專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于智能天線的三維無(wú)線精確定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中三維精確定位方法，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)的世界將很快從網(wǎng)絡(luò)時(shí)代進(jìn)入無(wú)線互聯(lián)時(shí)代。新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如WiFi、WiMax、ZigBee、Adhoc、BlueTooth和UltraWideBand(UWB)，在辦公室、家庭、工廠、公園等大眾生活的方方面面得到了廣泛應(yīng)用，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)的應(yīng)用具有更加廣闊的發(fā)展前景。
現(xiàn)在，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中要求無(wú)縫的、精確的甚至三維的定位日益成為一個(gè)重要的問(wèn)題。但是，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還不能完全滿(mǎn)足此要求。為獲取位置信息，需要一定硬件設(shè)備(例如GPS)，而在很多情況下，GPS設(shè)備并未得到廣泛應(yīng)用，而且通過(guò)額外設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)定位會(huì)帶來(lái)了很多問(wèn)題，例如增加了成本、能量消耗以及增大了設(shè)備的體積等。此時(shí)可以利用已知位置的天線陣列來(lái)獲得其他物體的位置。由于二維定位方法已經(jīng)研究過(guò)，本發(fā)明將提出一種用于三維空間的精確定位方法，在該方法中需要利用智能天線的AOA(到達(dá)入射角)定位方法。
A、AOA定位方法 AOA方法是在接收機(jī)通過(guò)基站的天線陣列測(cè)出電磁波的入射角度，形成一條從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的徑向連線，即測(cè)位線，由2個(gè)基站得到的2條測(cè)位線的交點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)的位置。而2條直線只有一個(gè)交點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)的現(xiàn)象，即定位的模糊性。因此，該算法只需要2個(gè)基站就可以確定位置。但為了測(cè)量電磁波的入射角度，接收機(jī)的天線需要改進(jìn)，必須配備方向性強(qiáng)的天線陣列。
B、基于AOA定位的二維智能天線 如圖1所示，節(jié)點(diǎn)A可以通過(guò)與基站B1和B2的信號(hào)方位角θ1、θ2來(lái)確定。設(shè)節(jié)點(diǎn)A的坐標(biāo)為(x，y)，估計(jì)坐標(biāo)為

基站Bm(m＝1，2，...)的坐標(biāo)為(am，bm)，則線段B1A、B2A的表達(dá)式為 通過(guò)公式(1)和(2)，求得

為 如果使用多個(gè)基站求解，由于直線存在多個(gè)交點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)解。文獻(xiàn)[1]證明，精度加權(quán)融合(Precision-weighted Aggregation)可以給出最好的估計(jì)結(jié)果，并具有最小的誤差。
假設(shè)在三維空間中，以已知位置的N個(gè)基站天線AAi作為參考，有D個(gè)物體，其中D＜N。天線排列是線性的，具有自由定向特性。假設(shè)天線是窄帶、離散和廣域的。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，將已知天線的位置、物體的估計(jì)位置看作三維空間中的點(diǎn)。通過(guò)接收物體發(fā)射的定位請(qǐng)求的信號(hào)，基站的天線陣列可以獲得物體與天線之間的入射角θi。
