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1、10申请公布号CN104219761A43申请公布日20141217CN104219761A21申请号201410525514922申请日20141009H04W64/0020090171申请人中国石油大学（华东）地址266580山东省青岛市青岛经济技术开发区长江西路66号申请人北京中斗科技股份有限公司72发明人崔学荣李娟李忠伟张浩吴春雷刘建航叶兴根54发明名称一种基于最大斜率的超宽带无线定位方法57摘要本发明属于无线定位技术领域，具体是一种基于最大斜率的超宽带无线定位方法。主要分为四个步骤A采集积分能量块、计算得到最大斜率，并建立最大斜率、TOA估计误差、归一化门限三个参数的指纹数据库；B对。
2、指纹数据库进行曲线拟合，建立对应于最小TOA估计误差的最大斜率与归一化门限的对应关系F；C根据采集的实时信号的最大斜率，利用对应关系F，计算得到最佳归一化门限，根据此门限得到TOA估计值；D根据TOA估计值，再利用传统的UWB定位算法，进行基于UWB的无线定位。本发明首次将最大斜率用于UWB定位，具有定位精度高、稳定性好的优点，可用于物联网、无线传感网等应用中的高精度无线定位。51INTCL权利要求书2页说明书4页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书4页附图3页10申请公布号CN104219761ACN104219761A1/2页21一种基于最大斜率的超。
3、宽带无线定位方法其特征在于A建立指纹数据库通过采集积分能量块的信息，建立最大斜率K、TOA估计误差E、归一化门限THRESHOLD三个参数的指纹数据库，方法为对于给定范围的信噪比ENRMIN,ENRMAX按照STEPENR的步长，循环测试TIMESMAX次，每次循环时均需要根据从THRESHOLDMIN到THRESHOLDMAX，步长为STEPTHRESHOLD的多个不同的门限，分别判断其TOA估计误差；其中最大斜率定义为假设所有能量块被分为NBMB1组，其中NB为所有能量块的总个数，MB为每个分组里的能量块的个数；每组斜率的计算使用的是基于最小二乘法的直线拟合LINET，所以最大斜率K可以表。
4、示为建立指纹数据库具体包括以下主要步骤1UWB信号的产生、发送和接收按照当前设定的ENR完成信号的发送和接收，整个建立指纹数据库的过程需要执行TIMESMAXENRMAXENRMIN/STEPENR次；2计算每个能量块的大小主要包括一个低噪声放大器LNA、平方器2、积分器和判决器；接收信号R经过低通滤波放大器后，信号再通过平方器，然后进行积分，积分步长为TB；积分器的第N个输出ZN即为第N个能量块的能量大小；3统计所有能量块的最大斜率K；4找出第一个超过THRESHOLD的能量块对应的中间时刻，即为TOA估计时间；5计算TOA估计误差E；6将最大斜率K、归一化门限THRESHOLD和TOA估计。
5、误差E三个参数保存到指纹数据库中；B曲线拟合对指纹数据库进行曲线拟合，建立对应于最小TOA估计误差EKMIN的不同最大斜率K与归一化门限THRESHOLDKMIN的对应关系F，即THRESHOLDKMINFKMIN，具体包括以下主要步骤1统计所有相同最大斜率K在不同阈值THRESHOLD下的误差的平均值EK；2统计不同K的误差最小值EKMIN所对应的阈值THRESHOLDKMIN；3将K和阈值THRESHOLDKMIN进行曲线拟合，得到二者对应关系F；CTOA估计在第I次定位时，根据采集的实时信号的最大斜率KI，利用对应关系FKI，计算得到最佳归一化门限THRESHOLDI，根据此门限再搜索能。
6、量块，并定位到第一个超过门限的能量块所对应的中间时刻，该时刻即为TOA估计值TI，当在进行第I次定位时具体包括以下主要步骤1接收UWB信号；2计算每个能量块的大小；3统计所有能量块的最大斜率KI；4将KI代入拟合的曲线F中得到门限值THRESHOLDI；5根据门限值THRESHOLDI找出第一个超过THRESHOLDI的能量块对应的中间时刻，即为TOA估计时间TI；DUWB无线定位根据TOA估计值TI，再利用传统的UWB定位算法，进行基于UWB的无权利要求书CN104219761A2/2页3线定位。权利要求书CN104219761A1/4页4一种基于最大斜率的超宽带无线定位方法技术领域0001。
