CN107390170A - 基于定向电磁波及旋转角度进行三维空间定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于定向电磁波及旋转角度进行三维空间定位的方法，属于移动终端室内定位技术领域，该方法采用不间断地旋转发射具有方向性和较强分布特征的天线装置进行电磁波发射，所说天线装置发射的电磁波信号加载有天线角度变化值，终端设备将接收到的天线角度变化值，以及其信号强度变化区间和幅度作为参照数据，结合预存的所在区域定位数据，计算出与各信号源之间相对角度差，以此确定三维坐标，实现定位。该技术以定向电磁波信号旋转的即时角度为定位依据，无需根据信号强度计算与信号源之间绝对距离，精度高、成本低，解决了无法正常接收卫星信号情况下，如室内、地下等环境定位困难的问题。

Description

基于定向电磁波及旋转角度进行三维空间定位的方法

技术领域

本发明属于移动终端室内定位技术领域， 特别涉及一种利用定向电磁波及旋转角度进行三维空间定位的方法。

背景技术

目前，定位技术主要依靠定位卫星确定目标坐标，来实现定位，如广泛应用的GPS及北斗卫星定位系统。但由于定位卫星所发射的微波信号较为微弱，并且频率很高，难以穿过一定厚度障碍物，在室内或地下等环境中信号衰减严重，因此无法满足特殊环境的定位需求。

针对卫星定位的这一问题，出现了多种解决方案。考虑到当前手机的广泛应用，室内定位主要依托手机作为接收终端设备，可以有效降低应用成本，扩大应用范围，因此，各类解决方案基本围绕手机所能够接收或解析的信号源类型进行设计。主要有以下几类定位方式：

1、有源定位方式，分为WIFI、蓝牙、射频及无线电信号定位等。目前的有源定位方式主要是根据信号强度和距离的正相关关系，通过手机或其它移动终端探测信号强度的方式，确定手机与信号源之间绝对距离实现定位。这类定位方式技术和设备成熟，但由于抗干扰性及复杂的室内环境致使信号变化多样，造成定位难度大、定位精度低。并且由于信号覆盖范围和强度等因素，往往需要布设大量信号发射设备，应用成本高，维护困难，难以满足实际应用要求；

2、无源（匹配）定位方式，主要有地磁匹配、图像匹配、阴影匹配等定位方式。如地磁定位方式，该定位方法主要基于地球磁场强度参数，依据每一个具体位置磁场信息不相同的特点，首先在拟定位范围内，如大型商场各楼层的各单元点，进行磁场测量，建立磁场信息数据库。利用手机或其它移动终端的磁场识别功能，与数据库磁场信息匹配进行定位。此类方式不需要布设信号发射设备，精度依靠数据密度、精度及终端设备识别灵敏度来决定，应用灵活，使用方便。但匹配数据库的建立需要投入大量人、财、物力，因此，只能在指定的范围内使用，不具备大范围的通用性。并且由于定位区域周围环境变化的影响，匹配数据库数据每间隔一段时间需要重新修订和校正，同样面临实际应用困难的问题；

3、其他定位方式。目前，在室内定位技术领域，尚有许多诸如灯光定位、UWB定位，以及多种方式组合应用等定位技术，但综合其成本、精度等多种因素，均没有能够达到满足实际应用的成熟方案。

为了克服现有定位技术的上述问题，专利号为CN201210206018.8的中国专利“基于旋转天线的室内定位方法”提出了一种利用天线的旋转角度来确定待测点的相对角度的技术方案，该技术通过测定信号源端点与待测节点之间的信号强度衰减值来确定两点之间距离，即“通过测量参考节点发射信号强度和待测节点接收到的最大信号强度的差值计算衰减信号强度，根据衰减信号强度和参考节点的发射频率计算出定位距离”，根据所得定位角度与定位距离两个值来进行定位计算。该技术通过单一信号源的模式，解决了多个信号源所造成的信号干扰、叠加，致使定位不精确的问题，但是该技术方案同样需要精确探测接收端信号强度值，根据信号强度和距离的正相关关系，方可准确计算出信号源与待测点之间的绝对距离。如前所述，待测点信号强度值对定位区域环境和接收设备有着严重的依赖性，也正是现有类似定位技术无法成熟应用的一个主要因素。

