一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法與定位裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法與定位裝置，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，該方法涉及超寬帶無(wú)線定位系統(tǒng)中低速率采樣精確時(shí)延估計(jì)問(wèn)題，是一種讓接收信號(hào)通過(guò)一個(gè)由多個(gè)抽樣濾波器組成的梳狀系統(tǒng)進(jìn)行濾波，然后以較低的采樣率對(duì)其進(jìn)行采樣后進(jìn)行時(shí)延估計(jì)并完成定位的方法。本發(fā)明的采樣率與傳統(tǒng)的奈奎斯特頻率比較要低很多，并且只取決于傳播路徑的數(shù)目和信號(hào)傳播速率，和脈沖帶寬無(wú)關(guān)，這顯著降低了定位過(guò)程中對(duì)采樣率要求，同時(shí)本發(fā)明還提供了一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位裝置。
【專利說(shuō)明】
一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法與定位裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法與定位裝置，屬于無(wú)線通信
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 超寬帶技術(shù)由于其穿透能力強(qiáng)、精度高，在無(wú)線定位中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，常用的 定位方法有基于到達(dá)角度估計(jì)、基于到達(dá)時(shí)間估計(jì)和基于接收信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)?；诘竭_(dá)角 度估計(jì)方法需要多天線陣列等技術(shù)，增加了系統(tǒng)的設(shè)備成本;基于接收信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)方法 依賴于路徑損耗模型，對(duì)傳播環(huán)境特別敏感。而基于到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法利用了超寬帶信號(hào) 較高的時(shí)間分辨率，因此能體現(xiàn)超寬帶信號(hào)高精度定位的優(yōu)勢(shì)。但是由于多徑傳播存在反 射、衍射等現(xiàn)象，使得多徑干擾和噪聲成為制約超寬帶時(shí)延估計(jì)和定位的關(guān)鍵因素。另外， 由于超寬帶信號(hào)的帶寬比較大，傳統(tǒng)的方法必須以奈奎斯特采樣速率進(jìn)行采樣，這就制約 了超寬帶定位的應(yīng)用。在專利201310174851.3中雖然提供了一種針對(duì)脈沖超寬帶信號(hào)的首 達(dá)路徑檢測(cè)定位的方法，但是采樣率仍是基于傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣頻率，對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)的要求很高，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和硬件成本。在專利201310065362.4中解決時(shí)延估計(jì) 問(wèn)題的方法是基于接收信號(hào)和發(fā)射脈沖之間的相關(guān)性展開(kāi)的，然而，這種時(shí)間問(wèn)題的解決 方法卻受制于發(fā)射脈沖的帶寬，并且，只有在所有的路徑都能有信號(hào)被接收或者只有一條 傳播路徑時(shí)才能使用。當(dāng)然，這在模擬域中已經(jīng)被應(yīng)用的相當(dāng)廣泛，因?yàn)槟M信號(hào)的相關(guān)是 比較容易計(jì)算的，若是為了在數(shù)字域進(jìn)行粗略的時(shí)延估計(jì)，那么進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的數(shù)據(jù)就必 須是從樣本中進(jìn)行高速率的采樣得到的，這大大增加了硬件成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法。該 方法涉及超寬帶無(wú)線定位系統(tǒng)中低速率采樣精確時(shí)延估計(jì)問(wèn)題，是一種讓接收信號(hào)通過(guò)一 個(gè)由多個(gè)抽樣濾波器組成的梳狀系統(tǒng)進(jìn)行濾波，然后以較低的采樣率對(duì)其進(jìn)行采樣后進(jìn)行 時(shí)延估計(jì)并完成定位的方法。采樣率與傳統(tǒng)的奈奎斯特頻率相比要低很多，并且只取決于 傳播路徑的數(shù)目和信號(hào)傳播速率，和脈沖帶寬無(wú)關(guān)，這顯著降低了定位中對(duì)采樣率的要求。 在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，比如傳播路徑很少或者傳輸脈沖帶寬很大時(shí)，降低采樣率就顯得極為重 要。因?yàn)楫?dāng)采樣率降低后，對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的要求就會(huì)降低，能耗也會(huì)隨之降低。