從幾何角度來(lái)看，二維情況下，已知AOA的角度θi后，可以獲得物體與天線的之間的連線。由于物體分別與兩個(gè)天線相連，可以獲得兩條直線的交點(diǎn)。因此，只需要兩個(gè)天線就可以獲得物體大致位置。利用更多的天線和精度加權(quán)融合方法可以減少誤差。
在三維情況下，可以獲得一個(gè)以基站天線陣列所在位置為頂點(diǎn)的圓錐體和入射角θi。這樣的兩個(gè)天線就不足以獲得交點(diǎn)，因?yàn)閮蓚€(gè)圓錐體相切只能給出圓錐體表面的切線，如果另外一個(gè)圓錐體與前兩個(gè)圓錐體相切，則有三條切線，此時(shí)才有可能得到交點(diǎn)。因此，至少需要三個(gè)天線來(lái)獲取交點(diǎn)，如圖2所示。
這里只考慮線性天線，且天線的位置(xi，yi，zi)已知，天線的方位(ai，bi，ci)也是固定的。通過(guò)對(duì)方程(4)的求解獲得物體的估計(jì)位置

這些方程的作用在于求解由三個(gè)天線產(chǎn)生的三個(gè)圓錐體的交點(diǎn)。
其中，是空間中點(diǎn)到直線的距離，sinθi是物體到天線延長(zhǎng)線的距離與物體到天線位置距離的比值。
目前，三維無(wú)線定位在實(shí)際應(yīng)用中存在如下限制 ①方程(4)、(5)是具有三個(gè)未知數(shù)的二次方程，大多數(shù)情況下，存在多個(gè)解。復(fù)數(shù)解可以自動(dòng)剔除，因?yàn)樵趯?shí)際環(huán)境中，物體的位置是實(shí)數(shù)，其余的解是候選解。對(duì)于不同到達(dá)角θi組合，方程(4)有2，4，6或8個(gè)解，這意味著三個(gè)圓錐體相交時(shí)，交點(diǎn)個(gè)數(shù)為2，4，6或8個(gè)。作為具有三個(gè)未知數(shù)的二次方程，這里存在8組解。
②模糊解的去除。由于存在多個(gè)解，需要用第4個(gè)天線去除無(wú)用的解。
③天線布置方式影響定位精度。為達(dá)到最好定位精度需要尋求最佳的天線布置方式。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種基于智能天線的三維無(wú)線精確定位方法。通過(guò)對(duì)智能天線形成圓錐體的交點(diǎn)的分析，去除模糊解，并通過(guò)對(duì)天線擺放方式的分析得到最高的定位精度。
技術(shù)方案本發(fā)明主要包含三個(gè)內(nèi)容一是對(duì)智能天線形成的圓錐體交點(diǎn)分析的方法，得到天線如何放置來(lái)求出物體的估計(jì)位置；二是利用精度加權(quán)融合方法去除模糊解，得到最佳估計(jì)位置；三是通過(guò)天線擺放方式的分析得到最高的定位精度的最佳擺放方式。
該定位方法使定位問(wèn)題由二維平面擴(kuò)展到三維立體，通過(guò)對(duì)天線形成的圓錐體交點(diǎn)和布置方式的分析，得出物體位置的最佳估計(jì)；在定位過(guò)程中對(duì)檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行分配，并考慮了天線負(fù)載的影響。該方法包括以下步驟并按所述順序進(jìn)行 ①一個(gè)物體發(fā)送定位請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)中的N個(gè)天線接收此請(qǐng)求，此時(shí)忙緩存b為空，設(shè)b＝0； ②4個(gè)隨機(jī)選擇的天線開(kāi)始檢測(cè)到達(dá)角θi，此時(shí)b＝b+4，設(shè)bi＝1，其中1＝忙，0＝空閑； ③如果到達(dá)角θi≤10°，則利用另一個(gè)天線，設(shè)此天線狀態(tài)為忙，前一個(gè)天線狀態(tài)為空閑； ④利用三維定位方法得到物體的位置，所述的三維定位方法包括三個(gè)內(nèi)容對(duì)智能天線形成的圓錐體交點(diǎn)分析的方法、利用精度加權(quán)融合方法去除模糊解、天線布置方式分析的方法； ⑤如果另一個(gè)物體發(fā)送位置請(qǐng)求，檢查一下b是否小于等于N，如果不是，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間槽；否則，從第一步開(kāi)始進(jìn)行重復(fù)。
