一种基于60GHz脉冲信号的高精度测距定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，包括定位服务器以及至少3个基站，所述基站采用基于阵列天线的切换波束进行方向性传输，待定位节点采用全向天线，所述无线定位方法包括以下步骤：（1）系统初始化；（2）依次对各基站阵列天线进行波束训练，找到各基站阵列天线与待定位节点间的最优波束指向；（3）待定位节点产生60GHz脉冲信号并发射；（4）各基站在其已确定的波束指向方向接收此60GHz脉冲信号，并对脉冲信号的到达各基站的传播时延进行记录；（5）定位服务器依次计算各个基站与待定位节点之间的距离；（6）计算待定位节点的坐标。本发明的定位方法，抗干扰能力强，定位精度高，基站端采用定向信号接收，可有效提高60GHz的测距和定位距离。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种定位方法，具体地说，是涉及一种基于60GHz脉冲信号的高精度 测距定位方法。 一种基于60GHz脉冲信号的高精度测距定位方法
【背景技术】
[0002] 目前人们对室内高精度导航、定位、测距的需求越来越迫切，在很多公共服务领 域，若能获取高精度定位数据，可捕获关键点发生的事件用于导航和决策。特别地，在室内 机器人精确定位、生产管理（特别是对危险品的定位和监控以及对危险区域内的人员和设 备进行定位和监控）等领域对厘米级高精度导航定位技术有重大需求。目前可应用于室内 的无线定位技术主要有如下几种：基于无线局域网（Wireless Local Area Networks,简称 WLAN)和基于ZigBee的短距离定位技术的定位精度只能到米，且系统终端功耗大，严重阻 碍了该项技术的发展与应用；其他，如激光和红外线定位可以达到较高的测距定位精度，但 都只能在视距（Line of Sight，简称L0S)环境下工作，即定位目标和参考基站之间不存在 遮挡，且红外线容易被日光、灯光等干扰；超宽带（Ultra-Wide Band，简称UWB)是非常有前 景的一种室内无线定位技术，然而其定位误差仍为分米级，不能实现真正意义上的厘米级 精确定位。
[0003] 60GHz毫米波信号具有比UWB信号更高的时间分辨率，具备实现厘米甚至毫米 级测距和定位精度的潜力。目前60GHz通信系统采用的多是基于载波的正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，0FDM)或单载波频域均衡（Signal Carrier Frequency Domain Equalization, SC-FDE)通信体制，而脉冲无线定位采用脉冲 持续时间远小于多径传播时延的窄脉冲，能够在接收端有效分离多径信号，具有很高的多 径分辨率，因此如若采用中心频率位于60GHz的极窄脉冲进行通信定位，使用最能发挥时 间分辨率高这一特点的Τ0Α(信号到达时间估计）、TD0A(信号到达时间差估计）定位技术 是最合适的，这能够有效提高定位精度。同时由于60GHz信号位于氧气吸收高峰，且高频段 路径损耗较低频段要大得多，而大多数国家和组织都对60GHz的发射功率进行了限制，无 法采用大功率通信，常规的全向天线定位下其巨大的能量损耗将导致其定位范围将非常有 限。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决现有定位技术定位精度不高，无法达到厘米级精度，提供了一种 基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，用以实现厘米级定位精度。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0006] -种基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，包括定位服务器以及至少3 个基站，所述基站配备阵列天线，待定位节点配备全向天线，所述无线定位方法包括以下步 骤：
[0007] (1)、系统初始化：确定各基站的坐标位置，以及对各个基站进行时钟同步；
[0008] (2)、依次对各基站阵列天线进行波束训练，找到各自基站阵列天线的最优波束指 向，满足各基站波束指向能够将待定位节点覆盖在其波束范围内；
[0009] (3)、待定位节点产生60GHz脉冲信号并发射；
[0010] (4)、各基站在其已确定的波束指向方向接收此60GHz脉冲信号，并对脉冲信号的 到达各基站的传播时延τ k进行记录；
[0011] (5)、各基站将传播时延τ k的记录结果发送给定位服务器，定位服务器根据Dk = c τ k依次计算各个基站的与待定位节点之间的距离Di……Dn，，其中，c为光速；
[0012] (6)、定位服务器根据各基站的坐标以及各个基站与待定位节点之间的距离计算 出待定位节点的坐标。
[0013] 进一步的，所述基站设置的定向天线为阵列天线，天线间间隔为半个60GHz信号 的波长。
[0014] 进一步的，所述步骤（2)中，进行波束训练的方法为：
