[发明专利]一种基于智能天线的三维无线精确定位方法

权利要求书

1.一种基于智能天线的三维无线定位方法，其特征在于使定位问题由二维平面扩展到

三维立体，通过对天线形成的圆锥体交点和布置方式的分析，得出物体位置的最佳估计；

在定位过程中对检测时间进行分配，并考虑了天线负载的影响，该方法包括以下步骤并按

以下顺序进行：

①一个物体发送定位请求，网络中的N个天线接收此请求，此时忙缓存b为空，设b

＝0；

②4个随机选择的天线开始检测到达角θ_i，此时b＝b+4，用b_i表示第i个天线的忙闲

状态，设b_i=1，i＝1，2，…N，其中1为忙，0为空闲；

③如果到达角θ_i≤10°，则尝试利用另一个天线，设此天线状态为忙，前一个天线状态

为空闲；

④利用三维定位方法得到物体的位置，所述的三维定位方法包括三个内容：对智能天

线形成的圆锥体交点分析的方法、利用精度加权融合方法去除模糊解、天线布置方式分析

的方法；

⑤如果另一个物体发送位置请求，检查一下b是否小于等于N，如果不是，等待一个随

机时间槽；否则，从第一步开始进行重复；

对智能天线形成的圆锥体交点分析的方法如下：

在三维空间中，以天线所在位置坐标为顶点，以天线方位为轴，以物体到达角θ_i为旋

转角构成一个圆锥体，这样的三个圆锥体相交可以得到物体的交点，为方便分析，将3个

圆锥体从三维空间投影到二维平面，以3个圆锥体的三条轴构成一个三角形，根据交点在

三角形的内部、边上和外部位置分析，得到物体的估计位置，设三维空间中的三个天线以

坐标原点为起始点，构成一个等边三角形，则三个天线坐标分别为(1，0，0)，(0，1，0)， 方位分别为(0，1，0)，(1，0，0)和

①物体在等边三角形内部，其解为：

P=0.1000,0.3000,4.00000.1000,0.3000,-4.00000.0011,0.00010-0.9989i0.00110.0001,0+0.9989i0.0070,0.0248,0-0.9334i0.0070,0.0248,0+0.9334i]]>

只有两个实数解，且关于x-y平面对称，此时交点个数为2个；选择具有正z值的解 P₁＝[0.1000，0.3000，4.0000]作为物体位置的合理估计；

②物体在等边三角形的边上，其解为：

同样，也是6个解，但只有两个实数解，且关于x-y平面对称，此时交点个数为2个， 选择p₁作为物体位置的一个合理估计；

③物体位置在等边三角形之外，其解为：

P=5.0000,7.0000,4.00005.0000,7.0000,-4.00000.1548,0.1324,0-0.8384i0.1548,0.13240+0.8384i0.39311.02720.56630.3931,1.0272,-0.5663]]>此时有4个合理解，交点个数为4个，利用精度加权融合方法去除模糊解得到精确解；

利用精度加权融合方法去除模糊解的方法如下：

①利用最小均方误差MMsE求得物体的初始位置估计值为：

x^i=minE{(x^-xij)2}]]>

y^i=minE{(y^-yij)2}---(10)]]>

z^i=minE{(z^-zij)2}]]>

其中，i=1，2，3，4；j＝1，2，...，8；

②定义到达角θ_i的权值为ω_i，i＝1，2，3，4，则ω_i的表达式为：

ωi=1Δii=1,2,3,4]]>

其中，Δi=(λ2πS·sinθi)26M2(σn2MPiN)---(12)]]>

其中S为传感器分离度，M为传感器个数，N为独立的采样个数，为噪声功率水平， P_i是源功率水平；λ是光波波长；

③定义权值集合ω_si，其表达式为：

ωsl=∏iωi*rii=1,2,3]]>

ωs2=∏iωi*rii=1,2,4]]>

ωs3=∏iωi*rii=1,3,4]]>

ωs4=∏iωi*rii=2,3,4]]>

其中r_i＝d_isinΔθ_i是由于估计误差Δθ_i造成的扰动距离，d_i是物体到第i个天线的距离；

④由关系式(10)、(11)、(12)、(14)得到物体最终的估计位置(x，y，z)为：

x=Σiωsi*x^iΣiωsii=1,...,4]]>

y=Σiωsi*yi^Σiωsii=1,...,4]]>

z=Σiωsi*zi^Σiωsii=1,...,4,]]>

天线布置方式的分析，包括对天线方位、距离影响和圆形服务区域的分析，该方法如 下：

①由公式看出，到达角θ_i越大，误差Δ_i越小，当 θ_i＝90°时，Δ_i最小，因此最佳的天线方位就是面向质心；

②距离d对定位精度也有影响，d与sinθ_i的关系为：

sinθi=ddi=dd2=ri2---(16)]]>

di2=d2=ri2---(17)]]>

因此，d_i越大，sinθ_i越小，在传输过程中分贝(dB)的衰减表达式为： L_dB＝10nlog₁₀(d_i)+C

其中，d是发射机和接收机间的距离，单位为m，C为常数，说明系统损失；在自由 空间中n＝2，在地球模型中n＝4，又因为因此，

其中，P_t是物体的发射功率，在实际应用中，P_t可以假设为一个定值，因此，d_i越小， SNR越大，这样在cosθ_i和SNR之间有一个折衷；

服务区对其中一个天线的总误差Δ与到达角θ_i的误差Δ_i(θ_i)之间的关系为：

Δ=Σ1θmaxΔi(θi)(AiAtotal)---(18)]]>

Δi(θi)=(λ2πS·sinθi)2·6M2(σn2MPiN)---(19)]]>

其中，A_i是到达角为θ_i的第i个微小区域的面积，Atotal是服务区的总面积；

由于其他参数是固定的，Δ_i(θ_i)又可以表示为：

Δi(θi)∝din(sinθi)2=din+2d2=(ri2+d2)1+n2d2=(ri2+d2)n+24d2---(20)]]>

参数r_i在特定服务区内是固定的，在自由空间中，n＝2，那么Δ_i(θ_i)为

Δi(θi)∝ri2+d2d2=ri2d2+1---(21)]]>

因此，为获取最小全局误差Δ，需对d进行求导，这可用计算机进行求解

③对于圆形服务区，天线面向圆心，此时只考虑距离d对定位精度的影响，设物体与 圆心的距离为r_i，φ_i为圆心到物体与到天线两条直线的夹角，d_i为物体到天线的距离，则d_i和sinθ_i的表达式为：

di2=d2+ri2+2dricosφi---(22)]]>

则圆形服务区的误差Δ_i(θ_i)与r_i、φ_i、d_i和d的关系为：

Δi(θi)∝din(sinθi)2=din+2ri2(sinφi)2---(24)]]>

如果n＝2，则Δ_i(θ_i)与r_i、φ_i、d_i和d的关系为：

整个圆形服务区总误差通过对r_i和φ_i进行二重积分得到，其表达式为：

Δ∝∫02π∫0Rd2+ri2+2dricosφiri2·(sinφi)2dridφi---(26)]]>

那么，圆心与天线之间的最佳距离可以通过对(26)式中的d进行求导得到，其表达式为：

∫02π∫0R2d+2ricosφiri·(sinφi)dridφi---(27)]]>

令式(27)等于零即可求得最佳距离。