對(duì)智能天線形成的圓錐體交點(diǎn)分析的方法如下 在三維空間中，以天線所在位置坐標(biāo)為頂點(diǎn)，以天線方位為軸，以物體到達(dá)角θi為旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成一個(gè)圓錐體。這樣的三個(gè)圓錐體相交可以得到物體的交點(diǎn)。為方便分析，將3個(gè)圓錐體從三維空間投影到二維平面，以3個(gè)圓錐體的三條軸構(gòu)成一個(gè)三角形，根據(jù)交點(diǎn)在三角形的不同位置(三角形內(nèi)部、邊上和外部)分析，得到物體的估計(jì)位置。設(shè)三維空間中的三個(gè)天線以坐標(biāo)原點(diǎn)為起始點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)等邊三角形，則三個(gè)天線坐標(biāo)分別為(1，0，0)，(0，1，0)，

方位分別為(0，1，0)，(1，0，0)和
①物體在等邊三角形內(nèi)部，其解為 只有兩個(gè)實(shí)數(shù)解，且關(guān)于x-y平面對(duì)稱(chēng)，此時(shí)交點(diǎn)個(gè)數(shù)為2個(gè)選擇具有正z值的解p1＝
作為物體位置的合理估計(jì)，即該點(diǎn)位于地面上； ②物體在等邊三角形的邊上，其解為 同樣，也是6個(gè)解，但只有兩個(gè)實(shí)數(shù)解，且關(guān)于x-y平面對(duì)稱(chēng)，此時(shí)交點(diǎn)個(gè)數(shù)為2個(gè)，選擇p1作為物體位置的一個(gè)合理估計(jì)； ③物體位置在等邊三角形之外，其解為 此時(shí)有4個(gè)合理解，交點(diǎn)個(gè)數(shù)為4個(gè)，此時(shí)就需要利用權(quán)利3中所述的精度加權(quán)融合方法去除模糊解得到精確解。
利用精度加權(quán)融合方法去除模糊解的方法如下 ①利用最小均方誤差(MMSE)求得物體位置的近似解

為 其中，i＝1，2，3；j＝1，2，...，8。
②定義到達(dá)角θi的權(quán)值為ωi，i＝1，2，3，4，則ωi的表達(dá)式為 其中， 其中S為傳感器分離度，M為傳感器個(gè)數(shù)，N為獨(dú)立的采樣個(gè)數(shù)，σn2為噪聲功率水平，P1是源功率水平。
③定義權(quán)值集合ωsi，其表達(dá)式為 ④由關(guān)系式(10)、(11)、(12)、(14)得到物體最終的估計(jì)位置(x，y，z)為 天線布置方式的分析，包括對(duì)天線方位、距離影響和圓形服務(wù)區(qū)域的分析，該方法如下 ①由公式看出，到達(dá)角θi越大，誤差Δi越小，當(dāng)θi＝90°時(shí)，Δi最小。因此最佳的天線方位就是面向質(zhì)心； ②距離d對(duì)定位精度也有影響，d與sinθi的關(guān)系為 因此，di越大，sinθi越小，在傳輸過(guò)程中分貝(dB)的衰減表達(dá)式為 LdB＝10nlog10(di)+C 其中，d是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的距離，單位為m，C為常數(shù)，說(shuō)明系統(tǒng)損失；在自由空間中n＝2，在地球模型中n＝4，又因?yàn)橐虼耍? 其中，Pt是物體的發(fā)射功率。在實(shí)際應(yīng)用中，Pt可以假設(shè)為一個(gè)定值。因此，di越小，SNR越大，這樣在cosθi和SNR之間有一個(gè)折衷。
服務(wù)區(qū)對(duì)其中一個(gè)天線的總誤差Δ與到達(dá)角θi的誤差Δi(θi)之間的關(guān)系為 其中，Ai是到達(dá)角為θi的第i個(gè)微小區(qū)域的面積，Atotal是服務(wù)區(qū)的總面積。
