CN106054166B - 一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统，包括定位参考点、定位目标设备和中心控制模块，所述定位参考点设置有唯一的ID号，所述定位目标设备上设置有M个天线和M个通讯模块，M≥4，所述M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布，每个天线分别连接了各自的通讯模块，所述通讯模块连接了中心控制模块，所述中心控制模块还连接了角度获取模块，所述角度获取模块获取定位目标设备正前方与正北方向的夹角N，所述定位参考点有L个，L≥2，其中至少两个定位参考点与定位目标设备的夹角既不相等也不互补。

Description

一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统和方法

技术领域

本发明涉及目标定位领域，具体涉及一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统和方法。

背景技术

近年来，随着经济的发展和社会的进步，人们对定位信息的需求与日俱增，尤其是在复杂的室内环境，如办公大楼、私人会所、仓库、医院、地下停车场、图书馆等场所，常常需要确定不同人员的具体位置。现有的室内定位技术有超声波定位技术、室内GPS 定位技术、Wifi 定位技术、蓝牙定位技术和基于zigbee的定位技术。

目前基于zigbee的定位技术，基本都是根据zigbee定位目标点与预先布置好的位置已知的定位参考点的信号强度来确定的。两者离得越近，信号强度越大。哪个定位参考点与zigbee目标定位点之间的信号强度最大，则表示zigbee目标定位点离该参考点最近，主要包括以下两种方案：

一、预先布置好多个位置已知的定位参考点，定位参考点发送广播查询包给zigbee定位目标点，zigbee定位目标点收到后选择信号最强的定位参考点A进行回复。定位参考点A收到定位目标点发送来的应答消息后，发送定位信息给汇聚节点，这样便确定定位目标点离定位参考点A最近。该方案存在以下缺点：

1、定位精度差，只能定位到某点周围的区域，至于目标点离该点的距离是多少、处于该点的什么方位这些数据都不能测量出来。

2、需要汇聚节点组建和管理无线传感器网，而一旦汇聚节点故障，整个网络将瘫痪；

3、只有汇聚节点处才知道目标点所处的位置信息，定位目标点不知道自己所处的位置信息。

二、预先布置好多个位置已知的定位参考点，zigbee定位目标点不断发送其编号给附近的定位参考点，网络协调器汇集zigbee定位目标点发送来的信息，并将信息上送给监控中心，监控中心选择信号能量最强的3个定位参考点传递来的信息，按照无线信号的室内通用传播模型计算zigbee定位目标点距离定位参考点的距离d1、d2、d3，分别以三个定位参考点为圆心，以d1、d2、d3为半径画圆，三个圆交点位置即为ZigBee定位目标点的位置。此种方案存在以下缺点：

1、也需要汇聚节点组建和管理无线传感器网，而若汇聚节点故障，整个网络将瘫痪。

2、只有监控中心才知道定位目标点的位置。

3、布置的定位参考点需要长期处于工作状态，耗电量大，供电处理麻烦。

4、根据信号强度算距离，受到发送信号功率、传输路径的干扰比较大，定位结果误差较大。

5、需要求解2元2次方程，计算量大。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种基于zigbee阵列天线实现移动目标定位的系统，采用的技术方案如下：

一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统，包括定位参考点、定位目标设备和中心控制模块，所述定位参考点设置有唯一的ID号，所述定位目标设备上设置有M个天线和M个通讯模块，M≥4，所述M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布，每个天线分别连接了各自的通讯模块，所述通讯模块连接了中心控制模块，所述中心控制模块还连接了角度获取模块，所述角度获取模块获取定位目标设备正前方与正北方向的夹角N，所述定位参考点有L个，L≥2，其中至少两个定位参考点与定位目标设备的夹角既不相等也不互补。

作为优选，所述中心控制模块设置在定位目标设备上。

作为优选，所述M=6，6个天线在同一水平面上间隔60度均匀分布。

作为优选，M=8，8个天线在同一水平面上间隔45度均匀分布。

当M=6或者8时，得出的定位参考点相对于定位目标设备的方向比较接近实际方向，在成本与效果中取得平衡。

作为优选，定位目标设备上的天线为定向天线。

作为优选，所述定位参考点包括互相连接的通讯模块和天线。

作为优选，所述通讯模块为Zigbee模块或蓝牙模块或wifi模块。

本发明的工作步骤如下：

定位参考点定时发送信息，所发送的信息包含自身的ID号、电池电压等信息；

通讯模块一旦接收到定位参考点的信息，则发送给中心控制模块，所发送的信息包含定位参考点的ID号、电池电压及定位参考点的信号强度；

中心控制模块接收代表不同信号接收方向的通讯模块传来的信息，按照ID号筛选出同个定位参考点在不同接收方向上的信号强度值，并把信号强度值按照矢量方式进行求和运算，计算结果的矢量方向则代表该定位参考点相对于定位目标设备的方向；

