CN105699939A - 一种高精度实时定位装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度实时定位装置及其方法，其技术特点是：该装置包括多个单点接收机构成的多边形接收机阵列，各个单点接收机的天线相位中心位于多边形接收机阵列的各顶点和中心点上，各个单点接收机的天线分布在同一平面上，每个单点接收机均包括一个MCU及与MCU相连接的接收机，各个MCU相互之间并联在一起并共同连接到一个处理器模块上。本发明将多个单点接收机按正多边形排列而构成接收机阵列电路，能够直接利用和处理信号源发出的定位信号就能显著提高定位精度，具有设计合理、精度高、成本低廉、使用方便等特点，可以在高精度实时定位导航的普通民用领域大规模应用推广。

Description

一种高精度实时定位装置及其方法

技术领域

本发明属于室内外定位技术领域，尤其是一种高精度实时定位装置及其方法。

背景技术

目前，室内外定位主要包括卫星定位、基站定位、wifi定位、IP定位、RFID/二维码等标签识别定位、蓝牙定位、声波定位、光信号定位以及无线收音，433，533通用对讲无线信号定位等，上述定位方法都是由接收机接收信号源播送的定位信号来计算出接收机的位置。随着定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈,高精度实时定位导航的应用范围越来越广。接收机接收一个或几个已知位置坐标的信号源发来的无线电信号，通过计算接收机到信号源之间的距离来得出接收机的位置坐标。这类定位方式例如有:卫星定位、基站定位、wifi定位、IP定位、RFID/二维码等标签识别定位、蓝牙定位、声波定位、光信号定位以及无线收音，433，533通用对讲无线信号定位等，从技术实现上可以采取一种或多种混合。目前已知的接收机结构所计算出的位置坐标的精度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、定位精度高且使用方便的高精度实时定位装置及其方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种高精度实时定位装置，包括多个单点接收机构成的多边形接收机阵列，各个单点接收机的天线相位中心位于多边形接收机阵列的各顶点和中心点上，各个单点接收机的天线分布在同一平面上，每个单点接收机均包括一个MCU及与MCU相连接的接收机，各个MCU相互之间并联在一起并共同连接到一个处理器模块上。

进一步，所述单点接收机为卫星定位接收机、基站定位接收机、wifi定位接收机、IP定位接收机、RFID/二维码标签识别定位接收机、蓝牙定位接收机、声波定位接收机、光信号定位接收机、无线收音接收机或433/533通用对讲无线信号定位接收机。

进一步，所述多边形接收机阵列为等边三角形正方形接收机阵列、等边五边形接收机阵列或等边六边形接收机阵列。

一种高精度实时定位装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤1、各个单点接收机将各自的ID及观测值坐标发给处理器模块；

步骤2、处理器模块根据各个单点接收机的ID、各个单点接收机的观测值、多边形接收机阵列的物理几何参数计算出如下两个几何图形：一个是各个顶点接收机的坐标观测值所围成的几何图形；另一个是以位于中心点的接收机的坐标观测值为中心点，以顶点接收机的物理线路所围成的几何图形；

步骤3、如果两个正多边形有重合区域，则使用从位于中心点的接收机得到的观测值与利用各个顶点的接收机所得到的坐标观测值计算出多边形中心点的坐标进行差分计算，得到两个坐标之间的中点的坐标，该坐标即为天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息；

步骤4：如果两个正多边形没有重合区域，则利用修正值对定位坐标进行修正，得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。

进一步，所述修正值是通过对外部参数进行试验获得。

进一步，所述修正值的长度小于物理接收机天线阵列的半径。

进一步，所述利用修正值对定位坐标进行修正的方法为：利用顶点的单点接收机所得到的坐标观测值计算出多边形中心点的坐标减去修正值，从而得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将多个单点接收机按正多边形排列而构成接收机阵列电路，能够直接利用和处理信号源发出的定位信号就能显著提高定位精度，高定位精度的工作范围可以扩大其应用范围。