由于其他參數(shù)是固定的，Δi(θi)又可以表示為 參數(shù)ri在特定服務(wù)區(qū)內(nèi)是固定的，在自由空間中，n＝2。那么Δi(θi)為 因此，為獲取最小全局誤差Δ，需對(duì)d進(jìn)行求導(dǎo)。這可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解 ③對(duì)于圓形服務(wù)區(qū)，天線面向圓心，此時(shí)只考慮距離d對(duì)定位精度的影響，設(shè)物體與圓心的距離為ri，φi為圓心到物體與到天線兩條直線的夾角，di為物體到天線的距離，則di和sinθi的表達(dá)式為 則圓形服務(wù)區(qū)的誤差Δi(θi)與ri、φi、di和d的關(guān)系為 如果n＝2，則Δi(θi)與ri、φi、di和d的關(guān)系為 整個(gè)圓形服務(wù)區(qū)總誤差通過(guò)對(duì)ri和φi進(jìn)行二重積分得到，其表達(dá)式為 那么，圓心與天線之間的最佳距離可以通過(guò)對(duì)(26)式中的d進(jìn)行求導(dǎo)得到，其表達(dá)式為 有益效果本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) ①減少了設(shè)備投入。由于定位過(guò)程中不再依賴(lài)GPS硬件設(shè)備，降低了成本； ②拓寬了定位應(yīng)用范圍。定位問(wèn)題由二維平面擴(kuò)展到三維立體，使其應(yīng)用范圍大大拓寬； ③增加了定位精度。定位精度由二維平面上點(diǎn)的位置估計(jì)擴(kuò)展到三維立體中點(diǎn)的位置精確定位，使定位精度大大提高； ④提出三維空間定位的一種新算法。通過(guò)對(duì)三維空間定位問(wèn)題的分析，得出物體的精確位置和天線的最佳擺放方式，提出一種新的定位算法，對(duì)定位過(guò)程中檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行分配，并考慮了天線負(fù)載，使算法達(dá)到最優(yōu)。



圖1由B1、B2確定A點(diǎn)的位置，由于C點(diǎn)在B1B2連線上，不能確定其位置。
圖2利用天線陣列和角度信息來(lái)確定錐體。
圖3二維空間中三個(gè)天線陣列的位置和方位。
圖4所有天線面向目標(biāo)區(qū)域質(zhì)心。
圖5距離d的影響。
圖6圓形服務(wù)區(qū)示例。
圖7利用ULA的單一發(fā)射源的估計(jì)誤差。N＝20，SNR＝15dB，M＝2。

具體實(shí)施例方式 1.對(duì)智能天線形成的圓錐體交點(diǎn)分析的方法 本發(fā)明所述的對(duì)圓錐體交點(diǎn)的分析方法，主要包括以下內(nèi)容 方程(4)、(5)是具有三個(gè)未知數(shù)的二次方程，大多數(shù)情況下，存在多個(gè)解。復(fù)數(shù)解可以自動(dòng)剔除，因?yàn)樵趯?shí)際環(huán)境中，物體的位置是實(shí)數(shù)，其余的解是候選解。通過(guò)對(duì)不同到達(dá)入射角θi組合的分析，發(fā)現(xiàn)方程(4)有2，4，6和8個(gè)解，這意味著當(dāng)三個(gè)圓錐體相交時(shí)，交點(diǎn)個(gè)數(shù)有2，4，6和8個(gè)。
作為具有三個(gè)未知數(shù)的二次方程，這里存在8組解?，F(xiàn)在分析三個(gè)天線是否足夠來(lái)得到物體的位置。
首先，設(shè)三個(gè)天線位置(xi，yi，zi)是固定的，從0°到90°改變到達(dá)入射角θ1，θ2，θ3的值來(lái)求解。隨著角度的改變，解也在改變。在三維空間中，以天線所在位置坐標(biāo)為頂點(diǎn)，以天線方位為軸，以物體到達(dá)角θi為旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成一個(gè)圓錐體。這樣的三個(gè)圓錐體相交可以得到物體的交點(diǎn)。為方便分析，將3個(gè)圓錐體從三維空間投影到二維平面，以3個(gè)圓錐體的三條軸構(gòu)成一個(gè)三角形，根據(jù)交點(diǎn)在三角形的不同位置(三角形內(nèi)部、邊上和外部)分析，得到物體的估計(jì)位置。下面以一個(gè)典型的例子進(jìn)行說(shuō)明。