[0004] 本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的定位裝置。
[0005] 術(shù)語(yǔ)解釋：
[0006] 采樣率:定義了每秒從連續(xù)信號(hào)中提取并組成離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)。按照奈奎斯 特采樣定理，如果信號(hào)是帶限的，采樣頻率必須大于被采樣信號(hào)帶寬的兩倍，才能保證無(wú)失 真地恢復(fù)原信號(hào)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，包括如下步驟：
[0009] 1)參考站利用北斗接收機(jī)，獲得參考站的坐標(biāo)信息，并將坐標(biāo)信息傳送至移動(dòng)終 端；
[0010] 2)參考站以恒定的速率1/T發(fā)送超寬帶脈沖信號(hào)，所述脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑傳播到 達(dá)移動(dòng)終端；
[0011] 3)移動(dòng)終端接收到參考站發(fā)射的坐標(biāo)信息和脈沖信號(hào)，移動(dòng)終端接收的脈沖信號(hào) 即為接收信號(hào)，接收信號(hào)通過(guò)一個(gè)由L個(gè)采樣濾波器組成的梳狀系統(tǒng)進(jìn)行濾波，然后以較低 的采樣率對(duì)經(jīng)過(guò)多路濾波后的接收信號(hào)進(jìn)行采樣后得到采樣值，由采樣值得到采樣矢量；
[0012] 4)移動(dòng)終端用投影矩陣對(duì)接收到的采樣矢量進(jìn)行投影得到測(cè)量矢量；
[0013] 5)移動(dòng)終端用ESPRIT算法從測(cè)量矢量中恢復(fù)出時(shí)延；
[0014] 6)移動(dòng)終端根據(jù)參考站和移動(dòng)終端的時(shí)延，計(jì)算出移動(dòng)終端和參考站的距離。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，還包括步驟7):重復(fù)步驟1)_6)至少四次，使至少四個(gè)參考站 與移動(dòng)終端進(jìn)行通信，計(jì)算出移動(dòng)終端和所有參考站的距離；
[0016] 8)根據(jù)獲得的移動(dòng)終端和各參考站的距離以及各參考站的坐標(biāo)信息，計(jì)算出移動(dòng) 終端的坐標(biāo)。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟3)中，所述接收信號(hào)可以描述時(shí)變多徑媒介中接收信號(hào) 的通用模型，
[0018] 設(shè)定p(t)為發(fā)射的單個(gè)脈沖信號(hào)波形，由于多徑效應(yīng)的影響，設(shè)定K為由于多徑效 應(yīng)產(chǎn)生的路徑條數(shù)，每一條路徑都有一個(gè)恒定的時(shí)延T 1和增益ai，則單個(gè)脈沖信號(hào)到達(dá)移動(dòng) 終端的接收信號(hào)，表示
[0019] 參考站以恒定的速率1/T發(fā)送超寬帶脈沖信號(hào)，移動(dòng)終端接收到的信號(hào)表示為：
[0020]
(!)
[0021]其中:n，T分別表示脈沖序號(hào)和脈沖周期，ai[n]表示第η個(gè)脈沖第i條路徑的增益， pUmnT)表示移動(dòng)終端接收到的第η個(gè)脈沖第i條路徑的脈沖波形；
[0022]根據(jù)DTFT變換定義，一個(gè)序列ai[n]的DTFT變換表示為：
[0023]
〔2)
[0024] 根據(jù)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的傅里葉變換定義，r(t)的傅里葉變換表示為：
[0025]
(3)
[0026] 接收信號(hào)r(t)的傅里葉變換R( ω )寫為：
[0027]
(4)
[0028] 其中:Ai(ejtJT)是序列ai[n]的DTFT變換，Ρ(ω)是p(t)的傅里葉變換。
[0029] 進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟3)中，采樣為利用L個(gè)平行的采樣通道，在每一條通道中，接收 信號(hào)都要先經(jīng)過(guò)一個(gè)沖擊響應(yīng)為￥ (4；)的濾波器，然后統(tǒng)一按照t = nT進(jìn)行采樣，生成一個(gè) 序列bi[n]，序列bi[n]即為采樣值，
[0030] 對(duì)于第1路通道，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器，濾波后的信號(hào)81(〇表示為：
[0031]
(5)
[0032] 根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)，S1(t)的傅里葉變換表示為：
[0033]
(6)
[0034] 其中：//Γ (?)是< 〇的傅里葉變換；
[0035]接下來(lái)，按照t = nT對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)抽樣定理，第1路通道的采樣值 bi[n]表不為
[0036]
(7.)