对同一ID号的定位参考点发送的信息，把相邻3个通讯模块接收到的信号强度值求和，并筛选出其中的最大值，记为Esum；

通过上述步骤可以获取到各个定位参考点相对zigbee定位目标设备正前方的夹角（记为A、B、C、D、E…）及信号强度和（记为EsumA、EsumB、EsumC、EsumD、EsumE…），选择信号强度和较大且与定位目标设备的夹角既不相等又不互补的2个定位参考点，假设为定位参考点1、2，它们的坐标分别为（x1，y1）和（x2、y2）（坐标轴y轴和正北方向重合），通过地磁传感器获取到定位目标设备正前方与正北方向的夹角N，根据几何知识，得出“通过定位参考点1及定位目标设备（Xt、Yt）的直线与X轴的夹角Θ1=N+A-90，通过点斜式即可得出通过定位参考点1及定位目标设备（Xt、Yt）的直线方程1。同理，可以求出通过定位参考点2及定位目标设备（Xt、Yt）的直线方程2，求解二元一次方程组即可算出定位目标设备的坐标。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明采用阵列天线，可以测量出无线信号来自哪个方向以及无线信号强度的大小，采用“信号的方向“信息来定位，因此定位参考点发送信号功率变化、路径传输损耗对定位几乎没影响。

2、本发明不需要协调器来组建维护网络，网络健壮性好。

3、每个定位目标设备都能获取到周围定位参考点的信息，都能根据这些信息计算出自己的位置。

4、本发明只需要求解二元一次方程组就能得到定位目标设备的位置，运算量少。

5、本发明中，定位参考点是周期性信息发送者，定位参考点每次发送完信息即可进入休眠状态，使得系统的功耗极低。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的定位目标设备的结构示意图；

图3是本发明的信号强度矢量分解示意图；

图4是本发明的总矢量和的示意图；

图5是本发明的定位参考点1与定位目标设备的直线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例：

如图1和图2所示，一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统，包括定位参考点、定位目标设备和中心控制模块，所述定位参考点设置有唯一的ID号，所述定位目标设备上设置有M个天线和M个通讯模块，M≥4，所述M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布，每个天线分别连接了各自的通讯模块，所述通讯模块连接了中心控制模块，所述中心控制模块还连接了角度获取模块，所述角度获取模块获取定位目标设备正前方与正北方向的夹角N，所述定位参考点有L个，L≥2，其中至少两个定位参考点与定位目标设备的夹角既不相等也不互补。

所述中心控制模块设置在定位目标设备上。

所述M=6，6个天线在同一水平面上间隔60度均匀分布，每个通讯模块代表一个信号接收方向。

所述定位参考点以广播方式发送信息。

定位目标设备上的天线为定向天线。

所述定位参考点包括互相连接的通讯模块和天线。

所述通讯模块为Zigbee模块。

本发明的工作步骤如下：

定位参考点定时发送信息，所发送的信息包含自身的ID号；

通讯模块一旦接收到定位参考点的信息，则发送给中心控制模块，所发送的信息包含定位参考点的ID号及定位参考点的信号强度；

中心控制模块接收代表不同信号接收方向的通讯模块传来的信息，按照ID号筛选出同个定位参考点在不同接收方向上的信号强度值，并把信号强度值按照矢量方式进行求和运算，得到总矢量和E, 总矢量和E的方向则代表该定位参考点相对于定位目标设备的方向，具体计算方法如下：

如图3和图4所示，假设从正前方开始逆时针方向上的6个模块接收到的同个定位参考点的信号强度分别为E1、E2、E3、E4、E5、E6，把6个信号强度分解到X轴、Y轴上再分别求和（正前方为X轴正方向、正左方为Y轴正方向）。

X轴上矢量和计算公式为：

Ex = E1-E4+（E2+E6-E3-E5）*cos60°

= E1-E4+（E2+E6-E3-E5）/2

Y轴上矢量和计算公式为：

Ey = （E2+E3-E5-E6）*sin60°

= （E2+E3-E5-E6）*/2

假设总矢量和的方向与X轴的夹角为A（单位：度），A的计算公式分以下几种情况：

情况1：Ey=0，Ex>0

A = 0

情况2：Ey=0，Ex<0

A = 180

情况3：Ey>0，Ex=0

A = 90

情况4：Ey<0，Ex=0

A = 270

情况5：Ey≠0，Ex≠0

A = atan(Ey/Ex)*180/π。

把E1~E6相邻3个方向的信号强度值求和，并筛选出其中的最大值，记为Esum，该大小代表该定位参考点相对于定位目标设备的远近。

通过上述步骤可以获取到各个定位参考点相对定位目标设备正前方的夹角（记为A、B、C、D…）及信号强度和（记为EsumA、EsumB、EsumC、EsumD…），选择信号强度和较大且夹角既不相等又不互补的2个定位参考点，假设为定位参考点1、2，它们的坐标分别为（x1，y1）和（x2、y2）（坐标轴y轴和正北方向重合）。通过地磁传感器获取定位目标设备正前方与正北方向的夹角N，根据几何知识，得出通过定位参考点1及zigbee定位目标设备（Xt、Yt）的直线与X轴的夹角Θ1=N+A-90，通过点斜式即可得出通过定位参考点1及zigbee定位目标设备（Xt、Yt）的直线方程1，如图5所示。同理，可以求出通过定位参考点2及定位目标设备（Xt、Yt）的直线方程2，求解二元一次方程组即可算出zigbee定位目标设备的坐标。分3种情况：