例1三維空間中的三個(gè)天線以坐標(biāo)原點(diǎn)為起始點(diǎn)，按正態(tài)分布，構(gòu)成一個(gè)等邊三角形，則三個(gè)天線的位置坐標(biāo)(xi，yi，zi)分別為(1，0，0)，(0，1，0)，

它們的方位分別為(0，1，0)，(1，0，0)和

如圖3所示。
取幾個(gè)特殊點(diǎn)作為物體的位置。
設(shè)其中，pi＝[xi，yi，zi]。
①物體在等邊三角形的內(nèi)部。其解為 總共6個(gè)解，只有兩個(gè)實(shí)數(shù)解，且關(guān)于x-y平面對(duì)稱(chēng)。從兩個(gè)實(shí)數(shù)解中選擇具有正z值的解p1＝
作為物體位置的合理估計(jì)，即該點(diǎn)位于地面上。
②物體在等邊三角形的邊上。其解為 同樣，也是6個(gè)解，但只有兩個(gè)實(shí)數(shù)解，且關(guān)于x-y平面對(duì)稱(chēng)。選擇p1作為物體位置的一個(gè)合理估計(jì)。
③物體位置在等邊三角形之外。其解為 此時(shí)有4個(gè)合理解。
2.利用精度加權(quán)融合方法去除模糊解 在確定最終估計(jì)位置時(shí)，模糊解的去除就非常重要。本算法利用精度加權(quán)融合方法，得出最終估計(jì)位置，其描述如下 由于存在多個(gè)解，需要引入第4個(gè)天線來(lái)去除無(wú)用解。這樣一共有4個(gè)天線，每一個(gè)與其他三個(gè)天線構(gòu)成唯一的集合。例如 S1＝{AAi，i＝1，2，3} S2＝{AAi，i＝1，2，4}(9) S3＝{AAi，i＝1，3，4} S4＝{AAi，i＝2，3，4} 把每組集合中的i帶入公式(4)和(5)中，獲得4個(gè)解集，每個(gè)解集有8個(gè){xij，yij，zij}解。
現(xiàn)在，利用最小均方誤差(MMSE)來(lái)得到32個(gè){xij，yij，zij}解中重復(fù)的或近似的解

在實(shí)際中，利用天線估計(jì)到達(dá)角θi并不是十分精確。因此，在4個(gè)解集中不一定有所有的重復(fù)解。
其中，i＝1，2，3；j＝1，2，...，8。
利用MMSE獲得不同天線組合的近似解

就可以獲得解的平均值。下面利用精度加權(quán)融合方法來(lái)確定物體的最終估計(jì)位置。
首先定義到達(dá)入射角θi的權(quán)值為ωi，i＝1，2，3，4，則ωi的表達(dá)式為 其中， 是估計(jì)誤差。其中S為傳感器分離度，M為傳感器個(gè)數(shù)，N為獨(dú)立的采樣個(gè)數(shù)，σn2為噪聲功率水平，P1是源功率水平。由公式(12)可以看出，到達(dá)角θi越大，誤差Δi越小。
不同的天線組合會(huì)有不同的到達(dá)角θi，因此，4個(gè)解集中的權(quán)重ωsi會(huì)隨θi的改變而改變。為了解權(quán)重集合中的每個(gè)權(quán)值，對(duì)由三個(gè)相交圓錐體AOA的θi的誤差Δθi引起的體積變化進(jìn)行計(jì)算。
由公式(5)可以得到物體到每個(gè)天線的距離di。物體對(duì)天線的距離變化范圍ri為 ri＝disinΔθi (13) 定義權(quán)值集合ωsi為 利用公式(10)-(14)，得到物體最終的估計(jì)位置(x，y，z)為 3.天線布置方式的分析方法 本發(fā)明在得到物體的最終估計(jì)位置后，為獲得最佳的定位精度，需要考慮天線的布置方式，這里只考慮線性天線。主要內(nèi)容如下 A、天線的方位 首先，分析天線的方位。如果服務(wù)區(qū)內(nèi)的物體位置的概率密度分布函數(shù)已知，那么，可以通過(guò)物體分布來(lái)獲得區(qū)域的質(zhì)心。從公式(12)中可以看出，到達(dá)角θi越大，誤差Δi越小。因此，最佳天線方位就是面向質(zhì)心，如圖4所示。
集中在質(zhì)心的物體與質(zhì)心的連接角近似90°。這樣明顯提高位置計(jì)算精度。位置或者海拔將不會(huì)影響計(jì)算精度，因?yàn)閬?lái)自質(zhì)心的連接角是90°。