2、本发明不需要在现有系统上增加新的辅助系统及设备，避免了系统建设费用和使用成本，也免去了繁琐的专业技术操作，同时也使得其工作范围没有任何局限。

3、本发明与普通的单点接收机相比，虽然增加了部分元器件数量，但这些器件均为低成本元件，但却将定位精度却大幅度提高，显著提高了用户接收机的性价比。

4、本发明设计合理，具有精度高、建设及维护成本低廉、性价比高且使用方便等特点，可以在高精度实时定位导航的普通民用领域大规模应用推广。

附图说明

图1是本发明的正方形接收机天线阵列几何分布图；

图2是正方形接收机阵列的电路方框图；

图3是本发明的正方形接收机阵列工作原理图(两个正方形有重叠情况)；

图4是本发明的正方形接收机阵列工作原理图(两个正方形无重叠情况)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种高精度实时定位装置，是利用一个由多个单点接收机按一定几何形状排列而构成的接收机阵列电路来实现定位精度的提高，接收机阵列可以是正方形、五边形、六边形或其他多边形几何位置分布，各个单点接收机的天线相位中心位于多边形各顶点和中心点，各个接收机天线设在同一平面上。本发明涉及的单点接收机可以是卫星定位接收机、基站定位接收机、wifi定位接收机、IP定位接收机、RFID/二维码标签识别定位接收机、蓝牙定位接收机、声波定位接收机、光信号定位接收机、无线收音接收机、433/533通用对讲无线信号定位接收机等。

下面以图1所示的正方形接收机阵列构成的高精度实时定位装置为例进行说明。以正方形接收机阵列构成的高精度实时定位装置包括五个单点接收机组成一个正方形阵列的总体接收机电路，其中四个单点接收机各自的天线几何相位中心位于正方形四个顶点A、B、C、D，另一个中心单点接收机天线几何相位中心位于中心点E。各个接收机天线布在同一平面上。

图2给出了高精度实时定位装置的电路方框图。每个单点接收机均包括一个MCU及与MCU相连接的接收机，五个单点接收机相互之间并联在一起，并共同连接到一个处理器模块中。A、B、C、D、E每个单点接收机，通过信号强度分析使五个接收机锁定相同的信号源发射机。以每秒N帧的数据来接收定位信号的原始数据进行单独处理解算出每个单点接收机的天线相位几何中心坐标。每个接收机都对应一个MCU来处理接收到的数据，五个MCU生成五个接收机的ID。五个MCU相互之间是并联的，这样使五个接收机保持数据同步，并将每个接收机的ID数据发送给处理器模块。处理器模块的第一个作用是控制五个接收机和MCU保持数据同步，第二个作用是将从MCU收到的数据进行解析，进行综合处理完成计算，解算并输出最终的定位坐标。

等边三角形、等边五边形、等边六边形或其他等边多边形阵列构成的高精度实时定位装置与正方形阵列构成的高精度实时定位装置类似，在此不再重复说明。

本发明的高精度实时定位装置的工作原理：

由于单点接收机的定位精度受到各种误差的影响，有信号发射源内部产生的误差、主传播延迟导致的误差、由接收机内部噪声、通道延迟、多路径效应等原因造成的误差，因此，本发明利用一个由多个单点定位接收机按一定几何形状排列而构成的接收机阵列电路来实现定位精度的提高。由于各个单点接收机的天线相位中心位于多边形各顶点和中心点，位于各个接收机天线相位中心之间的相对位置的矢量(距离和方向)也就固定下来，并且是已知的参数。另一方面，各个接收机可得到的定位坐标观测量，由于存在前述误差，各个接收机天线相位中心的观测值与实际坐标之间存在偏差。各个接收机天线相位中心的观测值之间的相对位置的矢量，与前述已知的各个接收机天线相位中心之间的相对位置的矢量对比，就可以提取出由于前述各种误差而引起的偏差矢量。这时，可以由接收机阵列天线的总体相位中心的观测值减去偏差矢量，从而得到接收机阵列总体电路的观测出的坐标。由于已经能够消除了偏差，这个坐标就更接近于真实的坐标。

本发明为了实现最好的应用效果，应满足如下要求：

第一，尽量提高各个单点接收机的单点定位精度。

第二，接收机天线阵列应为等边多边形，如等边三角形、正方形、五边形或六边形。各个接收机天线相位中心位于各个顶点和中心点。

第三，各个接收机的时钟保持同步，利用接收机独立MCU进行时钟同步。

第四，各个接收机接收的信号源相同。以每秒N帧的数据来接收定位信号的原始数据进行单独处理。

基于上述高精度实时定位装置，以正方形接收机阵列为例，本发明的高精度实时定位方法包括以下步骤：

步骤1、各个单点接收机将各自的ID及观测值坐标发给处理器模块。

步骤2、处理器模块根据各个接收机的ID、顶角接收机的观测值、中心接收机观测值坐标、正方形阵列的物理几何参数计算出两个正方形图形：一个是由四个顶点的接收机所得到的坐标观测值所围成的正方形ABCD，其对角线交点坐标为E，另一个是以物理电路中位于中心点的接收机的观测值E’为中心点和接收机天线正方形阵列物理长度所画出的正方形A’B’C’D’。