[0015] 各基站在不同的波束指向接收待定位节点发送的60GHz脉冲信号，根据接收功率 最优或信噪比最优准则找出各自基站的最优接收天线指向。
[0016] 又进一步的，所述步骤（2)中，进行波束训练包括以下步骤：
[0017] (21)、预先为每个基站建立记录阵列天线波束不同指向时的波束码本，所述波束 码本中的每个列向量控制一个波束指向；
[0018] (22)、待定位节点每隔一个时间段利用全向天线发送一个60GHz脉冲信号，各基 站的阵列天线在不同时间段从其波束码本中选择不同的列向量，直至测试完波束码本中的 所有列向量，每完成一个波束指向的信号接收，各基站计算该波束指向下信号接收功率或 者计算出信噪比，确定最优接收天线指向。
[0019] 进一步的，所述步骤（3)中，待定位节点产生60GHz脉冲信号的方法为：计算31阶 高斯导数，取脉冲形成因子a = 0.052ns，得到基于31阶高斯导数的60GHz冲激脉冲，所述 冲激脉冲频域3dB频带范围为54GHz-67GHz，所述冲激脉冲的时域脉冲宽度为150ps。
[0020] 进一步，在所述步骤（4)中，每个基站将接收到的信号与发送的未经过传播延时 的原始60GHz发送脉冲信号一同经过相关器，取相关器输出峰值对应的时刻即为脉冲信号 的传播时延，将其记录下来。
[0021] 又进一步的，在所述步骤（6)中，通过以下方法计算待定位节点的坐标（X, y, z):
[0022]
【权利要求】
1. 一种基于60GHz脉冲信号的高精度的无线定位方法，其特征在于，包括定位服务器 以及至少3个基站，所述基站配备有定向天线，待定位节点配备有全向天线，所述无线定位 方法包括以下步骤： (1) 、系统初始化：确定各基站的坐标位置，对各个基站进行时钟同步； (2) 、依次对各基站阵列天线进行波束训练，找到各自基站阵列天线的最优波束指向， 满足各基站波束指向能够将待定位节点覆盖在其波束范围内； (3) 、待定位节点产生60GHz脉冲信号并发射； (4) 、各基站在其已确定的波束指向方向接收此60GHz脉冲信号，并对脉冲信号的到达 各基站的传播时延τ k进行记录； (5) 、各基站将传播时延τ k的记录结果发送给定位服务器，定位服务器根据Dk = c τ k 依次计算各个基站的与待定位节点之间的距离Di……Dn，其中，c为光速； (6) 、定位服务器根据各基站的坐标以及各个基站与待定位节点之间的距离计算出待 定位节点的坐标。
2. 根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，所述基站配备的定向天线为阵 列天线，天线间间隔为半个60GHz信号的波长。
3. 根据权利要求2所述的无线定位方法，其特征在于，所述步骤（2)中，进行波束训练 的方法为： 各基站在不同的波束指向接收待定位节点发送的60GHz脉冲信号，根据接收功率最优 或信噪比最优准则找出各自基站的最优接收天线指向。
4. 根据权利要求3所述的无线定位方法，其特征在于，所述步骤（2)中，进行波束训练 包括以下步骤： (21) 、预先为每个基站建立记录阵列天线波束不同指向时的波束码本，所述波束码本 中的每个列向量控制一个波束指向； (22) 、待定位节点每隔一个时间段利用全向天线发送一个60GHz脉冲信号，各基站的 阵列天线在不同时间段从其波束码本中选择不同的列向量，直至测试完波束码本中的所有 列向量，每完成一个波束指向的信号接收，各基站计算该波束指向下信号接收功率或者计 算出信噪比，确定最优接收天线指向。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的无线定位方法，其特征在于，所述步骤（3)中， 待定位节点产生60GHz脉冲信号的方法为：计算31阶高斯导数，取脉冲形成因子α = 0. 052ns，得到基于31阶高斯导数的60GHz冲激脉冲，所述冲激脉冲频域3dB频带范围为 54GHz-67GHz，所述冲激脉冲的时域脉冲宽度为150ps。
6. 根据权利要求1-4中任一项所述的无线定位方法，其特征在于，在所述步骤（4)中， 每个基站将接收到的信号与待定位节点发送的未经过传播延时的原始60GHz发送脉冲信 号一同经过相关器，取相关器输出峰值对应的时刻即为脉冲信号的传播时延，将其记录下 来。
7. 根据权利要求1-4中任一项所述的无线定位方法，其特征在于，在所述步骤￠)中， 通过以下方法计算待定位节点的坐标（X，y，z):
其中，（Xk，Yk，Zk)，是已知的参考基站的坐标（k > 3)，Dk为目标节点到第k个基站之间 的距离。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的无线定位方法，其特征在于，在所述步骤￠)中， 通过基于测距的定位算法计算待定位节点的坐标。
【文档编号】H04W64/00GK104125641SQ201410395907
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】王景景, 施威, 刘据, 崔学荣, 董新利, 李娟 , 马扬扬 申请人:青岛科技大学