專利名稱：定向和測位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及無線系統(tǒng)中的定位(positioning)，更具體地涉及具有組合了時間分集、極化分集和空間分集的空間濾波功能的定向和測位系統(tǒng)(orientation andlocalization system),用于檢測視距(LOS)并且傳送對移動節(jié)點的位置(location)和定向的估計。
背景技術(shù)：
這樣的系統(tǒng)可用于提供對對象的位置和定向的可靠估計。該系統(tǒng)既可被用在其中該對象(也即位置和定向?qū)ふ业闹黧w)與定位無線電站不共享一條直的視距的多徑無線電環(huán)境中，也可被用于其中在待要測位的對象與定位站之間有至少一條視距的無線電環(huán)境中。這樣的系統(tǒng)能夠在室內(nèi)和戶外環(huán)境中運行。它還提供了可用于其他無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)諸如 干擾減輕和容量改善等的空間濾波方案。對遠程對象的測位需要與中間接力節(jié)點的相對測位和相對定向有關(guān)的中間參數(shù)。在此情況下，重要的是，不僅需要精確知曉接力節(jié)點的相對測位，而且還有它們的相對定向。專利文件EP 11617601公開了一種上述種類的定向?qū)ふ移?orientationfinder)裝置，該專利文件涉及點對點(ad hoc)網(wǎng)絡(luò)。在該專利文件中所公開的系統(tǒng)旨在提供這些網(wǎng)絡(luò)所需的定位信息。另一個申請涉及成群的海上浮標，它們浮在海上以測量關(guān)于一給定區(qū)域的一
些水參數(shù)，諸如溫度、鹽度......以及其他環(huán)境參數(shù)諸如風(fēng)強度等等。為了軌跡規(guī)劃
(trajectory planning),必須仔細地考慮這些浮標的地理定向。本發(fā)明的一個目標在于提供一種具有比現(xiàn)有技術(shù)更好性能的裝置，尤其在于給對象提供定向而無需許多接入點(access point)或錨點(anchor point) (GPS衛(wèi)星使用三角測量)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，上述系統(tǒng)的突出之處在于該系統(tǒng)至少實現(xiàn)了下列任務(wù) 通過估計相應(yīng)于未配對的發(fā)射機-接收機圓極化模式的交叉極化(cross-polarized)MIMO矩陣來進行多徑信號檢測和非視距(NLOS)MIMO信道估計。此估計過程本身代表了多徑濾波，因為圓極化模式在被發(fā)射經(jīng)過一條視距時即便發(fā)射機和接收機相對于彼此是多智能化定向的(mi-oriented),也不能改變。 通過移除在一個其中在發(fā)射機側(cè)和在接收機側(cè)的極化相同的鏈路上估計的共極化(co-polarized)MIMO矩陣上的多徑貢獻(contribution),來對視距子信道進行濾波。此濾波過程不能像在非視距的情況中那樣自然地實現(xiàn)，這就是為什么該濾波是由算法實現(xiàn)的。 使用時間同步進行的獨立于成組節(jié)點的測位和定向的估計，所述成組節(jié)點不能在時間上分隔。 對相應(yīng)于未配對的圓極化的兩個交叉極化MMO矩陣作估計，并且對相應(yīng)于兩個未配對的圓極化的兩個共極化MIMO矩陣作估計。 使用極化空間時間塊碼的空間-時間極化，目的在于一方面在時域?qū)崿F(xiàn)第一濾波步驟，另一方面估計上述四個MMO矩陣。 使用估計的極化MIMO矩陣,估計到達方向(D0A),來波(oncoming wave)傾斜角(ΤΑ0Ν),離波(outgoing wave)方向(DOD),以及離波傾斜角(TAOUT)。 對高分辨率算法諸如MUSIC或MVR的改進，通過組合它們各自的多個極化依賴空間譜。