[0037] 其中：S(t-nT)是沖擊函數(shù)；[0038]對(duì)第1路通道的采樣值bi[n]作DTFT得到：
[0039]
[0040] 是Ρ(ω)頻譜的搬移。
[0041 ]進(jìn)一步優(yōu)選的，L與K滿足L多2Κ。當(dāng)抽樣濾波器數(shù)量和脈沖P (t)滿足L多2Κ條件時(shí)， 能夠保證從采樣值中恢復(fù)出時(shí)延從而完成定位。這就實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的采樣率比傳統(tǒng)的奈奎 斯特頻率要低很多，并且只取決于傳播路徑的數(shù)目和信號(hào)傳播速率，和脈沖帶寬無(wú)關(guān)。在實(shí) 際應(yīng)用場(chǎng)合，比如傳播路徑很少或者傳輸脈沖帶寬很大時(shí)，降低采樣率就顯得極為重要。 [0042]在許多應(yīng)用中，為了減少存儲(chǔ)量和傳輸量，很多信號(hào)以滿足奈奎斯特采樣定理的 頻率進(jìn)行采樣后，再進(jìn)行壓縮才開(kāi)始傳輸。本發(fā)明的壓縮采樣的步驟是直接以較低的采樣 率得到采樣值，并從采樣值中恢復(fù)時(shí)延。
[0043] 進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟3)中，所述采樣濾波器為帶通濾波器￥ ，m( ω )工作的頻 域帶寬羞
，并且滿足
[0044]
69)
[0045] H1(Co)是匕⑴的傅里葉變換ΛΚ是In⑴的共輒并且翻轉(zhuǎn)；
[0046] 接收信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣濾波器并采樣后，對(duì)第1路信號(hào)，公式(8)寫為
[0047] (10)
[0048] 頻譜的搬移；
[0049] 將公式(10)寫成矩陣形式，即為：
[0050]
[0051] 其中，列向量B (ejuT)即為采樣矢量，列向量B (ejuT)的維度為L(zhǎng)，它的第1個(gè)向量 表示為B1(W gjt);矩陣Ψ(τ)的維度為L(zhǎng)XK，該矩陣是一個(gè)范德蒙矩陣，它的第mi個(gè)分量表示 成/譬―-以；列向量Γ (e>T)的維度為K，它的第k個(gè)向量表示為。矩陣Φ(#τ) 的維度為L(zhǎng) X L，它的第Im個(gè)元素表示為
[0052] (12)
[0053]
[0054]
[0055] 其中矩陣H(e>T)的維度為L(zhǎng)XL，它的第Im個(gè)元素表示戈 根
據(jù)本步驟濾波器的設(shè)計(jì)，所以H(e>T)是一個(gè)斜對(duì)角矩陣，并且連續(xù)可逆，這里的頻率響應(yīng)是 沖擊響應(yīng)在頻域上的表示；
[0056] 對(duì)角陣P(e>T)的維度為L(zhǎng)XL，它的第m個(gè)對(duì)角元素表示? 只需 滿足|Ρ(ω)|有界，即可使得對(duì)角陣P(e>T)連續(xù)可逆，所以Φ(￥ωΤ)也是連續(xù)可逆的。
[0057] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟4)中，Φ(￥ωΤ)穩(wěn)定可逆，定義一個(gè)LXL的投影矩陣 (e>T)對(duì)采樣矢量投影，得到維度為L(zhǎng)的列向量c(e> T)
[0058] c(ejtJT) = ?^(ejtJT)B(ejtJT) (14)
[0059] 列向量c(e#T)g卩為測(cè)量矢量，同時(shí)，測(cè)量矢量滿足：
[0060] c(ejuT) = W(T) Γ (ejuT) (15)
[0061 ] Ψ (τ)是關(guān)于ω獨(dú)立的，通過(guò)DTFT的線性特征，將公式(15)轉(zhuǎn)化到時(shí)間域中
[0062]
' 16)
[0063] c[n]為c(e>T)在時(shí)間域中的測(cè)量值。公式(15)屬于頻域，公式(16)屬于時(shí)間域，時(shí) 間域是指從時(shí)間的角度分析信號(hào)。