步骤3：如果ABCD和A’B’C’D’有重合的面积(如图3所示)，则用从位于对角线交点的接收机得到的观测值E’与利用四个顶点的接收机所得到的坐标观测值计算出正方形对角线交点的坐标E进行差分计算，即计算出这俩个坐标的之间的中点的坐标，即得到天线阵列几何中心点的高精度的坐标信息。

步骤4：如果ABCD和A’B’C’D’没有重合的面积(如图4所示)，则表明偏差较大，此定位精度不够高。在这种条件下，我们可以引入修正值来提高精度。

由于外部条件均会对定位精度有影响，因此，我们可以通过测试试验而获得在不同的外部参数条件下的最佳修正值，形成修正值函数数据库，修正值包括：信号发射源内部产生的误差、主传播延迟导致的误差、由接收机内部噪声、通道延迟、多路径效应等原因造成的误差等。这个修正值的长度应小于物理接收机天线阵列的半径。在实际工作中，接收机会根据不同的外部条件参数来从此数据库中调取最佳的修正值。利用四个顶点的接收机所得到的坐标观测值计算出正方形对角线交点的坐标E减去修正值即得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。

等边三角形、等边五边形、等边六边形或其他等边多边形阵列构成的高精度实时定位方法与正方形阵列构成的高精度实时定位方法类似，在此不再重复说明。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，如其他几何形状的接收机阵列等，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种高精度实时定位装置，其特征在于：包括多个单点接收机构成的多边形接收机阵列，各个单点接收机的天线相位中心位于多边形接收机阵列的各顶点和中心点上，各个单点接收机的天线分布在同一平面上，每个单点接收机均包括一个MCU及与MCU相连接的接收机，各个MCU相互之间并联在一起并共同连接到一个处理器模块上。

2.根据权利要求1所述的一种高精度实时定位装置，其特征在于：所述单点接收机为卫星定位接收机、基站定位接收机、wifi定位接收机、IP定位接收机、RFID/二维码标签识别定位接收机、蓝牙定位接收机、声波定位接收机、光信号定位接收机、无线收音接收机或433/533通用对讲无线信号定位接收机。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度实时定位装置，其特征在于：所述多边形接收机阵列为等边三角形、正方形接收机阵列、等边五边形接收机阵列或等边六边形接收机阵列。

4.一种如权利要求1至3任一项所述的一种高精度实时定位装置的定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、各个单点接收机将各自的ID及观测值坐标发给处理器模块；

步骤2、处理器模块根据各个单点卫星定位接收机的ID、各个单点卫星定位接收机的观测值、多边形接收机阵列的物理几何参数计算出如下两个几何图形：一个是各个顶点接收机的坐标观测值所围成的几何图形；另一个是以位于中心点的接收机的坐标观测值为中心点，以顶点接收机的物理线路所围成的几何图形；

步骤3、如果两个正多边形有重合区域，则使用从位于中心点的接收机得到的观测值与利用各个顶点的接收机所得到的坐标观测值计算出多边形中心点的坐标进行差分计算，得到两个坐标之间的中点的坐标，该坐标即为天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息；

步骤4：如果两个正多边形没有重合区域，则利用修正值对定位坐标进行修正，得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。

5.根据权利要求4所述的一种高精度实时定位装置的定位方法，其特征在于：所述修正值是通过对外部参数进行试验获得。

6.根据权利要求4所述的一种高精度实时定位装置的定位方法，其特征在于：所述修正值的长度小于物理接收机天线阵列的半径。

7.根据权利要求4所述的一种高精度实时定位装置的定位方法，其特征在于：所述利用修正值对定位坐标进行修正的方法为：利用顶点的单点接收机所得到的坐标观测值计算出多边形中心点的坐标减去修正值，从而得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。