圖4所示的服務(wù)區(qū)可以是平面上的任意形狀，也可以是三維空間中任意形狀面積和體積。
B、距離的影響 ①假設(shè)服務(wù)區(qū)的質(zhì)心已知。所有天線都面向質(zhì)心，那么質(zhì)心和天線之間的距離應(yīng)該盡可能的小，此時(shí)sinθi將不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。因此，SNR越大，誤差越小。
②除質(zhì)心以外的其他物體，由于天線對(duì)這些物體而言不是正態(tài)分布的，這時(shí)需要考慮sinθi的影響。為得到整個(gè)服務(wù)區(qū)最小全局誤差，分析如何獲得物體與天線之間的最佳距離d。
如公式(8)所示。Δi受cosθi和

的影響。為得到較小的誤差Δi，有兩種選擇 (1)將cosθi變大；(2)將SNR變大，即

減小。
一方面，如圖5所示，距離d對(duì)sinθi的影響表達(dá)式為 因此，di越大，cosθi越大。
另一方面，傳輸過(guò)程中分貝(dB)衰減的表達(dá)式為 LdB＝10nlog10(di)+C 其中，d是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離，單位為m；C為常數(shù)，說(shuō)明系統(tǒng)損失。在自由空間中n＝2。在地球模型中n＝4。
因此， 其中，Pt是物體的發(fā)射功率，σn2為噪聲功率水平。在實(shí)際應(yīng)用中，Pt可以假設(shè)為一個(gè)定值。
因此，di越小，SNR越大。
這樣在cosθi和SNR之間有一個(gè)折衷。為獲得最佳的Δi，需要對(duì)di求導(dǎo)。
假設(shè)一個(gè)對(duì)所有天線具有正態(tài)分布質(zhì)心的服務(wù)區(qū)，其他物體在服務(wù)區(qū)內(nèi)是均勻分布的。
那么，服務(wù)區(qū)對(duì)其中一個(gè)天線的總誤差為 其中，Ai是到達(dá)角為θi的第i個(gè)微小區(qū)域的面積。Atotal是服務(wù)區(qū)的總面積，Δi(θi)是到達(dá)角θi的誤差，其表達(dá)式為 由于其他參數(shù)是固定的，假設(shè)Δi(θi)為 參數(shù)ri在特定服務(wù)區(qū)內(nèi)是固定的。假設(shè)在自由空間中，n＝2。那么Δi(θi)為 因此，為獲取最小全局誤差Δ，需對(duì)d進(jìn)行求導(dǎo)。這可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。
C、圓形服務(wù)區(qū) 在實(shí)際中，很多情況下，可以將服務(wù)區(qū)看作平面上的區(qū)域。例如，具有天線的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者某些特殊位置需要定位，如圖書(shū)館。因此，我們以半徑為R的圓形服務(wù)區(qū)為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖6所示。
假設(shè)圓形服務(wù)區(qū)的質(zhì)心在圓心上。所有物體均勻分布在圓內(nèi)，天線面向圓心。對(duì)某一物體，設(shè)物體與圓心的距離為ri，φi為從圓心到物體與到天線兩條直線的夾角，di為物體到天線的距離，則 那么，圓形服務(wù)區(qū)的誤差Δi(θi)與ri、φi、di和d之間的關(guān)系為 如果n＝2，則 整個(gè)圓形服務(wù)區(qū)總誤差可以通過(guò)對(duì)ri和φi進(jìn)行二重積分得到 那么，圓心與天線之間的最佳距離可以通過(guò)對(duì)上式中的d進(jìn)行求導(dǎo)得到 對(duì)其他形狀的服務(wù)區(qū)，最佳距離d可以通過(guò)計(jì)算服務(wù)區(qū)的特殊形狀的面積和對(duì)公式(18)中的d進(jìn)行求導(dǎo)得到。
權(quán)利要求
