CN106872939B - 一种定位系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种定位系统及定位方法，其中，定位系统包括至少两个定角设备、一个主处理器和定位服务器，各定角设备用于接收待定位标签发射的无线信号以获取待定位标签相对其的方向角度，定角设备均包括若干组中心点重合、以角度间隔排列且相同并同时独立工作的天线阵列；主处理器用于接收各定角设备的方向角度信息以及待定位标签的SSID，对于同一个SSID标签，主处理器根据各定角设备的方向角度信息计算出待定位标签的位置；定位服务器用于存储主处理器上传的待定位标签的位置信息。本发明通过多组相同的阵列按一定的角度间隔排列，并同时独立工作，从而实现对待定位标签的定角，根据两个或两个以上定角设备的信息就可以实现目标的精确定位。

Description

一种定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及定位技术，尤其涉及一种定位系统及定位方法。
背景技术
目前，定位技术一般通过测量信号从信号源行进到接收设备所花的时间来操作。在大多数现有技术应用中，此测量是通过比较发送信号的时间与接收相同的信号的时间来完成的。诸如GPS之类的普通定位系统使用三个或更多个这样的信号，并且使用三角测量法来计算对象的位置。由于测量计算是时间敏感的，因此通常需要第四个信号来保证源和接收器的时钟恰当地同步。
多径是指从诸如墙壁和家具之类的其它对象反射定位信号的现象。这在诸如室内之类的封闭环境中特别普遍，但是也是在诸如城市之类的建造区域中显著的问题。简单地说，反射信号从源行进到接收器花费更长的时间，因此影响测量的准确度。此外接收器看到来源于相同的源的具有不同的定时信息的冲突信号。一些现代的接收器使用选择算法来试图确定最合适的信号以在位置确定中使用。但是，接收器通常不能任意高精度地区分多径信号与真正的定位信号。
以定位应用为例，一方面，可以利用安装在电子设备中的应用程序(APP，Application)，通过与基站以及导航系统的交互，可以对电子设备进行定位导航，从而引导使用电子设备的用户沿着导航路线到达电子地图中的目的地。另一方面应用是，构建电子设备与目标物的定位系统，即通过在目标物中设置小型基站，利用电子设备中安装的定位应用程序，对目标物进行定位，并引导用户找到该目标物，举例来说，当车辆停在较大的地下车库中，用户找不到或不容易找到该车辆时，可以通过车辆中设置的基站(例如，蓝牙模块)的独立天线发射的信号，电子设备依据接收信号强度指示(RSSI，Receive SignalStrength Indicator)，计算该电子设备与车辆的大致距离，从而可以获知车辆相对电子设备的位置信息，并在该距离的圆周范围内进行搜索查找。但该获取目标物位置信息的方法，利用接收的RSSI信号计算的电子设备与车辆的距离R，得到的位置信息(定位信息)只是距离信息，而无法提供电子设备与车辆的方位信息，需要用户在半径为R的圆周内进行搜索查找，使得搜索查找到目标物所需的时间较长，尤其是目标物在运动场景中，沿着半径为R的圆周内进行搜索查找，如果搜索查找的方位与目标物所处的方位不一致，可能使得目标物与电子设备之间的距离越来越大，从而导致该方法定位目标物的精度较低。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种定位精度较高的定位系统及定位方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种定位精度较高且定位精度可控制、调节的定位系统及定位方法。
本发明的定位系统，包括
-至少两个定角设备，各所述定角设备用于接收待定位标签发射的无线信号以获取待定位标签相对其的方向角度，所述定角设备均包括若干组中心点重合、以角度间隔排列且相同并同时独立工作的天线阵列；
-主处理器，用于接收各所述定角设备的方向角度信息以及待定位标签的SSID，对于同一个SSID标签，所述主处理器根据各所述定角设备的方向角度信息计算出待定位标签的位置。
进一步的，将各所述定角设备的各所述天线阵列接收到的无线信号强度按顺序排列并连接起来，根据得到的波形计算待定位标签相对相应的所述定角设备的方向角度。
进一步的，所述波形中信号强度最大的值或双主瓣的中间零点对应的所述天线阵列的中垂线方向为待定位标签方向。
进一步的，相邻所述天线阵列的间隔角度相同或者不相同。
进一步的，还包括定位服务器，用于存储所述主处理器上传的待定位标签的位置信息。
本发明的定位方法，该方法包括：
待定位标签向外发射无线信号；
定角设备中包含的n组相同的天线阵列独自接收所述无线信号并解码得到各天线阵列接收到的信号的RSSI值和待定位标签的SSID，其中，n＞1，各天线阵列按中心点重合、以角度间隔排列；