[0064] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟5)中，要從（16)式中恢復(fù)出時(shí)延。根據(jù)現(xiàn)有估計(jì)算法，當(dāng) 滿足一定的恢復(fù)條件時(shí)，利用ESPRIT算法從測(cè)量值c [η]中恢復(fù)出時(shí)延。
[0065] 進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟8)中，根據(jù)參考站到移動(dòng)終端的多條路徑的時(shí)延，時(shí)延最短的 作為參考站到移動(dòng)終端的直達(dá)路徑，選擇最短的時(shí)延作為延遲時(shí)間，計(jì)算出參考站和移動(dòng) 終端的相間距離，相間距離=延遲時(shí)間*信號(hào)傳播速率，這里信號(hào)傳播速率就是光速。
[0066]已知移動(dòng)終端與四個(gè)參考站之間的相間距離，分別為Cl1，d2，d3，d 4,將參考站的位 置信息轉(zhuǎn)換到地心空間直角坐標(biāo)系中，坐標(biāo)分別為？1(11，7131)，？2(12,72,22)，？3(13,73， Z3)，P4(X4，y4，Z4)，設(shè)定移動(dòng)終端坐標(biāo)為P(x，y，z)，則可以得到如下方程式：
[0067]
(17)
[0068] 通過(guò)求解公式（17)即可得到移動(dòng)終端在地心空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)，確定移動(dòng)終 端坐標(biāo)。
[0069] -種實(shí)現(xiàn)上述定位方法的定位裝置，包括相連的低噪聲放大器模塊、帶通濾波器 模塊、壓縮采樣模塊、FPGA模塊、屏幕顯示模塊。
[0070] 移動(dòng)終端接收脈沖信號(hào)后，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器處理，放大接收到的微弱的脈沖信 號(hào)，降低噪聲干擾;然后經(jīng)過(guò)一組由多路帶通濾波器組成的梳狀系統(tǒng)進(jìn)行濾波;再以較低的 采樣率對(duì)濾波后的信號(hào)采樣，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換;從多個(gè)參考站接收并處理的采樣值在 FPGA模塊中存儲(chǔ)并處理，計(jì)算出移動(dòng)終端的坐標(biāo)信息，并在顯示模塊中顯示。
【附圖說(shuō)明】
[0071 ]圖1為本發(fā)明所述一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法流程圖；
[0072]圖2為本發(fā)明所述基于壓縮采樣的時(shí)延估計(jì)方法示意圖；
[0073]圖3為本發(fā)明所述利用ESPRIT算法進(jìn)行時(shí)延恢復(fù)的方法示意圖；
[0074] 圖4為本發(fā)明所述一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法空間分布圖；
[0075] 圖5為本發(fā)明所述一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位裝置。
【具體實(shí)施方式】：
[0076] 下面結(jié)合實(shí)施例和說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明，但不限于此。
[0077] 如圖1-5所示。
[0078] 實(shí)施例1、
[0079] 如圖1所示。
[0080] -種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，包括如下步驟：
[0081] 1)參考站利用北斗接收機(jī)，獲得參考站的坐標(biāo)信息，并將坐標(biāo)信息傳送至移動(dòng)終 端；
[0082] 2)參考站以恒定的速率1/T發(fā)送超寬帶脈沖信號(hào)，所述脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑傳播到 達(dá)移動(dòng)終端；