當在無線電定位站與經(jīng)受位置和定向操作的對象之間沒有視距可用時的位置和定向?qū)ふ易酉到y(tǒng)。此子系統(tǒng)還可用于技術(shù)有限的、既不能實施MMO也不能實施多極化操作的無線電站。還應(yīng)注意，在基于路徑損耗的測位方法中，非各向同性天線的問題引起了一個嚴重的問題，因為它導(dǎo)致了對節(jié)點之間的距離的錯誤估計。其原因在于如下事實最終的路徑損耗既和發(fā)射天線的增益成比例也和接收天線的增益成比例。所述增益還依賴于天線的定向。這使得難于通過一次簡單的增益平衡而從所述非各向同性效應(yīng)糾正過來。所提出的子系統(tǒng)也是對這些特定問題的一個解決方案。本發(fā)明的一個重要方面在于，能使用已濾波的共極化MMO矩陣來傳輸要求低比特錯誤率的信息，并且將交叉極化矩陣用于要求較低質(zhì)量的信息。必須注意到，反射波的適配濾波(adapted filtering)是以改進由極化自身提供的自然濾波的方式來執(zhí)行的。


下面將以舉例方式參考附圖來描述本發(fā)明，其中圖Ia示出了無線子系統(tǒng)，其中可以應(yīng)用具有極化分集能力的MIMO系統(tǒng)。圖Ib示出了相應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的位置和定向估計MMO以及基于極化的子系統(tǒng)的框圖。圖Ic是示出了可以根據(jù)本發(fā)明而使用的無線電前端的一個實施例的框圖。圖Id示出了多徑信道對傳輸?shù)牟ǖ挠绊懸约熬W(wǎng)絡(luò)之內(nèi)的移動節(jié)點之間的錯誤定向。圖Ie示出了用戶簇(cluster)和信號檢測的原理。圖If示出了迭代位置定向過程的高層描述，強調(diào)了空間檢測和信道濾波塊(bloc)。圖Ig示出了未有信道濾波的到達譜的角度。圖Ih示出了在多徑組件濾波之后的到達譜的角度。圖Ii示出了最小變化檢測算法的主要組件。圖Ij示出了 MUSIC檢測算法的主要組件。圖Ik示出了配對算法的主要組件。圖2示出了位置和定向?qū)ふ易酉到y(tǒng)，其中具有非各向同性的增益的單個天線被用在每個經(jīng)受位置和定向?qū)ふ也僮鞯膶ο笊稀?br> 具體實施例方式圖Ia是位置和定向子系統(tǒng)的一個實施例，其中可以使用組合的空間分集和極化分集。它包括了大量的傳感器簇CS1、CS2、CS3...以及大量的固定節(jié)點FN1、FN2、FN3。本發(fā)明的目標在于從任意簇或固定節(jié)點考慮來尋找到每個節(jié)點和簇的定向和測位。在此圖Ia 中，分別具有原點 P(O)、P(I)、P(2). . ·的參考系 u/1)!!，，u3(1)，ui(2)u2(2)，U3 ⑵，Ul(3)u2(3),U3⑶· · ·被分配到簇CS1、CS2、CS3. · ·。這些參考系可以相對于固定節(jié)點FN1、FN2、FN3. · ·的參考系而移動。圖Ib示出了被包括在所提到的簇和固定節(jié)點中的無線電設(shè)備的某些細節(jié)。它包括了一組通過位置服務(wù)器(LS) 25來共享位置和定向(LO)信息的定向無線電站11、12、13和14。所有所述站11、12、13和14均可具有相同的結(jié)構(gòu)。在圖Ib中，僅更詳細地示出了站11。此站的無線電部分(PRS)由一個無線電前端(RFE) 23和一個可控極化無線電結(jié)構(gòu)(CPRS)組成，所述無線電前端用于模擬高頻調(diào)制和濾波，所述可控極化無線電結(jié)構(gòu)能夠在任何時間發(fā)射或接收右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)的電磁波25。