情况一：Θ1=90°，Θ2≠90°，

直线方程1：x=x1。

直线方程2：y-y2=k2（x-x2），其中k2=tan（（N+B-90）*π/180）。

可求出Zigbee定位目标的坐标：

Xt = x1，Yt = tan（（N+B-90）*π/180）（x1-x2）+y2。

情况二：Θ1≠90°，Θ2=90°，

直线方程1：y-y1=k1（x-x1），其中k1=tan（（N+A-90）*π/180）。

直线方程2：x=x2。

可求出zigbee定位目标的坐标：

Xt = x2，Yt = tan（（N+A-90）*π/180）（x2-x1）+y1。

情况三：Θ1≠90°，Θ2≠90°，

直线方程1：y-y1=k1（x-x1），其中k1=tan（（N+A-90）*π/180）。

直线方程2：y-y2=k2（x-x2），其中k2=tan（（N+B-90）*π/180）。

可求出zigbee定位目标的坐标：

Xt =（y2-y1）/（tan（（N+A-90）*π/180）- tan（（N+B-90）*π/180））-（x2-x1），

Yt =（k1*y2-k2*y1）/（k1-k2）=（tan（（N+A-90）*π/180）*y2- tan（（N+B-90）*π/180）*y1）/（tan（（N+A-90）*π/180）- tan（（N+B-90））。

其中Θ2为通过定位参考点2及zigbee定位目标（Xt、Yt）的直线与X轴的夹角。

Claims (10)

1.一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统，包括定位参考点、定位目标设备和中心控制模块，所述定位参考点设置有唯一的ID号，其特征在于，所述定位目标设备上设置有M个天线和M个通讯模块，M≥4，所述M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布，每个天线分别连接了各自的通讯模块，所述通讯模块连接了中心控制模块，中心控制模块用于接收代表不同信号接收方向的通讯模块传来的信息，按照ID号筛选出同个定位参考点在不同接收方向上的信号强度值，并把信号强度值按照矢量方式进行求和运算，计算结果的矢量方向则代表该定位参考点相对于定位目标设备的方向，所述中心控制模块还连接了角度获取模块，所述角度获取模块获取定位目标设备正前方与正北方向的夹角N，所述定位参考点有L个，L≥2，其中至少两个定位参考点与定位目标设备的夹角既不相等也不互补，所述定位参考点与定位目标设备的夹角的确定以垂直或水平方向或正北方向为参考方向，夹角为定位参考点指向定位目标设备的方向与参考方向的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统，其特征在于，所述中心控制模块设置在定位目标设备上。

3.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统，其特征在于，M=6。

4.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统，其特征在于，定位目标设备上的天线为定向天线。

5.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统，其特征在于，所述定位参考点包括互相连接的天线和通讯模块。

6.根据权利要求5所述的一种基于阵列天线实现移动目标定位的系统，其特征在于，所述通讯模块为Zigbee模块或wifi模块或蓝牙模块。

7.一种基于阵列天线实现移动目标定位的方法，其特征在于，包括以下步骤： 布置L个定位参考点，L≥2，并使其中至少两个定位参考点与定位目标设备的夹角既不相等也不互补，所述定位参考点与定位目标设备的夹角的确定以垂直或水平方向或正北方向为参考方向，夹角为定位参考点指向定位目标设备的方向与参考方向的夹角； 在定位目标设备上设置M个天线，M≥4，并使这M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布； 定位参考点定时发送信息，所发送的信息包含自身的ID号； 定位目标设备通过天线接收定位参考点的信息，天线接收信息后通过通讯模块发送给中心控制模块，所发送的信息包含定位参考点的ID号及定位参考点的信号强度； 中心控制模块接收通讯模块传来的信息，按照ID号筛选出同个定位参考点在不同接收方向上的信号强度值，并把信号强度值按照矢量方式进行求和运算，计算结果的矢量方向就是该定位参考点相对于定位目标设备的方向； 在与定位目标设备的夹角既不相等又不互补的定位参考点中选择信号强度和最大的2个定位参考点，获取定位目标设备正前方与正北方向的夹角N，求出通过定位参考点1及定位目标设备的直线方程1及通过定位参考点2及定位目标设备的直线方程2； 求解二元一次方程组算出定位目标设备的坐标。

8.根据权利要求7所述的一种基于阵列天线实现移动目标定位的方法，其特征在于，所述中心控制模块设置在定位目标设备上。

9.根据权利要求7所述的一种基于阵列天线实现移动目标定位的方法，其特征在于，定位目标设备上的天线为定向天线。

10.根据权利要求7所述的一种基于阵列天线实现移动目标定位的方法，其特征在于，所述定位参考点包括互相连接的天线和通讯模块，所述通讯模块为Zigbee模块或wifi模块或蓝牙模块。