[0083] 3)移動(dòng)終端接收到參考站發(fā)射的坐標(biāo)信息和脈沖信號(hào)，移動(dòng)終端接收的脈沖信號(hào) 即為接收信號(hào)，接收信號(hào)通過(guò)一個(gè)由L個(gè)采樣濾波器組成的梳狀系統(tǒng)進(jìn)行濾波，然后以較低 的采樣率對(duì)經(jīng)過(guò)多路濾波后的接收信號(hào)進(jìn)行采樣后得到采樣值，由采樣值得到采樣矢量；
[0084] 4)移動(dòng)終端用投影矩陣對(duì)接收到的采樣矢量進(jìn)行投影得到測(cè)量矢量；
[0085] 5)移動(dòng)終端用ESPRIT算法從測(cè)量矢量中恢復(fù)出時(shí)延；
[0086] 6)移動(dòng)終端根據(jù)參考站和移動(dòng)終端的時(shí)延，計(jì)算出移動(dòng)終端和參考站的距離；
[0087] 7)重復(fù)步驟1)_6)四次，使四個(gè)參考站與移動(dòng)終端進(jìn)行通信，計(jì)算出移動(dòng)終端和所 有參考站的距離；
[0088] 8)根據(jù)獲得的移動(dòng)終端和各參考站的距離以及各參考站的坐標(biāo)信息，計(jì)算出移動(dòng) 終端的坐標(biāo)。
[0089] 實(shí)施例2、
[0090] 如實(shí)施例1所述的一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其區(qū)別在于，步驟3) 中，所述接收信號(hào)可以描述時(shí)變多徑媒介中接收信號(hào)的通用模型，
[0091] 設(shè)定P(t)為發(fā)射的單個(gè)脈沖信號(hào)波形，由于多徑效應(yīng)的影響，設(shè)定K為由于多徑效 應(yīng)產(chǎn)生的路徑條數(shù)，每一備路釋都有一個(gè)恒定的時(shí)延T 1和增益ai，則單個(gè)脈沖信號(hào)到達(dá)移動(dòng) 終端的接收信號(hào)，表示
[0092] 參考站以恒定的速率1/T發(fā)送超寬帶脈沖信號(hào)，移動(dòng)終端接收到的信號(hào)表示為：
[0093]
(1)
[0094] 其中:n，T分別表示脈沖序號(hào)和脈沖周期，ai[n]表示第η個(gè)脈沖第i條路徑的增益， pUmnT)表示移動(dòng)終端接收到的第η個(gè)脈沖第i條路徑的脈沖波形；
[0095]根據(jù)DTFT變換定義，一個(gè)序列ai [η]的DTFT變換表示為：
[0096]
(：2)
[0097] 根據(jù)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的傅里葉變換定義，r(t)的傅里葉變換表示為：
[0098] (3)
[0099]
[0100] (4)
[0101] 其中:AiWtjl)是序列ai[n]的DTFT變換，Ρ(ω)是p(t)的傅里葉變換。
[0102] 實(shí)施例3、
[0103] 如實(shí)施例2所述的一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其區(qū)別在于，步驟3) 中，采樣為利用L個(gè)平行的采樣通道，在每一條通道中，接收信號(hào)都要先經(jīng)過(guò)一個(gè)沖擊響應(yīng) 為以-#的濾波器，然后統(tǒng)一按照t = nT進(jìn)行采樣，生成一個(gè)序列匕[11]，序列Μ[η]即為采樣 值，
[0104] 對(duì)于第1路通道，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器，濾波后的信號(hào)81(〇表示為：
[0105]
(5)
[0106] 根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)，S1(t)的傅里葉變換表示為：
[0107] S, (fe>) - R^co)//, (fe>) (6);
[0108] 其中是?)的傅里葉變換；
[0109] 接下來(lái)，按照t = nT對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)抽樣定理，第1路通道的采樣值 bi[n]表不為
[0110]
(7.)