PRS的基帶部分包括一個極化控制器(PC) 26，其能夠選擇在CPRS內(nèi)的任何組的天線的極化狀態(tài)(RHCP·或LHCP) ;ΜΜ0極化信道估計(PCE)模塊27 ;以及，位置和定向?qū)ふ移?LOF) 28。圖Ic是裝置11的更為清楚的圖解。它包括能夠接收各種極化波的多排分組天線。每一排都是由一個或多個由三個圓極化天線組成的組而構(gòu)成。例如，排AGl包括至少三個天線元件33、34和35。在每組之內(nèi)的天線元件沿著三個軸定向。描述了這些軸的定向的單位基矢量X、y和z形成了一維、二維或三維的基(basis)。這樣的基的三個維度以及在這些單位矢量之間的完美正交性是優(yōu)選的，但在實踐中卻難于實現(xiàn)。在實踐中，據(jù)說無線電系統(tǒng)在發(fā)射機處和在接收機天線布置處使用了完全極化的系統(tǒng)，允許分別地輻射或取得左旋圓極化(LHCP)或右旋圓極化(RHCP)。當將該結(jié)構(gòu)用在線性天線陣列配置中時，該結(jié)構(gòu)沿著一個給定軸被周期性地重復(fù)，同時保持在同一組內(nèi)的恒定的元件間間距de以及恒定的組間間距dg。通過構(gòu)造，如果距離dg是半波長的倍數(shù)，則屬于不同組的天線元件之間不存在相關(guān)或耦合。在發(fā)射機側(cè)和在接收機側(cè)的天線布置允許形成極化的MMO系統(tǒng)，其中無線電結(jié)構(gòu)的完備性以及LHCP與RHCP信號之間的正交性是通過在合成的波束形成器之間的完備性和正交性來保持的。圖Ic示出了一個極化模式選擇模塊37，該模塊在沒有可用的硬件資源來實現(xiàn)所有極化模式的并行檢測時，選擇在給定時間處待要接收的極化。還示出了所述無線電前端的主要射頻(RF)組件，包括低噪放大器38、本地振蕩器39、模數(shù)轉(zhuǎn)換器40，以及基帶整形濾波器41。圖Ic還描繪了在無線電前端和主基帶模塊之間的互連，實現(xiàn)了導(dǎo)引符號(pilotsymbol)的非相干檢測、信道估計，以及位置-定向?qū)ふ?2。圖Id示出了多徑傳播的示意性表示。其示出了一些節(jié)點P (O)、P (I)、P (2)和P (3)。參考(reference)PthU Pth2、Pth3、Pth4示出了在節(jié)點P(O)和P(I)之間的一些傳播路徑。必須注意，在P(O)和P(2)之間沒有直接鏈路。對于這些節(jié)點中的每一個，附有一個坐標系，以使得所評估的所有定向和測位參數(shù)都以此局部坐標系為基準。此圖Id描繪了多徑無線電信道和錯誤定向53的示意性表示。所述表示示出了視距通常不是對于所有節(jié)點對都存在，且在這樣的情況下可以使用點對點模式計算一個節(jié)點相對于另一個的定向。當節(jié)點(Γ )被接收在極化狀態(tài)q'上且節(jié)點(I)在極化狀態(tài)q傳輸時，任何鏈路(Γ，I)的寬帶(WB)信道響應(yīng)均由相應(yīng)于該鏈路(Γ，I)的Mrw XMta^ )ΜΠω信道矩陣所表示。這
樣的矩陣如下給出
權(quán)利要求