7、本发明属于无线定位技术领域，可用于物联网、无线传感网等应用中的高精度无线定位，具体是一种基于最大斜率的超宽带无线定位方法。背景技术0002超宽频带无线通信技术是一种不用载波，采用小于纳秒时长的不连续脉冲进行通信的一种无线通信技术。由于UWB使用小于纳秒时长的超短脉冲进行通信，其信号功率被扩散在从0到数十GHZ的超宽频带范围内，这种独特的通信机制使其与目前频域通信技术相比具有对信道衰落不敏感、发射功率低、与其它无线系统可以共存、多径分辨能力强、抗干扰能力强、系统复杂度低、穿透能力强等优点，因而在全球范围内受到广泛关注，在精确测距和定位、短距离高速通信100MBPS1GBPS、雷达探测、防侦听抗干。
8、扰保密通信等多个军用和民用领域均有广泛的应用前景。0003目前较常用的定位技术大都是基于测距进行的,这是因为,非基于距离的定位技术一般定位精度较差,且需要大量基站位置已知的终端的配合。最常用的定位方法有基于接收信号到达时间估计的TOATIMEOFARRIVAL和TDOATIMEDIFFERENCEOFARRIVAL、基于接收信号强度估计的RSSRECEIVEDSIGNALSTRENGTH和基于到达角度估计的AOAANGLEOFARRIVAL。UWB脉冲由于具有极高的带宽,持续时间达到NS级,因而具有很强的时间分辨能力。所以为了充分利用UWB时间分辨能力强这个特性,使用TOA、TDOA估计的定位。
9、技术是最适合于UWB的。0004无线测距定位可以分为几何定位算法和指纹定位算法，前者适合用于信道环境好的情况下，例如视距、极少反射等；后者可以用在多径、非直视等恶劣的信道环境下。0005本专利提出使用最大斜率的算法，可以实现多径、非直视等恶劣的信道环境下的超宽带无线定位。发明内容0006本发明的目的是提供一种基于最大斜率的高精度的信号指纹超宽带无线定位方法，以克服现有信号指纹超宽带无线定位精度不高的问题。特别是在恶劣环境下通过提高TOA估计精度从而提高指纹定位的精度。0007一种基于最大斜率的超宽带无线定位方法主要包括以下四个步骤0008A建立指纹数据库通过采集积分能量块的信息，建立最大斜率K。
10、、TOA估计误差E、归一化门限THRESHOLD三个参数的指纹数据库，方法为对于给定范围的信噪比ENRMIN,ENRMAX按照STEPENR的步长，循环测试TIMESMAX次，每次循环时均需要根据从THRESHOLDMIN到THRESHOLDMAX，步长为STEPTHRESHOLD的多个不同的门限，分别判断其TOA估计误差，其中最大斜率定义为0009假设所有能量块被分为NBMB1组，其中NB为所有能量块的总个数，MB为每个分组里的能量块的个数；每组斜率的计算使用的是基于最小二乘法的直线拟合LINET，所以最说明书CN104219761A2/4页5大的斜率K可以表示为00100011建立指纹数据。
11、库具体包括以下主要步骤00121UWB信号的产生、发送和接收按照当前设定的ENR完成信号的发送和接收，整个建立指纹数据库的过程需要执行TIMESMAXENRMAXENRMIN/STEPENR次；00132计算每个能量块的大小主要包括一个低噪声放大器LNA、平方器2、积分器和判决器；接收信号R经过低通滤波放大器后，信号再通过平方器，然后进行积分，积分步长为TB；积分器的第N个输出ZN即为第N个能量块的能量大小；00143统计所有能量块的最大斜率K；00154找出第一个超过THRESHOLD的能量块对应的中间时刻，即为TOA估计时间；00165计算TOA估计误差E；00176将最大斜率K、归一化门。
12、限THRESHOLD和TOA估计误差E三个参数保存到指纹数据库中；0018B曲线拟合对指纹数据库进行曲线拟合，建立对应于最小TOA估计误差EKMIN的不同最大斜率K与归一化门限THRESHOLDKMIN的对应关系F，即THRESHOLDKMINFKMIN，具体包括以下主要步骤00191统计所有相同最大斜率K在不同阈值THRESHOLD下的误差的平均值EK；00202统计不同K的误差最小值EKMIN所对应的阈值THRESHOLDKMIN；00213将K和阈值THRESHOLDKMIN进行曲线拟合，得到二者对应关系F；0022CTOA估计在第I次定位时，根据采集的实时信号的最大斜率KI，利用对应关。
13、系FKI，计算得到最佳归一化门限THRESHOLDI，根据此门限再搜索能量块，并定位到第一个超过门限的能量块所对应的中间时刻，该时刻即为TOA估计值TI，当在进行第I次定位时具体包括以下主要步骤00231接收UWB信号；00242计算每个能量块的大小；00253统计所有能量块的最大斜率KI；00264将KI代入拟合的曲线F中得到门限值THRESHOLDI；00275根据门限值THRESHOLDI找出第一个超过THRESHOLDI的能量块对应的中间时刻，即为TOA估计时间TI；0028DUWB无线定位根据TOA估计值TI，再利用传统的UWB定位算法，进行基于UWB的无线定位。0029本发明对比已。
