有技术更好性能的装置，尤其在于给对象提供定向而无需许多接入点(access point)或锚点(anchor point) (GPS卫星使用三角测量)。
发明内容
根据本发明，上述系统的突出之处在于该系统至少实现了下列任务 通过估计相应于未配对的发射机-接收机圆极化模式的交叉极化(cross-polarized)MIMO矩阵来进行多径信号检测和非视距(NLOS)MIMO信道估计。此估计过程本身代表了多径滤波，因为圆极化模式在被发射经过一条视距时即便发射机和接收机相对于彼此是多智能化定向的(mi-oriented),也不能改变。 通过移除在一个其中在发射机侧和在接收机侧的极化相同的链路上估计的共极化(co-polarized)MIMO矩阵上的多径贡献(contribution),来对视距子信道进行滤波。此滤波过程不能像在非视距的情况中那样自然地实现，这就是为什么该滤波是由算法实现的。 使用时间同步进行的独立于成组节点的测位和定向的估计，所述成组节点不能在时间上分隔。 对相应于未配对的圆极化的两个交叉极化MMO矩阵作估计，并且对相应于两个未配对的圆极化的两个共极化MIMO矩阵作估计。 使用极化空间时间块码的空间-时间极化，目的在于一方面在时域实现第一滤波步骤，另一方面估计上述四个MMO矩阵。 使用估计的极化MIMO矩阵,估计到达方向(D0A),来波(oncoming wave)倾斜角(ΤΑ0Ν),离波(outgoing wave)方向(DOD),以及离波倾斜角(TAOUT)。 对高分辨率算法诸如MUSIC或MVR的改进，通过组合它们各自的多个极化依赖空间谱。
当在无线电定位站与经受位置和定向操作的对象之间没有视距可用时的位置和定向寻找子系统。此子系统还可用于技术有限的、既不能实施MMO也不能实施多极化操作的无线电站。还应注意，在基于路径损耗的测位方法中，非各向同性天线的问题引起了一个严重的问题，因为它导致了对节点之间的距离的错误估计。其原因在于如下事实最终的路径损耗既和发射天线的增益成比例也和接收天线的增益成比例。所述增益还依赖于天线的定向。这使得难于通过一次简单的增益平衡而从所述非各向同性效应纠正过来。所提出的子系统也是对这些特定问题的一个解决方案。本发明的一个重要方面在于，能使用已滤波的共极化MMO矩阵来传输要求低比特错误率的信息，并且将交叉极化矩阵用于要求较低质量的信息。必须注意到，反射波的适配滤波(adapted filtering)是以改进由极化自身提供的自然滤波的方式来执行的。
下面将以举例方式参考附图来描述本发明，其中图Ia示出了无线子系统，其中可以应用具有极化分集能力的MIMO系统。图Ib示出了相应于根据本发明的位置和定向估计MMO以及基于极化的子系统的框图。图Ic是示出了可以根据本发明而使用的无线电前端的一个实施例的框图。图Id示出了多径信道对传输的波的影响以及网络之内的移动节点之间的错误定向。图Ie示出了用户簇(cluster)和信号检测的原理。图If示出了迭代位置定向过程的高层描述，强调了空间检测和信道滤波块(bloc)。图Ig示出了未有信道滤波的到达谱的角度。图Ih示出了在多径组件滤波之后的到达谱的角度。图Ii示出了最小变化检测算法的主要组件。图Ij示出了 MUSIC检测算法的主要组件。图Ik示出了配对算法的主要组件。图2示出了位置和定向寻找子系统，其中具有非各向同性的增益的单个天线被用在每个经受位置和定向寻找操作的对象上。
具体实施例方式图Ia是位置和定向子系统的一个实施例，其中可以使用组合的空间分集和极化分集。它包括了大量的传感器簇CS1、CS2、CS3...以及大量的固定节点FN1、FN2、FN3。本发明的目标在于从任意簇或固定节点考虑来寻找到每个节点和簇的定向和测位。在此图Ia 中，分别具有原点 P(O)、P(I)、P(2). . ·的参考系 u/1)!!，，u3(1)，ui(2)u2(2)，U3 ⑵，Ul(3)u2(3),U3⑶· · ·被分配到簇CS1、CS2、CS3. · ·。这些参考系可以相对于固定节点FN1、FN2、FN3. · ·的参考系而移动。图Ib示出了被包括在所提到的簇和固定节点中的无线电设备的某些细节。它包括了一组通过位置服务器(LS) 25来共享位置和定向(LO)信息的定向无线电站11、12、13和14。