文摘

本文表明,方位角测量的准确性干涉定位系统用于定位标签的视线(LoS)可以提高利用脉冲Radio-Ultra宽带(IR-UWB)信号和不增加频率带宽。这个解决方案使用相关联(PC)法,最初申请连续波(CW)信号,用于超宽带(UWB)脉冲信号。结果由传统能源相比计算检测(ED)方法就无法估计方位角度对标签位置接近的正交轴为中心的定位系统基线。

1。介绍

近年来,室内定位获得了利益由于它在许多领域可以提供广泛的服务和应用程序。许多定位技术可以用在室内定位系统根据预定的精度,精确,成本等。全球导航卫星系统(GNSS)是不够准确的提供特定的服务。互补系统已经开发,以确保可靠性和准确性,即使在困难的条件下(多路径,阴影,…)。一个解决方案是使用时间IR-UWB传播信号利用宽的频率带宽,自然增加的准确性。

不同的方法对超宽频的ToA估计在文献中得到解决。在[1),两个不同位置的性能评估方法基于ToA估计一组超宽频信号的接收器/传感器研究。第一个是基于直接计算方法给出了确切的范围(距离)之间的一个标签和一个传感器。第二个研究经典非线性优化技术,更精确地Davidon-Fletcher-Powell拟牛顿算法。最优位置估计通过最小化所有传感器的二次错误的总和。在[2),距离估计的问题,在密集多径环境中研究应用的技术,依赖于分析功率延迟收到超宽频信号的概要文件和非平稳过程的分割理论。在[3),一个算法匹配滤波和峰值搜索技术相结合提出了精确确定ToA接收的信号。

上面提到的算法大多基于ToA估计最强的路径。然而,由于最强的路径不一定是第一个到达路径在密集多路通道,他们ToA精度是有限的。同样,在一些算法,接收到的脉冲形状的先验知识还增加了限制的ToA估计。因此,改变不同的多路径组件的形状,它更难以完全适应接收到的脉冲波形。

由于这些限制,提出了一些解决办法。在第一个,检测是简化的同时发送两个脉冲,这样变形影响他们将是相同的。例如,两步ToA估计基于时间延迟采样和相关法Transmitted-Reference超宽频(TR-UWB)信号提出了4]。另一种解决方案是基于能量检测,某些模拟前端处理后收集能量。在[5),三种方法的性能分析基于ToA估计技术使用sub-Nyquist IR-UWB系统采样率。这些计划,即Stored-Reference (SR) Transmitted-Reference (TR)和能源检测(ED),用于收集接收信号的能量。在[6),两步策略基于SR和ED应用于估计ToA,使用信号对应于IEEE 802.15.4a标准。第一步在于找到一块具有最高能量。第二步是找到芯片第一信号路径所在,通过关联模板信号的接收信号与一个移位。在[7超宽频系统),各种ToA估计算法进行了分析。这些算法使用一个低采样率和三ED方法的变体,即最大能量选择(MES),阈值比较(TC)和最大的能源选择Search-Back (MES-SB)。

这些算法不需要精确的同步或脉冲形状,而是需要一个强烈的信号检测器的输入。这个需求是至关重要的因为ToA估计是视为一个检测信号的前沿问题,可错误当噪声功率比信号功率高。

因此,即使理论上是可以得到非常准确的范围,上述算法的实际限制防止定位系统实现所需的高分辨率。同时,所需的精度之间的权衡,分辨率,和复杂性时,必须考虑开发一种ToA估计算法。为此,我们在本文中提出一个可选择的解决方案基于相位相关法的低复杂度适应IR-UWB信号,提高了精度和分辨率的方位角测量干涉仪的定位系统。干涉方法的主要优势是,一个人/对象的位置在一个房间里没有障碍可以只使用一个固定的锚,而不是一个著名的星座。

2。定位系统设计

二维定位系统,如图1,包括两个主要部分:定位基站(磅)和一个IR-UWB Tx-Chain本地化。

2.1。Tx-Chain架构

的IR-UWB Tx-Chain架构如图2。

一个正方形信号发生器驱动脉冲发生器。为了优化有用的能量脉冲的带宽 ,超宽频脉冲过滤了带通滤波器(3 - 7 GHz)和下一个放大的放大器。

获得的脉冲与脉冲发生器的输出,与持续时间等于2 ns,在天线的输入 ,与持续时间 ,如数据所示3(一个)和3 (b),分别。长于 ,这是由于扭曲的群延迟主要由带通滤波器和放大器。

2.2。Rx-Chain架构

磅架构由两个射频接收器链(Rx-Chain),每个连接到自己的天线,和 ,分别。这两个天线放置在同一轴形成基线( )。这两个Rx-Chains是一样的,如图4。

接收到的信号来自IR-UWB Tx-Chain两个Rx-Chain天线(和 )磅。接收到的信号是由宽带放大器放大,然后由一个带通滤波器过滤(3 - 7 GHz)。采集系统是一个安捷伦(Keysight)英美索9254同时获得两个带通滤波器的输出信号。