[0111] 其中：S(t-nT)是沖擊函數(shù)；[0112] 對(duì)第1路通道的采樣值bi [ η ]作DTFT得到：
[0113]
[0114] 是Ρ(ω)頻譜的搬移。
[0115] L與K滿足L多2Κ。當(dāng)抽樣濾波器數(shù)量和脈沖ρ (t)滿足L多2Κ條件時(shí)，能夠保證從采 樣值中恢復(fù)出時(shí)延從而完成定位。這就實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的采樣率比傳統(tǒng)的奈奎斯特頻率要低 很多，并且只取決于傳播路徑的數(shù)目和信號(hào)傳播速率，和脈沖帶寬無(wú)關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合， 比如傳播路徑很少或者傳輸脈沖帶寬很大時(shí)，降低采樣率就顯得極為重要。
[0116] 在許多應(yīng)用中，為了減少存儲(chǔ)量和傳輸量，很多信號(hào)以滿足奈奎斯特采樣定理的 頻率進(jìn)行采樣后，再進(jìn)行壓縮才開(kāi)始傳輸。本發(fā)明的壓縮采樣的步驟是直接以較低的采樣 率得到采樣值，并從采樣值中恢復(fù)時(shí)延。
[0117] 實(shí)施例4、
[0118] 如實(shí)施例3所述的一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其區(qū)別在于，步驟3) 中，所述采樣濾波器為帶通濾波器< ，m( ω )工作的頻域帶寬；
并且滿足
[0119]
(9)
[0120] H1(Co)是hKt)的傅里葉變換，Λ/M是Wt)的共輒并且翻轉(zhuǎn)；[0121]接收信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣濾波器并采樣后，對(duì)第1路信號(hào)，公式(8)寫為
[0124]將公式(10)寫成矩陣形式，即為：
[0122] (10)
[0123] 丨頻譜的搬移；
[0125] B (θ」ωΤ) = Φ(θ」ωΤ)Ψ(τ) Γ (ejuT) (11)
[0126] 其中，列向量B (ejuT)即為采樣矢量，列向量B (ejuT)的維度為L(zhǎng)，它的第1個(gè)向量 表示為B1(W gjt);矩陣Ψ(τ)的維度為L(zhǎng)XK，該矩陣是一個(gè)范德蒙矩陣，它的第mi個(gè)分量表示 成^/警列向量Γ (ejuT)的維度為K，它的第k個(gè)向量表示^
的維度為L(zhǎng) X L，它的第Im個(gè)元素表示為
[0127] (12)
[0128]
[0129]
[0130] 其中矩陣H(e>T)的維度為L(zhǎng)XL，它的第Im個(gè)元素表示戈
，根
據(jù)本步驟濾波器的設(shè)計(jì)，所以H(e>T)是一個(gè)斜對(duì)角矩陣，并且連續(xù)可逆，這里的頻率響應(yīng)是 沖擊響應(yīng)在頻域上的表示；
[0131] 對(duì)角陣P(e>T)的維度為L(zhǎng)XL，它的第m個(gè)對(duì)角元素表示為 只需 滿足|Ρ(ω)|有界，即可使得對(duì)角陣P(e>T)連續(xù)可逆，所以Φ(￥ωΤ)也是連續(xù)可逆的。
[0132] 實(shí)施例5、
[0133] 如實(shí)施例4所述的一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其區(qū)別在于，步驟4) 中，Φ (e>T)穩(wěn)定可逆，定義一個(gè)LXL的投影矩陣K1(^t)對(duì)采樣矢量投影，得到維度為L(zhǎng) 的列向骨
[0134]
[0135] 列向量c(e#T) 即為測(cè)量矢量，同時(shí)，測(cè)量矢量滿足：
[0136]
[0137] Ψ (τ)是關(guān)于ω獨(dú)立的，通過(guò)DTFT的線性特征，將公式（15)轉(zhuǎn)化到時(shí)間域中
[0138]
(16)
[0139] c[n]為c(e>T)在時(shí)間域中的測(cè)量值。公式(15)屬于頻域，公式(16)屬于時(shí)間域，時(shí) 間域是指從時(shí)間的角度分析信號(hào)。
[0140] 實(shí)施例6、
[0141] 如實(shí)施例5所述的一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其區(qū)別在于，步驟5) 中，要從（16)式中恢復(fù)出時(shí)延。根據(jù)現(xiàn)有估計(jì)算法，當(dāng)滿足實(shí)施例3的恢復(fù)條件時(shí)，利用現(xiàn)有 的ESPRIT算法從測(cè)量值c[n]中恢復(fù)出時(shí)延，算法流程圖如圖3所示。
[0142] 實(shí)施例7、