所有所述站11、12、13和14均可具有相同的结构。在图Ib中，仅更详细地示出了站11。此站的无线电部分(PRS)由一个无线电前端(RFE) 23和一个可控极化无线电结构(CPRS)组成，所述无线电前端用于模拟高频调制和滤波，所述可控极化无线电结构能够在任何时间发射或接收右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP)的电磁波25。PRS的基带部分包括一个极化控制器(PC) 26，其能够选择在CPRS内的任何组的天线的极化状态(RHCP·或LHCP) ;ΜΜ0极化信道估计(PCE)模块27 ;以及，位置和定向寻找器(LOF) 28。图Ic是装置11的更为清楚的图解。它包括能够接收各种极化波的多排分组天线。每一排都是由一个或多个由三个圆极化天线组成的组而构成。例如，排AGl包括至少三个天线元件33、34和35。在每组之内的天线元件沿着三个轴定向。描述了这些轴的定向的单位基矢量X、y和z形成了一维、二维或三维的基(basis)。这样的基的三个维度以及在这些单位矢量之间的完美正交性是优选的，但在实践中却难于实现。在实践中，据说无线电系统在发射机处和在接收机天线布置处使用了完全极化的系统，允许分别地辐射或取得左旋圆极化(LHCP)或右旋圆极化(RHCP)。当将该结构用在线性天线阵列配置中时，该结构沿着一个给定轴被周期性地重复，同时保持在同一组内的恒定的元件间间距de以及恒定的组间间距dg。通过构造，如果距离dg是半波长的倍数，则属于不同组的天线元件之间不存在相关或耦合。在发射机侧和在接收机侧的天线布置允许形成极化的MMO系统，其中无线电结构的完备性以及LHCP与RHCP信号之间的正交性是通过在合成的波束形成器之间的完备性和正交性来保持的。图Ic示出了一个极化模式选择模块37，该模块在没有可用的硬件资源来实现所有极化模式的并行检测时，选择在给定时间处待要接收的极化。还示出了所述无线电前端的主要射频(RF)组件，包括低噪放大器38、本地振荡器39、模数转换器40，以及基带整形滤波器41。图Ic还描绘了在无线电前端和主基带模块之间的互连，实现了导引符号(pilotsymbol)的非相干检测、信道估计，以及位置-定向寻找42。图Id示出了多径传播的示意性表示。其示出了一些节点P (O)、P (I)、P (2)和P (3)。参考(reference)PthU Pth2、Pth3、Pth4示出了在节点P(O)和P(I)之间的一些传播路径。必须注意，在P(O)和P(2)之间没有直接链路。对于这些节点中的每一个，附有一个坐标系，以使得所评估的所有定向和测位参数都以此局部坐标系为基准。此图Id描绘了多径无线电信道和错误定向53的示意性表示。所述表示示出了视距通常不是对于所有节点对都存在，且在这样的情况下可以使用点对点模式计算一个节点相对于另一个的定向。当节点(Γ )被接收在极化状态q'上且节点(I)在极化状态q传输时，任何链路(Γ，I)的宽带(WB)信道响应均由相应于该链路(Γ，I)的Mrw XMta^ )ΜΠω信道矩阵所表示。这
样的矩阵如下给出
权利要求
1.一种具有空间滤波能力的定向和测位系统，它组合了时间分集、极化分集和空间分集，用于检测直的视距(LOS)并且传送对移动节点的位置和定向的估计，所述系统包括 至少一个定位无线电站，确定与该定位无线电站共享一条直的视距(LOS)的每个节点的相对定向和相对测位，每个无线电波路径包括该视距，所述视距是由离开方向(DOD)、发射极化以及到达方向(DOA)和接收极化所表征的；所述定位无线电站和节点设有 〇多个天线系统，具有极化选择切换能力； 〇无线电收发机，具有空间滤波能力以及定向和测位检测能力； 时间滤波模块，对接收的信号矢量执行第一滤波步骤，所述滤波过程允许，将发射节点分类到不同的矢量集上；每个矢量集是具有几乎相同的强度和相同的到达时间性质的矢量的子集集合；MIMO信道矩阵模块(71)，对每个矢量集操作，提供对一个四阶MMO信道矩阵的估计，该矩阵由分别地在发射机侧和接收机侧均使用相似的圆极化模式时获得的一对共极化MIMO矩阵以及在发射机侧和接收机侧使用不同的圆极化模式时获得的一对交叉极化MIMO矩阵组成，所述模块能够估计接收相关矩阵和发射相关矩阵，所述接收相关矩阵和所述发射相关矩阵是空间检测算法的输入； 