3所示。方位角计算和局限性

分离的两个接收天线和通过创建一个路径差异(Path-dif)之间的两个独立的输入信号(信号1和信号2),进而给出了时差 。

另一方面,对于信号1和2是两个面波信号,这两个平行的信号之间的Path-dif角与基线的基线长度(AC)直角三角形ABC。这种假设是只适用于平面波如果并行条件之间的距离和是满意的。因此,为了满足这个条件,我们假设和相比足够大吗(8]。

的方位角测量计算如下(9]: 在哪里和是信号的飞行时间结束了吗和和是光速。

脉冲信号用于超宽频雷达应用程序通常涵盖了3 - 5 GHz带宽,调用 ,下部的超宽频光谱(10]。在一般情况下,最小的Path-dif系统可以检测= 。在我们的例子中,2 GHz的频率带宽,Path-dif 15厘米和时差 是0.5 ns。因此,使用一个 ,就不可能估计方位角在一系列(60°-120°)由于Path-dif小于15厘米。

提高方位角测量的准确性不增加频率带宽,提出了许多解决方案,如11)利用连续波信号的相位差。与一个 和连续波信号在2.45 GHz,方位角的不确定性范围= + / 2°。这些解决方案的主要缺点是准确性的影响多路径通道环境甚至在洛杉矶的情况。

改善这种准确性的一个可选择的解决方案是利用生成的超宽频脉冲信号的失真磅(Tx-Chain和/或Rx-Chains)和天线而不是依靠连续波信号。该方法将在下一节详细。

4所示。Path-dif /方位角估计精度提高

完整的设置,如图5,由一个射频发射机链与圆极化天线和两个射频接收器链连接到两个超宽频天线角和 。之间的距离和用 。

提高分辨率之间的路径差异测量信号1和信号2、天线31个不同位置吗与 ,如图6。在初始位置 ,天线是放在一个正交轴为1.5 m的中心 ,这等于29厘米。的选择等于29厘米之间的权衡是由可用的设备,接收天线的大小和 ,和最小值,以确保理论方位角测量步比1°。验证用电脑的方法获得的角分辨率改善,可以占据多个位置在一条直线平行于基线,通过改变初始位置的两边各2厘米吗范围内(-30厘米;30厘米)。之间的距离和(职责。 )来标示(职责。 )。路径的区别这两个接收信号,信号1和信号2,表示 表达的区别是他们的到达时间吗和在天线和 ,分别。对于这个配置,最大实际路径差异对应的位置和= 5.7厘米。

在图7初始位置,记录信号提出了。

这两个信号以同样的方式扭曲Tx和Rx组件和天线。这些脉冲的信号和 ,分别在端口1和端口2,可以被描述为一个正弦载波调制高斯脉冲(12] 在哪里是信号幅度,是信号载波频率, Path-dif的延迟,扭曲的脉冲持续时间。

方位角接近90°,Path-dif度量太小了。此外,接收到的脉冲的持续时间比时间更长的时间差异( )当路径的区别是很小的(如图8)。

两个接收信号之间的路径差异是通过相应的时差估计的 ,通过关联这两个信号在两个接收链。

通过应用互相关函数两个接收信号和 ,我们获得

持续时间分析窗口等于初始脉冲宽度(图3(一个)),下面2 ns。

小和路径不同 , ,系数和可以写成

所以,互相关函数就变成了 这被认为是直接相关联(PC)法与方位角有关吗通过 根据方程(3)。

5。实验结果

作为概念证明,我们为每个位置比较方位角的结果决定了传统的教育方法(13)个人电脑方法中描述的配置图5。ED的方法首先分区接收到的信号,在时间,通过块。接下来,估计接收信号的ToA,块携带的最大能量是搜索。因此,用这种方法,该决议由大小的块,等于1 ns,最小尺寸是固定的最低能量能够被检测到。

因此,最小的路径不同,ED方法可以检测30厘米。因此,它不能检测路径的差异在5.7厘米的顺序对应于最大Path-dif通过这个配置(在和 )。另一方面,PC的最小路径不同方法可以检测是由采样频率决定的,因此,它能够检测到1.5厘米的路径不同 和0.2厘米 。这是直接反映在方位角估计自相关路径差异和方位角根据方程(2)。注意, 只用于显示方法的理论极限(理想情况下)。

在图9,我们现在的方位角与不同的位置为等于160 GHz 20 GHz (a)和(b)。实际的角是ED和PC相比估计方法。我们表明,它是不可能确定方位角简称Path-dif ED方法,因为有效的频率带宽减少了由于脉冲的时间扭曲。

这成为可能使用的PC方法错误是由采样频率 。例如,误差小于1° (过采样模式)和达到2° 。

6。结论

在这篇文章中,我们已经表明,方位角的测量精度由二维干涉室内定位系统是强烈的改善。通过共同开发一个IR-UWB信号,这个信号的扭曲,和一个相位相关法,1°的改善达到一个错误不增加角度产生的频率带宽甚至Path-dif很小。这种方法可以扩展到通过添加第二个测量仰角Rx-Chain架构在正交轴上第一个。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了矿山电信研究所(“将来时等破裂”格兰特)。