1.一種具有空間濾波能力的定向和測位系統(tǒng)，它組合了時間分集、極化分集和空間分集，用于檢測直的視距(LOS)并且傳送對移動節(jié)點的位置和定向的估計，所述系統(tǒng)包括 至少一個定位無線電站，確定與該定位無線電站共享一條直的視距(LOS)的每個節(jié)點的相對定向和相對測位，每個無線電波路徑包括該視距，所述視距是由離開方向(DOD)、發(fā)射極化以及到達方向(DOA)和接收極化所表征的；所述定位無線電站和節(jié)點設(shè)有 〇多個天線系統(tǒng)，具有極化選擇切換能力； 〇無線電收發(fā)機，具有空間濾波能力以及定向和測位檢測能力； 時間濾波模塊，對接收的信號矢量執(zhí)行第一濾波步驟，所述濾波過程允許，將發(fā)射節(jié)點分類到不同的矢量集上；每個矢量集是具有幾乎相同的強度和相同的到達時間性質(zhì)的矢量的子集集合；MIMO信道矩陣模塊(71)，對每個矢量集操作，提供對一個四階MMO信道矩陣的估計，該矩陣由分別地在發(fā)射機側(cè)和接收機側(cè)均使用相似的圓極化模式時獲得的一對共極化MIMO矩陣以及在發(fā)射機側(cè)和接收機側(cè)使用不同的圓極化模式時獲得的一對交叉極化MIMO矩陣組成，所述模塊能夠估計接收相關(guān)矩陣和發(fā)射相關(guān)矩陣，所述接收相關(guān)矩陣和所述發(fā)射相關(guān)矩陣是空間檢測算法的輸入； 模塊(67)，對交叉極化MMO矩陣的秩操作，以控制多徑DOA和DOD估計模塊(68)，從而操作最佳檢測方法； 多徑DOA和DOD估計模塊(68)，對相應(yīng)于未配對的發(fā)射機極化和接收機極化的四個直接估計的相關(guān)矩陣操作，或者對可以用先前估計的交叉極化MIMO矩陣估計出的四個相關(guān)矩陣操作； 該對接收相關(guān)矩陣，相應(yīng)于兩個不同的未配對的極化模式(RHCP-LHCP和LHCP-RHCP)，產(chǎn)生了對多對到達角(AOA)的多徑方位角-仰角的估計； 該對發(fā)射相關(guān)矩陣，相應(yīng)于兩個不同的未配對的極化模式(RHCP-LHCP和LHCP-RHCP)，產(chǎn)生了對多對離開角(AOD)的多徑方位角-仰角的估計； 在所述極化模式上獲得的兩個已估計的AOA集合上的信號功率形成一個接收極化-空間譜，而各自在一個不同的極化模式上獲得的兩個已估計的AOD集合上的信號功率形成一個發(fā)射極化-空間譜； 所述模塊運行MUSIC或MVR算法(或者任何等價的方案)，均提供了所述多徑接收信號的兩個極化-空間譜； 兩個接收極化-空間譜的組合提供了一個公共接收譜，同樣，兩個發(fā)射極化-空間譜的組合提供了一個公共發(fā)射譜，所述組合是在譜之間的加法、乘法或任何其他算術(shù)運算，尤其使用乘法運算來增強譜的質(zhì)量； 籲多徑傾斜角和信道增益估計模塊(69)，使用所述多徑DOA和DOD估計模塊￠8)和所述MIMO信道矩陣模塊(71)來提供估計如下各項的手段 〇每個已估計的DOD參數(shù)的信號強度和TAOUT ； 〇每個已估計的DOA參數(shù)的信號強度和TAON ； 所述模塊執(zhí)行一個配對操作，旨在為每個已估計的DOA參數(shù)尋找到相應(yīng)的DOD參數(shù)，以使得配對的D0A/D0D參數(shù)描述一條具體路徑在發(fā)射機和接收機鏈路的兩端處的方向性質(zhì)； 共極化信道濾波模塊(70)，其從所述共極化信道矩陣中移除多徑信道分量；所述模塊通過將下述各項用作輸入，重構(gòu)了多徑起源的共極化MIMO矩陣 O由所述估計模塊￠8)提供的DOA和DOD估計； 〇由所述MMO信道矩陣模塊(71)提供的共極化MMO矩陣； 所述模塊使用重構(gòu)的共極化MIMO矩陣為每一對D0A/D0D角重新估計信道增益和傾斜角； 視距DOA和DOD估計模塊(72)，對由所述共極化信道濾波模塊(70)提供的濾波共極化信道矩陣操作，并且運行已由所述模塊￠7)選擇的MUSIC算法或MVR算法，以提供相應(yīng)于視距路徑的若干組DOA和DOD對的方位角-仰角，能夠如同所述估計模塊￠8)中一樣采用不同的極化-空間譜的組合； 視距“多徑傾斜角和信道”估計模塊(73)，使用由視距DOA和DOD估計模塊(72)和共極化信道濾波模塊(70)提供的信息，以給TAON和TAOUT的每條視距傳送估計； 