[发明专利]一种基于多天线的单站高精度三维定位方法

说明书

本发明公开了一种基于多天线的单站高精度三维定位方法，本发明基于多天线，采用俯仰角、方位角和时延联合测量方法来估计定位参数，通过联合俯仰、方位角和时延估计分离对定位精度影响较大的多径信号，从而抑制多径的影响，提高定位参数的估计精度，进一步实现高精度的单站三维定位。该方法适用于WiFi、5G、UWB等多种信号体制，能够实现低成本的单站三维定位，在智慧城市、智慧建造、室内导航、商场按需营销、安全监控管理、防走失等领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种阵列信号处理技术领域的无线信号单站三维定位方法，尤其涉及一种基于多天线阵列对无线信号三维到达角(方位角、俯仰角)和时差联合估计的单站定位方法，用于针对基站端采用多天线阵列情况下的信号源的三维到达角和传输时延估计以实现单站三维定位。

背景技术

近年来，室内定位与位置服务呈现出巨大的市场空间，在室内导航、商场按需营销、智慧城市、安全监控管理、防走失等方面有广泛的应用。据市场研究公司ABI最近发布的一份报告，到2018年，全球室内定位市场的规模将达到50亿美元。由此，室内定位获得了技术界和产业界的极大关注。

定位服务是物联网和位置大数据的基础，在消费者和企业服务领域均有广泛应用场景。随着WiFi网络覆盖范围的快速扩展和5G移动通信技术的推广应用，基于WiFi和5G的室内定位技术成为近几年来的一个研究热点，但现有技术仍难以满足一些位置服务应用对定位精度的要求。由此，室内定位获得了技术界和产业界的极大关注，但当前主流方法都存在着各种各样的问题，例如，超宽带(UWB)：功率受限、成本高、普及率低；RFID:需海量布署、普及率低； MEMS:易产生累积误差，可用作高精度室内定位的补充和增强手段；伪卫星:存在干扰/法规、需布设专用基站、仅适用于专用终端等问题。另外，普及率相对较高的蓝牙、WiFi场强匹配定位，如苹果公司推出的iBeacon，也存在着难以实现高精度(普遍精度5-8米)、热点覆盖不连续、维护工作量巨大等问题。

室内环境中无线信道的多径和非直达波传播是高精度室内无线定位面临的最大挑战。但针对下一代WiFi和5G高密度部署场景设计室内定位方案有以下有利条件：(1)为提高通信传输速率和系统容量，下一代WiFi和5G将使用MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)技术，基站或AP(Access Point)配置的天线数量成倍增加，多天线阵列的使用为高精度AOA测量提供了支撑；(2)高密度基站分布情况下，同一个用户信号通常可被多个基站接收到，为多基站协作定位提供了条件；(3)下一代WiFi和5G将使用更大的频率带宽，为高精度测距提供了有利支撑。但目前还没有成熟的单站三维定位技术。

目前比较成熟的定位精度最高的超宽带定位技术UWB通常可实现十厘米级的定位精度，但要实现三维定位需同时部署多个接受基站，成本较高。

因此，有必要发展一种适用于WiFi、5G、UWB等多种信号体制的低成本、高精度单站三维定位技术。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于多天线的单站高精度三维定位方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明通过采用俯仰角、方位角和时延联合测量的方式来估计三维定位参数，同时抑制多径对定位误差的影响，在仰角、方位角和时延联合测量中，采用交叉迭代的方式避免多维度参数搜索从而显著降低计算复杂度，实现三维定位参数的快速估计，具体方法包括以下步骤：

1)基于波束形成器获得三维角度的初始估计；

2)基于三维角度的初始估计，估计信号的时延参数；

3)基于所得时延参数估计，计算包含角度参数信息的非结构化矩阵；

4)进一步估计信号的三维角度参数。

优选的，三维角度参数的估计是在基站端采用多天线构成圆阵或面阵对信号的角度进行估计。