模块(67)，对交叉极化MMO矩阵的秩操作，以控制多径DOA和DOD估计模块(68)，从而操作最佳检测方法； 多径DOA和DOD估计模块(68)，对相应于未配对的发射机极化和接收机极化的四个直接估计的相关矩阵操作，或者对可以用先前估计的交叉极化MIMO矩阵估计出的四个相关矩阵操作； 该对接收相关矩阵，相应于两个不同的未配对的极化模式(RHCP-LHCP和LHCP-RHCP)，产生了对多对到达角(AOA)的多径方位角-仰角的估计； 该对发射相关矩阵，相应于两个不同的未配对的极化模式(RHCP-LHCP和LHCP-RHCP)，产生了对多对离开角(AOD)的多径方位角-仰角的估计； 在所述极化模式上获得的两个已估计的AOA集合上的信号功率形成一个接收极化-空间谱，而各自在一个不同的极化模式上获得的两个已估计的AOD集合上的信号功率形成一个发射极化-空间谱； 所述模块运行MUSIC或MVR算法(或者任何等价的方案)，均提供了所述多径接收信号的两个极化-空间谱； 两个接收极化-空间谱的组合提供了一个公共接收谱，同样，两个发射极化-空间谱的组合提供了一个公共发射谱，所述组合是在谱之间的加法、乘法或任何其他算术运算，尤其使用乘法运算来增强谱的质量； 籲多径倾斜角和信道增益估计模块(69)，使用所述多径DOA和DOD估计模块￠8)和所述MIMO信道矩阵模块(71)来提供估计如下各项的手段 〇每个已估计的DOD参数的信号强度和TAOUT ； 〇每个已估计的DOA参数的信号强度和TAON ； 所述模块执行一个配对操作，旨在为每个已估计的DOA参数寻找到相应的DOD参数，以使得配对的D0A/D0D参数描述一条具体路径在发射机和接收机链路的两端处的方向性质； 共极化信道滤波模块(70)，其从所述共极化信道矩阵中移除多径信道分量；所述模块通过将下述各项用作输入，重构了多径起源的共极化MIMO矩阵 O由所述估计模块￠8)提供的DOA和DOD估计； 〇由所述MMO信道矩阵模块(71)提供的共极化MMO矩阵； 所述模块使用重构的共极化MIMO矩阵为每一对D0A/D0D角重新估计信道增益和倾斜角； 视距DOA和DOD估计模块(72)，对由所述共极化信道滤波模块(70)提供的滤波共极化信道矩阵操作，并且运行已由所述模块￠7)选择的MUSIC算法或MVR算法，以提供相应于视距路径的若干组DOA和DOD对的方位角-仰角，能够如同所述估计模块￠8)中一样采用不同的极化-空间谱的组合； 视距“多径倾斜角和信道”估计模块(73)，使用由视距DOA和DOD估计模块(72)和共极化信道滤波模块(70)提供的信息，以给TAON和TAOUT的每条视距传送估计； 视距DOA、DOD、TAON、TAOUT是在所述接收机的参考系中估计的； 位置和定向寻找器(75)，使用由视距多径倾斜角和信道估计模块(73)提供的信息，来确定具有已识别的视距的每个发射机的位置和定向；该模块利用了由所述共极化信道滤波模块(70)、视距DOA和DOD估计模块(72)、视距多径倾斜角和信道估计模块(73)以及时间滤波模块所提供的信息。
2.根据权利要求I所述的定向和测位系统，其中对发射机-接收机定向旋转矩阵的估计利用了如下事实当发射机和接收机彼此失去定向时，即使该发射机和该接收机共享同一条视距，在该发射机的参考系中的DOD和TAOUT对，通常也是不同于在该接收机侧的参考系中的DOA和TAON对。
3.根据权利要求I所述的定向和测位系统，其中所述发射机相对于所述接收机的定向，是通过组合所述D0A、所述D0D、所述TAOUT和所述TAON实现的。
4.根据权利要求I所述的定向和测位系统，其中检测所述非视距(多径)波是通过使用未配对的极化天线上的极化-空间谱而执行的，这意味着如果发射天线是右旋(RH)圆极化的，则接收机天线是左旋(LH)圆极化的，反之亦然，根据此定义的极化约定由下式给出 其中，相应于一个AOD和一个AOA的一秩MIMO矩阵，是描述了接收波的导向矢量和描述了发射波的导向矢量的埃尔米特共轭(共轭转置矩阵)的乘积，所述AOA和所述AOD是描述了传播波的方向的那些矢量，意味着如果所述发射机的参考系基矢量和所述接收机的参考系基矢量是相同的，则所述AOA和所述AOD也是相同的。