14、有技术具有以下显著优点00301显著提高了TOA估计的精度，从而可以提高基于UWB定位系统的定位精度。00312无论在低信噪比环境下还是高信噪比环境下，TOA估计精度均优于常用的其他的方法，从而可以提高基于UWB定位系统的定位稳定性。附图说明0032图1是本发明的总体流程图。说明书CN104219761A3/4页60033图2是建立指纹数据库的流程图。0034图3是基于能量检测接收的原理图。0035图4是计算最大斜率的原理图。0036图5是曲线拟合的流程图。0037图6是TOA估计的流程图。具体实施方式0038下面结合附图说明本发明的实施方式。0039图1是本发明的基于最大斜率的超宽带无线定位。
15、方法的总体流程图，本定位方法分为四个阶段，具体包括0040A建立指纹数据库通过采集积分能量块的信息，建立最大斜率K、TOA估计误差E、归一化门限THRESHOLD三个参数的指纹数据库；0041B曲线拟合对指纹数据库进行曲线拟合，建立对应于最小TOA估计误差EKMIN的最大斜率K与归一化门限THRESHOLDKMIN的对应关系F，即THRESHOLDKMINFKMIN；0042CTOA估计在第I次定位时，根据采集的实时信号的最大斜率KI，利用对应关系FKI，计算得到最佳归一化门限THRESHOLDI，根据此门限再搜索能量块，并定位到第一个超过门限的能量块所对应的中间时刻，该时刻即为TOA估计值T。
16、I；0043DUWB无线定位根据TOA估计值TI，再利用传统的UWB定位算法，进行基于UWB的无线定位。0044如图2所示，在上述步骤A中需要对于给定范围的信噪比ENRMIN,ENRMAX按照STEPENR的步长，循环测试TIMESMAX次，每次循环时均需要根据从THRESHOLDMIN到THRESHOLDMAX，步长为STEPTHRESHOLD的多个不同的门限，分别判断其TOA估计误差，具体包括以下主要步骤00451UWB信号的产生、发送和接收按照当前设定的ENR完成信号的发送和接收，整个建立指纹数据库的过程需要执行TIMESMAXENRMAXENRMIN/STEPENR次；00462计算每。
17、个能量块的大小接收到步骤1发送的信号后，按照积分步长TB计算每个能量块的大小；用图3所示的原理图，主要包括一个低噪声放大器LNA、平方器2、积分器和判决器；接收信号R经过低通滤波放大器后，信号再通过平方器，然后进行积分，积分步长为TB；积分器的第N个输出ZN可以表示为00470048其中N1,2,NB，表示相对于积分周期起始点的能量块的序号，NB为能量块的个数，NS为每个符号中的脉冲个数，CJ为跳时码中第J个整数，TF为帧长度；00493统计所有能量块最大斜率K0050最大斜率K所有能量块被分为NBMB1组，每组里有MB个能量块；每组斜率的计算使用的是基于最小二乘法的直线拟合，所以最大的斜率K。
18、可以表示为0051说明书CN104219761A4/4页70052最大斜率原理图如图4所示，显示的是当每组里有4个能量块，即MB4的8个能量块的最大斜率，所以共有8415条相应的拟合的直线；00534找出第一个超过THRESHOLD的能量块对应的中间时刻，即为TOA估计时间，对于每次发送的UWB信号，该步骤需要执行THRESHOLDMAXTHRESHOLDMIN/STEPTHRESHOLD次；00545计算TOA估计误差E，TOA估计时间真实时间，即为TOA估计误差E；00556将最大斜率K、归一化门限THRESHOLD和TOA估计误差E三个参数保存到指纹数据库中。0056如图5所示，在上述步。
19、骤B中需要在已经建立好的指纹数据库中执行如下的步骤00571统计所有相同最大斜率K在不同阈值THRESHOLD下的误差的平均值EK；00582统计不同K的误差最小值EKMIN所对应的阈值THRESHOLDKMIN；00593将K和阈值THRESHOLDKMIN进行曲线拟合，得到二者对应关系F。0060如图6所示，在上述步骤C中当在进行第I次定位时需执行如下的步骤00611接收UWB信号；00622计算每个能量块的大小；00633统计最大斜率KI；00644将KI代入拟合的曲线F中得到门限值THRESHOLDI；00655根据门限值THRESHOLDI找出第一个超过THRESHOLDI的能量块对应的中间时刻，即为TOA估计时间TI。说明书CN104219761A1/3页8图1图2说明书附图CN104219761A2/3页9图3图4图5说明书附图CN104219761A3/3页10图6说明书附图CN104219761A10。