視距DOA、DOD、TAON、TAOUT是在所述接收機的參考系中估計的； 位置和定向?qū)ふ移?75)，使用由視距多徑傾斜角和信道估計模塊(73)提供的信息，來確定具有已識別的視距的每個發(fā)射機的位置和定向；該模塊利用了由所述共極化信道濾波模塊(70)、視距DOA和DOD估計模塊(72)、視距多徑傾斜角和信道估計模塊(73)以及時間濾波模塊所提供的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位系統(tǒng)，其中對發(fā)射機-接收機定向旋轉(zhuǎn)矩陣的估計利用了如下事實當發(fā)射機和接收機彼此失去定向時，即使該發(fā)射機和該接收機共享同一條視距，在該發(fā)射機的參考系中的DOD和TAOUT對，通常也是不同于在該接收機側(cè)的參考系中的DOA和TAON對。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位系統(tǒng)，其中所述發(fā)射機相對于所述接收機的定向，是通過組合所述D0A、所述D0D、所述TAOUT和所述TAON實現(xiàn)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位系統(tǒng)，其中檢測所述非視距(多徑)波是通過使用未配對的極化天線上的極化-空間譜而執(zhí)行的，這意味著如果發(fā)射天線是右旋(RH)圓極化的，則接收機天線是左旋(LH)圓極化的，反之亦然，根據(jù)此定義的極化約定由下式給出 其中，相應(yīng)于一個AOD和一個AOA的一秩MIMO矩陣，是描述了接收波的導(dǎo)向矢量和描述了發(fā)射波的導(dǎo)向矢量的埃爾米特共軛(共軛轉(zhuǎn)置矩陣)的乘積，所述AOA和所述AOD是描述了傳播波的方向的那些矢量，意味著如果所述發(fā)射機的參考系基矢量和所述接收機的參考系基矢量是相同的，則所述AOA和所述AOD也是相同的。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位系統(tǒng)，其中兩個接收極化-空間譜的組合，和兩個發(fā)射極化-空間譜的組合，可以是譜之間的加法、乘法或任何其他算術(shù)運算，尤其是使用乘法運算來增強譜的質(zhì)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求I和5所述的定向和測位系統(tǒng)，其中可以通過使用乘法運算進行兩個極化-空間譜的組合，以增強組合的譜的質(zhì)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位系統(tǒng)，其中多徑傾斜角和信道增益的估計是通過使用多徑DOA和DOD以及交叉極化MMO矩陣而實現(xiàn)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位系統(tǒng)，其中所述多徑傾斜角和信道增益估計模塊(69)執(zhí)行配對運算，旨在將DOD估計參數(shù)關(guān)聯(lián)到每個DOA估計參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位，其中共極化信道濾波是以三步實現(xiàn)的 在第一步，實現(xiàn)對每個鏈路上的信道增益和傾斜角的估計，使用如下各項作為輸Λ O在每個多徑鏈路上的DOA和DOD參數(shù)。