[0143] 如實(shí)施例6所述的一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其區(qū)別在于，經(jīng)過(guò)步 驟7)的重復(fù)四次，步驟8)中，根據(jù)參考站到移動(dòng)終端的多條路徑的時(shí)延，時(shí)延最短的為參考 站到移動(dòng)終端的直達(dá)路徑，選擇該時(shí)延作為延遲時(shí)間，計(jì)算出參考站和移動(dòng)終端的相間距 離，相間距離=延遲時(shí)間*信號(hào)傳播速率，這里信號(hào)傳播速率就是光速。
[0144] 如圖4所示，RN為參考站，COMPASS為北斗接收機(jī)，RX為移動(dòng)終端，已知移動(dòng)終端與 四個(gè)參考站之間的距離，分別為Cl 1，d2，d3，d4，將參考站的位置信息轉(zhuǎn)換到地心空間直角坐 標(biāo)系中，坐標(biāo)分別為?1(11，71，21)，？2(12,72,22)，？3(13,73,23)，？4(14,74,24)，設(shè)定移動(dòng)終端 坐標(biāo)為P(x，y，z)，則可以得到如下方程式：
[0145]
(17)
[0146]通過(guò)求解公式（17)即可得到移動(dòng)終端在地心空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)，確定移動(dòng)終 端坐標(biāo)。
[0147] 實(shí)施例8、
[0148] 如圖5所示。
[0149] -種實(shí)現(xiàn)實(shí)施例7所述基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法的定位裝置，包括相 連的低噪聲放大器模塊、帶通濾波器模塊、壓縮采樣模塊、FPGA模塊、屏幕顯示模塊，圖5中 LAN模塊即為低噪聲放大器模塊，BPF模塊即為帶通濾波器模塊。
[0150] 移動(dòng)終端接收脈沖信號(hào)后，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器處理，放大接收到的微弱的脈沖信 號(hào)，降低噪聲干擾;然后經(jīng)過(guò)一組由多路帶通濾波器組成的梳狀系統(tǒng)進(jìn)行濾波;再以較低的 采樣率對(duì)濾波后的信號(hào)采樣，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換;從多個(gè)參考站接收并處理的采樣值在 FPGA模塊中存儲(chǔ)并處理，計(jì)算出移動(dòng)終端的坐標(biāo)信息，并在顯示模塊中顯示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 參考站利用北斗接收機(jī)，獲得參考站的坐標(biāo)信息，并將坐標(biāo)信息傳送至移動(dòng)終端； 2) 參考站W(wǎng)恒定的速率1/T發(fā)送超寬帶脈沖信號(hào)，所述脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑傳播到達(dá)移 動(dòng)終端； 3) 移動(dòng)終端接收到參考站發(fā)射的坐標(biāo)信息和脈沖信號(hào)，移動(dòng)終端接收的脈沖信號(hào)即為 接收信號(hào)，接收信號(hào)通過(guò)一個(gè)由L個(gè)采樣濾波器組成的梳狀系統(tǒng)進(jìn)行濾波，然后W較低的采 樣率對(duì)經(jīng)過(guò)多路濾波后的接收信號(hào)進(jìn)行采樣后得到采樣值，由采樣值得到采樣矢量； 4) 移動(dòng)終端用投影矩陣對(duì)接收到的采樣矢量進(jìn)行投影得到測(cè)量矢量； 5) 移動(dòng)終端用ESPR 口算法從測(cè)量矢量中恢復(fù)出時(shí)延； 6) 移動(dòng)終端根據(jù)參考站和移動(dòng)終端的時(shí)延，計(jì)算出移動(dòng)終端和參考站的距離。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其特征在于，還包括步 驟7)和步驟8): 7) 重復(fù)步驟1)-6)至少四次，使至少四個(gè)參考站與移動(dòng)終端進(jìn)行通信，計(jì)算出移動(dòng)終端 和所有參考站的距離； 8) 根據(jù)獲得的移動(dòng)終端和各參考站的距離W及各參考站的坐標(biāo)信息，計(jì)算出移動(dòng)終端 的坐標(biāo)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其特征在于，步驟3) 中， 設(shè)定P(t)為發(fā)射的單個(gè)脈沖信號(hào)波形，由于多徑效應(yīng)的影響，設(shè)定K為由于多徑效應(yīng)產(chǎn) 生的路徑條數(shù)，每一條路徑都有一個(gè)恒定的時(shí)延Tl和增益ai，則單個(gè)脈沖信號(hào)到達(dá)移動(dòng)終端 的接收信號(hào)，表示文參考站估吿的巧莖1 /T貨謀搖窗帶脈沖倍耳.