1.一種基于智能天線的三維無(wú)線定位方法，其特征在于使定位問(wèn)題由二維平面擴(kuò)展到三維立體，通過(guò)對(duì)天線形成的圓錐體交點(diǎn)和布置方式的分析，得出物體位置的最佳估計(jì)；在定位過(guò)程中對(duì)檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行分配，并考慮了天線負(fù)載的影響，該方法包括以下步驟并按所述順序進(jìn)行
①一個(gè)物體發(fā)送定位請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)中的N個(gè)天線接收此請(qǐng)求，此時(shí)忙緩存b為空，設(shè)b＝0；
②4個(gè)隨機(jī)選擇的天線開(kāi)始檢測(cè)到達(dá)角θi，此時(shí)b＝b+4，設(shè)bi＝1，其中1＝忙，0＝空閑；
③如果到達(dá)角θi≤10°，則利用另一個(gè)天線，設(shè)此天線狀態(tài)為忙，前一個(gè)天線狀態(tài)為空閑；
④利用三維定位方法得到物體的位置，所述的三維定位方法包括三個(gè)內(nèi)容對(duì)智能天線形成的圓錐體交點(diǎn)分析的方法、利用精度加權(quán)融合方法去除模糊解、天線布置方式分析的方法；
⑤如果另一個(gè)物體發(fā)送位置請(qǐng)求，檢查一下b是否小于等于N，如果不是，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間槽；否則，從第一步開(kāi)始進(jìn)行重復(fù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于智能天線的三維無(wú)線定位方法，其特征在于對(duì)智能天線形成的圓錐體交點(diǎn)分析的方法如下
在三維空間中，以天線所在位置坐標(biāo)為頂點(diǎn)，以天線方位為軸，以物體到達(dá)角θi為旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成一個(gè)圓錐體。這樣的三個(gè)圓錐體相交可以得到物體的交點(diǎn)。為方便分析，將3個(gè)圓錐體從三維空間投影到二維平面，以3個(gè)圓錐體的三條軸構(gòu)成一個(gè)三角形，根據(jù)交點(diǎn)在三角形的不同位置(三角形內(nèi)部、邊上和外部)分析，得到物體的估計(jì)位置。設(shè)三維空間中的三個(gè)天線以坐標(biāo)原點(diǎn)為起始點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)等邊三角形，則三個(gè)天線坐標(biāo)分別為(1，0，0)，(0，1，0)，
方位分別為(0，1，0)，(1，0，0)和
①物體在等邊三角形內(nèi)部，其解為
只有兩個(gè)實(shí)數(shù)解，且關(guān)于x-y平面對(duì)稱(chēng)，此時(shí)交點(diǎn)個(gè)數(shù)為2個(gè)；選擇具有正z值的解p1＝
作為物體位置的合理估計(jì)，即該點(diǎn)位于地面上；
②物體在等邊三角形的邊上，其解為
同樣，也是6個(gè)解，但只有兩個(gè)實(shí)數(shù)解，且關(guān)于x-y平面對(duì)稱(chēng)，此時(shí)交點(diǎn)個(gè)數(shù)為2個(gè)，選擇p1作為物體位置的一個(gè)合理估計(jì)；
③物體位置在等邊三角形之外，其解為
此時(shí)有4個(gè)合理解，交點(diǎn)個(gè)數(shù)為4個(gè)，此時(shí)就需要利用權(quán)利3中所述的精度加權(quán)融合方法去除模糊解得到精確解。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于智能天線的三維無(wú)線定位方法，其特征在于利用精度加權(quán)融合方法去除模糊解的方法如下
①利用最小均方誤差(MMSE)求得物體位置的近似解
為
其中，i＝1，2，3；j＝1，2，...，8。
②定義到達(dá)角θi的權(quán)值為ωi，i＝1，2，3，4，則ωi的表達(dá)式為
其中，
其中S為傳感器分離度，M為傳感器個(gè)數(shù)，N為獨(dú)立的采樣個(gè)數(shù)，σn2為噪聲功率水平，P1是源功率水平。