将各RSSI值按各所述天线阵列的排列顺序排列连接，得到一个波形；
定角设备对所述波形进行分析并给出待定位标签相对定角设备的方向角度；
将所述方向角度和待定位标签的SSID上传给主处理器；
对同一个SSID标签，所述主处理器根据两个或两个以上定角设备的方向角度信息利用定位算法给出待定位标签的精确位置。
进一步的，相邻所述天线阵列的间隔角度相同或者不相同，调整间隔角度控制定位精度。
进一步的，所述定角设备通过分析出所述波形中信号强度最大的值或双主瓣的中间零点对应的所述天线阵列，相应的天线阵列的中垂线方向为待定位标签方向。
进一步的，所述定位算法包括步骤：
(1)各所述定角设备分析出待定位标签的方向α，根据各所述定角设备自身方向，计算待定位标签的绝对角度β，换算成弧度后做k＝tanβ运算，求出斜率k；
(2)对比各绝对角度对应的直线是否平行，如果平行，则没有交点，否则执行第(3)步；
(3)对于各所述定角设备的坐标(x，y)，根据直线方程y＝k*x+A，解出A＝y-K*x；
(4)求解各直线方程的交点，解出的(x,y)即为各直线相交点，得到待定位标签的精确位置。
进一步的，所述主处理器在计算出待定位标签的精确位置后，将精确位置信息上传给定位服务器。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、通过多组相同、中心点重合的天线阵列按一定的角度间隔排列，并同时独立工作，从而使定角设备实现对待定位目标的360°或局部方向定角；
2、通过两个或两个以上的定角设备即可实现对待定位标签的精确定位，定位角度误差随着定角设备数量的增多而减小，且定位精度可以通过调节天线阵列的个数来进行控制、调节，成本低、易操作；
3、当天线阵列的间隔角度越小，定位精度越高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的定位系统的组成框架图；
图2是本发明的定位系统的原理图；
图3是本发明中定角设备的结构示意图；
图4-A是本发明中天线阵列的一种二维方向图，图4-B是本发明中天线阵列的另一种二维方向图；
图5是本发明的定位方法的工作流程图；
图6是实施例一的定角设备的结构示意图；
图7是实施例一的天线阵列的二维方向图；
图8是实施例二的定角设备的结构示意图；
图9是实施例二的天线阵列的二维方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本发明的定位系统，包括至少两个定角设备、一个主处理器和定位服务器，其中，各定角设备用于接收待定位标签发射的无线信号以获取待定位标签相对其的方向角度，主处理器用于接收各定角设备的方向角度信息以及待定位标签的SSID，对于同一个SSID标签，主处理器根据各定角设备的方向角度信息计算出待定位标签的位置；定位服务器用于存储主处理器上传的待定位标签的位置信息。
每个定角设备可以得到待定位标签相对于该定角设备的角度，这样两个设备的角度交点即为待定位标签的位置。原理如图2所示，定位设备1和定位设备2分别得到待定位标签的角度为θ1和θ2，通过计算其交点即可得到待定位标签的位置。
本发明的每个定角设备由n组相同且同时独立工作的天线阵列组成，其排列方式如图3所示，天线阵列以角度θ间隔排列，各个天线阵列的中心点重合，因此，定位角度误差为θ/2。
本发明的定位系统的工作原理为：因所有的天线阵列的方向图相同，且各自独立的工作，当待定位标签向外发射无线信号的时候，各个天线阵列独立的接收该无线信号并转化成电信号，每个天线阵列均连接有独立的调制解调模块，每个天线阵列转化得到的电信号传输给各自的调制解调模块进行信号解调，得到信号强度及待定位标签的mac地址(因为对于任何一个无线设备，其mac地址都是唯一的，所以可以作为待定位标签的SSID)。因天线阵列的方向图是相同的，因此当其按如图3方式排列后，将每个天线阵列接收得到的信号的信号强度按顺序排列，并连接起来，根据得到的波形判断待定位标签相对定角设备的角度。
例如，当天线阵列的二维方向图如图4-A所示(横坐标是角度，纵坐标是增益)，当待定位标签位于天线阵列1的中垂线方向时，这个方向正对天线阵列1的增益最大值方向，将每个天线阵列收到的信号强度按顺序连接，得到的波形与图4相同，波形中信号强度最大的值对应的天线阵列的中垂线方向即为待定位标签方向。
例如，当天线阵列的二维方向图如图4-B所示(横坐标是角度，纵坐标是增益)，当待定位标签位于天线阵列1的中垂线方向时，这个方向正对两个主瓣的中间零点方向，将每个天线阵列收到的信号强度按顺序连接，得到的波形与图4-B相同，波形中两个主瓣的中间零点对应的中垂线方向即为待定位标签方向。