這些參數(shù)是通過使用交叉極化MMO矩陣估計的； 〇所述共極化MMO矩陣； 在第二步，使用在該第一步中估計的參數(shù)重構(gòu)共極化MMO信道矩陣； 在第三步，從原始的共極化MMO矩陣減去該共極化MMO信道矩陣的多徑部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位系統(tǒng)，其中通過使用已濾波的共極化MMO矩陣，實現(xiàn)視距DOA和DOD估計。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位系統(tǒng)，其中通過使用視距DOA和DOD以及已濾波的共極化MMO矩陣，估計視距傾斜角。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向和測位系統(tǒng)，其中所述位置和定向?qū)ふ移?75)使用由視距多徑傾斜角和信道估計模塊(73)所提供的信息來確定具有已識別的視距的每個發(fā)射機的位置和定向。
13.將包括在根據(jù)權(quán)利要求I至12之一所述的系統(tǒng)中的信道濾波和視距檢測用于下列任務(wù)的用途 -將已濾波的共極化MMO信道矩陣用于發(fā)射要求低比特錯誤率的信息，以及 -將交叉極化矩陣用于不要求好質(zhì)量的信息。
14.信道增益估計模塊，當用于估計每個多徑的增益時，所述模塊實現(xiàn)了一個額外的任務(wù)，該任務(wù)包括信道互易性的測試(105)。
15.互易性測試器(105)，基于給定的AOA和AOD集合，以及在所述交叉極化模式上的平均信道矩陣，該互異性測試器(105)可以檢驗被分立地估計的信道的復(fù)增益是否相應(yīng)于互易信道。
16.度量，由互易性測試器(105)所采用，以評估在由公式(29)給出的所計算的對角矩陣之間的距離。
17.構(gòu)成信道增益模塊的其余的塊包括 置換塊(106)，產(chǎn)生AOD對的集合的所有可能的置換； 配對判決模塊(109)，其任務(wù)在于在每個AOA處組合一個A0D，所述配對操作是基于給定判據(jù)的優(yōu)化，尤其是對數(shù)似然函數(shù)的最大化，或在重構(gòu)的信道矩陣和實際的噪聲矩陣之間的距離的最小化。
18.天線角功率增益輪廓的可變性用于尋找天線定向的用途。
19.天線角功率增益輪廓的可變性用于在位置方法中校正天線各向異性的問題的用途。
20.根據(jù)對實施方案的說明中描述的基于角的位置和定向?qū)ふ宜惴ā?br> 全文摘要
系統(tǒng)包括可被要求定向和測位的第一節(jié)點簇(CS1，CS2)，和稱為測量節(jié)點的以確定與其共享直的視距的第一節(jié)點的相對定向和測位的至少一個節(jié)點(FN1，F(xiàn)N2...)；每個節(jié)點具有基于MIMO過程運行的無線電站(11，12，13...)，MIMO過程涉及對接收和發(fā)射波在其發(fā)射和接收側(cè)的各種不同極化。無線電站執(zhí)行●選擇在發(fā)射側(cè)的極化模式，以選擇的極化模式發(fā)射導(dǎo)向空間時間塊碼，使得接收無線電站可以估計四個極化MIMO信道矩陣；●選擇在接收機側(cè)的極化模式，通過將接收的空間時間信號匹配到發(fā)射的空間時間塊以估計四個極化MIMO信道矩陣；●獨立于每個簇內(nèi)的第一節(jié)點的測位和定向進行估計；●組合四個已估計的極化MIMO信道矩陣，從共極化MIMO信道矩陣移除多徑信號的貢獻；●使用交叉極化信道上的已估計的MIMO信道矩陣，估計表征接收機側(cè)的沖擊多徑信號的方位角和仰角，并估計表征發(fā)射機側(cè)的離開多徑信號的方位角和仰角。
文檔編號G01S5/14GK102803984SQ200980159996
公開日2012年11月28日 申請日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者A·馬爾祖基, D·扎赫拉奇 申請人:法國電信教育集團