③定義權(quán)值集合ωsi，其表達(dá)式為
④由關(guān)系式(10)、(11)、(12)、(14)得到物體最終的估計(jì)位置(x，y，z)為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于智能天線的三維無(wú)線定位方法，其特征在于天線布置方式的分析，包括對(duì)天線方位、距離影響和圓形服務(wù)區(qū)域的分析，該方法如下
①由公式看出，到達(dá)角θi越大，誤差Δi越小，當(dāng)θi＝90°時(shí)，Δi最小。因此最佳的天線方位就是面向質(zhì)心；
②距離d對(duì)定位精度也有影響，d與sinθi的關(guān)系為
因此，di越大，sinθi越小，在傳輸過(guò)程中分貝(dB)的衰減表達(dá)式為
LdB＝10nlog10(di)+C
其中，d是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的距離，單位為m，C為常數(shù)，說(shuō)明系統(tǒng)損失；在自由空間中n＝2，在地球模型中n＝4，又因?yàn)橐虼耍?br> 其中，Pt是物體的發(fā)射功率。在實(shí)際應(yīng)用中，Pt可以假設(shè)為一個(gè)定值。因此，di越小，SNR越大，這樣在cosθi和SNR之間有一個(gè)折衷。
服務(wù)區(qū)對(duì)其中一個(gè)天線的總誤差Δ與到達(dá)角θi的誤差Δi(θi)之間的關(guān)系為
其中，Ai是到達(dá)角為θi的第i個(gè)微小區(qū)域的面積，Atotal是服務(wù)區(qū)的總面積。
由于其他參數(shù)是固定的，Δi(θi)又可以表示為
參數(shù)ri在特定服務(wù)區(qū)內(nèi)是固定的，在自由空間中，n＝2。那么Δi(θi)為
因此，為獲取最小全局誤差Δ，需對(duì)d進(jìn)行求導(dǎo)。這可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解
③對(duì)于圓形服務(wù)區(qū)，天線面向圓心，此時(shí)只考慮距離d對(duì)定位精度的影響，設(shè)物體與圓心的距離為ri，φi為圓心到物體與到天線兩條直線的夾角，di為物體到天線的距離，則di和sinθi的表達(dá)式為
則圓形服務(wù)區(qū)的誤差Δi(θi)與ri、φi、di和d的關(guān)系為
如果n＝2，則Δi(θi)與ri、φi、di和d的關(guān)系為
整個(gè)圓形服務(wù)區(qū)總誤差通過(guò)對(duì)ri和φi進(jìn)行二重積分得到，其表達(dá)式為
那么，圓心與天線之間的最佳距離可以通過(guò)對(duì)(26)式中的d進(jìn)行求導(dǎo)得到，其表達(dá)式為
全文摘要
基于智能天線的三維無(wú)線定位方法用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)對(duì)天線交點(diǎn)和天線布置方式的分析，得出物體位置的最佳估計(jì)，提出一種基于智能天線的無(wú)線定位新算法；在定位過(guò)程中對(duì)檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行分配，并考慮了天線負(fù)載的影響，使算法達(dá)到最優(yōu)。本發(fā)明使定位問(wèn)題由二維平面擴(kuò)展到三維立體，使定位精度由二維平面上點(diǎn)的位置估計(jì)擴(kuò)展到三維立體中點(diǎn)的位置的精確定位，使定位精度大大提高，應(yīng)用范圍大大拓寬；降低了無(wú)線定位的成本，顯著增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
文檔編號(hào)G01S5/02GK101556327SQ20091002649
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者朱曉榮, 勇 王, 朱洪波 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)