5.根据权利要求I所述的定向和测位系统，其中两个接收极化-空间谱的组合，和两个发射极化-空间谱的组合，可以是谱之间的加法、乘法或任何其他算术运算，尤其是使用乘法运算来增强谱的质量。
6.根据权利要求I和5所述的定向和测位系统，其中可以通过使用乘法运算进行两个极化-空间谱的组合，以增强组合的谱的质量。
7.根据权利要求I所述的定向和测位系统，其中多径倾斜角和信道增益的估计是通过使用多径DOA和DOD以及交叉极化MMO矩阵而实现的。
8.根据权利要求I所述的定向和测位系统，其中所述多径倾斜角和信道增益估计模块(69)执行配对运算，旨在将DOD估计参数关联到每个DOA估计参数。
9.根据权利要求I所述的定向和测位，其中共极化信道滤波是以三步实现的 在第一步，实现对每个链路上的信道增益和倾斜角的估计，使用如下各项作为输Λ O在每个多径链路上的DOA和DOD参数。这些参数是通过使用交叉极化MMO矩阵估计的； 〇所述共极化MMO矩阵； 在第二步，使用在该第一步中估计的参数重构共极化MMO信道矩阵； 在第三步，从原始的共极化MMO矩阵减去该共极化MMO信道矩阵的多径部分。
10.根据权利要求I所述的定向和测位系统，其中通过使用已滤波的共极化MMO矩阵，实现视距DOA和DOD估计。
11.根据权利要求I所述的定向和测位系统，其中通过使用视距DOA和DOD以及已滤波的共极化MMO矩阵，估计视距倾斜角。
12.根据权利要求I所述的定向和测位系统，其中所述位置和定向寻找器(75)使用由视距多径倾斜角和信道估计模块(73)所提供的信息来确定具有已识别的视距的每个发射机的位置和定向。
13.将包括在根据权利要求I至12之一所述的系统中的信道滤波和视距检测用于下列任务的用途 -将已滤波的共极化MMO信道矩阵用于发射要求低比特错误率的信息，以及 -将交叉极化矩阵用于不要求好质量的信息。
14.信道增益估计模块，当用于估计每个多径的增益时，所述模块实现了一个额外的任务，该任务包括信道互易性的测试(105)。
15.互易性测试器(105)，基于给定的AOA和AOD集合，以及在所述交叉极化模式上的平均信道矩阵，该互异性测试器(105)可以检验被分立地估计的信道的复增益是否相应于互易信道。
16.度量，由互易性测试器(105)所采用，以评估在由公式(29)给出的所计算的对角矩阵之间的距离。
17.构成信道增益模块的其余的块包括 置换块(106)，产生AOD对的集合的所有可能的置换； 配对判决模块(109)，其任务在于在每个AOA处组合一个A0D，所述配对操作是基于给定判据的优化，尤其是对数似然函数的最大化，或在重构的信道矩阵和实际的噪声矩阵之间的距离的最小化。
18.天线角功率增益轮廓的可变性用于寻找天线定向的用途。
19.天线角功率增益轮廓的可变性用于在位置方法中校正天线各向异性的问题的用途。
20.根据对实施方案的说明中描述的基于角的位置和定向寻找算法。
全文摘要
系统包括可被要求定向和测位的第一节点簇(CS1，CS2)，和称为测量节点的以确定与其共享直的视距的第一节点的相对定向和测位的至少一个节点(FN1，FN2...)；每个节点具有基于MIMO过程运行的无线电站(11，12，13...)，MIMO过程涉及对接收和发射波在其发射和接收侧的各种不同极化。无线电站执行●选择在发射侧的极化模式，以选择的极化模式发射导向空间时间块码，使得接收无线电站可以估计四个极化MIMO信道矩阵；●选择在接收机侧的极化模式，通过将接收的空间时间信号匹配到发射的空间时间块以估计四个极化MIMO信道矩阵；●独立于每个簇内的第一节点的测位和定向进行估计；●组合四个已估计的极化MIMO信道矩阵，从共极化MIMO信道矩阵移除多径信号的贡献；●使用交叉极化信道上的已估计的MIMO信道矩阵，估计表征接收机侧的冲击多径信号的方位角和仰角，并估计表征发射机侧的离开多径信号的方位角和仰角。
文档编号G01S5/14GK102803984SQ200980159996
公开日2012年11月28日 申请日期2009年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者A·马尔祖基, D·扎赫拉奇 申请人:法国电信教育集团