移動(dòng)終端接收到的信號(hào)表示為：(1) 其中：n，T分別表示脈沖序號(hào)和脈沖周期，ai[n]表示第n個(gè)脈沖第i條路徑的增益，p(t- Ti-nT)表示移動(dòng)終端接收到的第n個(gè)脈沖第i條路徑的脈沖波形；接收信號(hào)r(t)的傅里葉變換R( CO )寫為： 根據(jù)A ^^'1-「-換表示為； (2) 根據(jù)連 則専里葉變換表示為： C3) (4) 其中:Ai(ej"T)是序列ai[n]的DTFT變換，P(W)是p(t)的傅里葉變換。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其特征在于，步驟3) 中，采樣為利用L個(gè)平行的采樣通道，在每一條通道中，接收信號(hào)都要先經(jīng)過(guò)一個(gè)沖擊響應(yīng) 為氣-（-〇的濾波器，然后統(tǒng)一按照t = nT進(jìn)行采樣，生成一個(gè)序列bi[n]，序列bi[n]即為采樣 值， 對(duì)于第1路通道，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器，濾波后的信號(hào)si(t)表示為：(5) 根據(jù)傅J g換表示為： (6) 其中：(W)是皆(-句的傅里葉變換； 接下來(lái)，按照t = nT對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)抽樣定理，第1路通道的采樣值bi[n] 表示為是P(?)頻譜的搬移。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其特征在于，L與K滿足 L>2K。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其特征在于，步驟3) 中，所述采樣濾波器為帶通濾波器旬，化（《)工作的頻域帶寬是化，并且滿足設(shè)） (IO) Hi(CO)是hi(t)的傅里葉變換，是hi(t)的共輛并且翻轉(zhuǎn)；接收信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣濾波器并采樣后，對(duì)第1路信號(hào)，公式(8)寫為的搬移； 將公式(10)寫成矩陣形式，即為： B(ej"T) = &(ej"T)W(T)r(ej"T) (11) 其中，列向量B (e^T)即為采樣矢量，列向量B(S^uT)的維度為L(zhǎng)，它的第1個(gè)向量表示為 Bi(e^T);矩陣W (T)的維度為L(zhǎng)XK,該矩陣是一個(gè)范德蒙矩陣，它的第mi個(gè)分量表示成 g/芋列向量r(eJ"T)的維度為K，它的第k個(gè)向量表示為4(八.'>-柳'，矩陣〇(eJ"T)的 維度為L(zhǎng)XL,它的第Im個(gè)元素親示為(12)巫（ej"T)=H(ej"T)P(ej"T) (13) 其中矩陣H(ej"T)的維度為L(zhǎng) X L，它的第Im- >對(duì)角陣P (e^T)的維度為L(zhǎng)XL,它的第m個(gè)對(duì)角元素表示；7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于壓縮采樣的趟冤巧尤線足位萬(wàn)巧，其特祉巧十，步驟4) 中，定義一個(gè)LXL的投影矩陣?-i(e^T)對(duì)采樣矢量投影，得到維度為L(zhǎng)的列向量c(e>^T) c(ej"T) =巫-i(ej"T)B(ej"T) (14) 列向量C (e^T)為測(cè)量矢量，同時(shí)，測(cè)量矢量滿足： c(ej"T) = W(T)r(ej"T) (15) W(T)是關(guān)于O獨(dú)立的，通過(guò)DTFT的線性特征，將公式(15)轉(zhuǎn)化到時(shí)間域中^ 16) C[n]為C(e-- ' MdtM間1現(xiàn)T的測(cè)重但。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法，其特征在于，步驟8) 中，根據(jù)參考站到移動(dòng)終端的多條路徑的時(shí)延，選擇最短的時(shí)延作為延遲時(shí)間，計(jì)算出參考 站和移動(dòng)終端的相間距離，相間距離=延遲時(shí)間*信號(hào)傳播速率。9. 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求8所述基于壓縮采樣的超寬帶無(wú)線定位方法的定位裝置，包括相 連的低噪聲放大器模塊、帶通濾波器模塊、壓縮采樣模塊、FPGA模塊、屏幕顯示模塊。
【文檔編號(hào)】H03M1/54GK105916200SQ201610379540
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】熊海良, 黃涌, 馬丕明, 朱維紅, 許宏吉
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)