依据本发明的定位系统实现的定位方法如图5所示，首先待定位标签向外发射无线信号；定角设备中包含的n组相同的天线阵列独自接收无线信号并解码得到各天线阵列接收到的信号的RSSI值和待定位标签的SSID，其中，n＞1，各天线阵列按中心点重合、以角度间隔排列；将各RSSI值按各天线阵列的排列顺序排列连接，得到一个波形；定角设备对波形进行分析并给出待定位标签相对定角设备的方向角度；然后将方向角度和待定位标签的SSID上传给主处理器；对同一个SSID标签，主处理器根据两个或两个以上定角设备的方向角度信息利用定位算法给出待定位标签的精确位置；最后主处理器在计算出待定位标签的精确位置后，将精确位置信息上传给定位服务器。
本发明以两个定角设备为例，给出具体的定位算法：
步骤1.定角设备1分析出待定位标签的方向α1，根据定角设备1自身方向，计算待定位标签的绝度角度β1，换算成弧度后做k1＝tan(β1)运算，求出斜率k1；
步骤2.定角设备2分析出待定位标签的方向α2，根据定角设备2自身方向，计算待定位标签的绝度角度β2，换算成弧度后做k2＝tan(β2)运算，求出斜率k2；
步骤3.对比绝对角度β1和β2看两条直线是否平行，如果平行，则没有交点，否则执行第4步；
步骤4.对于定角设备1的坐标(x1，y1)，满足直线方程y＝k1*x+A1，解出A1＝y1-K1*x1，对于定角设备2的坐标(x2，y2)，满足直线方程y＝k2*x+A2，解出A2＝y2-K2*x2；
步骤5.求解两个直线方程的交点
Figure BDA0001224829420000081
＝＝>
x＝(A2-A1)/(k1-k2)；
y＝k1*x+A1；
解出的(x，y)即为两条直线相交点，也是待定位标签的精确位置。
本发明的定位精度可通过调整天线阵列之间的间隔角度进行控制，比如减小天线阵列的角度间隔时，可以减小波形的采样间隔角度，即可以提高定位精度。
本发明中相邻天线阵列的间隔角度可以相同也可以不相同，下面给出天线阵列之间间隔角度相同与不相同的两个实施例进行说明。
实施例一
本实施例中，天线阵列之间的间隔角度相同。
如图6所示，定角设备的天线部分由12组完全相同的天线阵列组成，每组天线阵列包含8个天线单元，天线阵列的二维方向图如图7所示，当待定位标签向外发射无线信号的时候，12组天线阵列同时接收信号并将信号传输给各自的调制解调模块进行解调，得到各个阵列得到的信号强度及待定位标签的SSID，因为有12组天线阵列，因此解调后会有12个数据，将12组数据排列连接后得到的波形与图7相同，且两个主瓣的中间零点方向对应的就是待定位标签的方向。此实施例中天线阵列的间隔角度为15°，所以得到的12个数据也是按15°间隔进行排列，相当于将图7的波形按15°间隔来进行采样，测试定位误差为7.5°，当减小天线阵列的角度间隔时，可以减小波形的采样间隔角度，即可以提高定位精度。
实施例二
本实施例中，天线阵列之间的间隔角度不相同。
如图8所示，定角设备的天线部分由8组完全相同的天线阵列组成，每组天线阵列包含8个天线单元，天线阵列的二维方向图如图9所示，当待定位标签向外发射无线信号的时候，8组天线阵列同时接收信号并将信号传输给各自的调制解调模块进行解调，得到各个阵列得到的信号强度及待定位标签的SSID，因为有8组天线阵列，因此解调后会有8个数据，将8组数据排列连接后得到的波形与图9相同，且两个主瓣的中间零点方向对应的就是待定位标签的方向。此实施例中天线阵列的间隔角度不相同，所以得到的8个数据也是按不等间隔进行排列，相当于将图9的波形按不等间隔来进行采样，间隔小的位置测试定位误差小，间隔大的位置测试定位误差大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种定位系统，其特征在于：包括
-至少两个定角设备，各所述定角设备用于接收待定位标签发射的无线信号以获取待定位标签相对其的方向角度，所述定角设备均包括若干组中心点重合、以角度间隔排列且相同并同时独立工作的天线阵列；
-主处理器，用于接收各所述定角设备的方向角度信息以及待定位标签的SSID，对于同一个SSID标签，所述主处理器根据各所述定角设备的方向角度信息计算出待定位标签的位置；
将各所述定角设备的各所述天线阵列接收到的无线信号强度按顺序排列并连接起来，根据得到的波形计算待定位标签相对相应的所述定角设备的方向角度；
所述波形中信号强度最大的值或双主瓣的中间零点对应的所述天线阵列的中垂线方向为待定位标签方向；
相邻所述天线阵列的间隔角度相同；
其中，定角设备的天线部分由12组完全相同的天线阵列组成，每组天线阵列包含8个天线单元，天线阵列的间隔角度为15°。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于：还包括定位服务器，用于存储所述主处理器上传的待定位标签的位置信息。
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