另外，专利号为CN201210206018.8的中国专利“基于旋转天线的室内定位方法”依靠单点方式进行定位，按照两点一线原理，决定了该方式只能在已知待测点位置高度的前提下进行定位，即只能实现已知平面上的点的定位，无法真正实现空间物体的三维定位。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于旋转定向电磁波，根据其即时旋转角度值进行三维空间定位的方法，解决在室内、地下和障碍场所环境下，因无法精确侦测信号强度值而造成定位精度差的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于定向电磁波及旋转角度进行三维空间定位的方法，采用不间断地旋转发射具有方向性和较强分布特征的天线装置进行电磁波发射，其特征在于所说天线装置发射的电磁波信号加载有天线旋转角度变化值，终端设备将接收到的天线角度变化值，以及其信号强度变化区间和幅度作为参照数据，结合预存的所在区域定位数据，计算出与各信号源之间相对角度差，以此确定三维坐标，实现定位。

进一步，其特征在于所说天线装置采取机扫或电扫的方式，以固定速率旋转，按固定频率向四周发射电磁波信号。

再进一步，其特征在于所说电磁波信号加载有能够描述发射天线旋转的方位或俯仰角参数，所说天线装置以固定速率旋转，并每转动固定角度发射一次当前方位或俯仰角数据。

目前广泛应用的定向天线，能够发射具有方向性和较强分布特征电磁波信号，可满足本方案电磁波发射要求。定向天线在其轴向垂直平面方向上，表现为在一定角度范围内进行电磁辐射，即所谓定向天线的方向性。如图1所示，在其轴向垂直平面上强度分布有明显的方向性，天线指向方向信号强度最大，以此方向为中轴线向两边发散并减弱，边缘信号强度变化明显，迅速变为零值，且呈较为严格的对称性分布。

本发明正是利用了定向天线的上述特性，将定向天线以固定转速沿某一平面，如水平或垂直方向旋转，发射特定频率、波长和强度，并加载当前发射天线识别码、方位或俯仰角及位置坐标等相关信息（以下简称“定位信息”）的电磁波信号。定向天线在确定了起始角度的基础上，每转动一定角度，发射一次当前所处的方位或俯仰角度数据，在其波束角范围内的终端设备依据接收到的定位信息，根据电磁信号强度的变化幅度和区间，确定出定位天线信号强度最大方向的角度，即正方向，并以此作为参照，计算出与该天线之间的角度关系，进而得出自身方位或俯仰角。再结合其他定位天线位置，最终确定出当前位置并实现空间定位。

本发明实现了以下优点和效果：

1. 本发明通过对定向电磁波信号所加载的信号源位置坐标、转速、定向天线即时旋转方位或俯仰角度参数的计算，有效规避了因周围环境影响而造成的信号绝对强度捕捉和侦测困难的问题，显著提高了定位精度；

2. 充分利用定向天线的方向性，采取多个发射天线之间同速异步旋转的方式，合理规划各天线之间初始角度差，克服了多信号源定位所引起信号叠加造成的定位误差的缺陷；

3. 该定位方法简单，技术成熟，设备部署成本低，定位环境要求低，适应性强，通用性好，应用范围广泛。

附图说明

图1是定向天线的方向性及信号覆盖区域示意图。

图2 是测试点处于信号覆盖区域外状态图。

图3 是测试点进入信号覆盖区域并逐渐靠近定向天线正方向示意图。

图4 是测试点处于定向天线正方向示意图。

图5 是测试点逐渐远离定向天线正方向示意图。

图6 是测试点离开并处于信号覆盖区域外示意图。

图7 是测试点处于不同角度位置，所侦测到的信号强度变化曲线示意图。

图8 控制流程示意图。

图9 测试点三维坐标的确定和计算原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本案例由总控系统、信号源发生器、天线旋转控制系统、信号发射控制器及四个定向天线等结构组成，如图8所示。

本案中，共设置四个相同定位天线，其中三个（L1、L2、L3）在同一水平面不同位置且不成同一垂直面，沿水平方向旋转，为接收设备提供方位角参数；另一天线（V4）沿垂直方向旋转，为接收设备提供俯仰角参数。

本案中信号源频率选择调频广播频段88M-108MHz范围中某一特定频率；接收设备为具备收音机接收功能的手机终端，并预先安装有包含定位区域地图、各定位天线坐标和识别码、预设信号源频率及定位算法等相关信息和数据的程序。

在实施过程中，总控系统统一规划各定向天线的转速、电磁波波长、频率等公共参数，确定各定向天线旋转初始角度、信号发射顺次和发射时间，以防止不同天线在同一位置信号重叠现象发生，并与各天线位置信息一并，发送给信号源发生器和天线旋转控制系统。信号源发生器在此基础上加载预定电磁波信号生成定位信息，由信号发射控制器按预定顺次和时间，分别发送至各天线进行信号向外发射。天线旋转控制系统根据总控系统所发送的各天线角度参数，控制天线旋转角度和速度。

接收终端设备根据实时接收到定位信息，结合预存的地图和天线位置等相关信息，运算得出自身与各天线之间的相对位置，并进行可视化处理，实现空间定位。

如图9所示，测试点K处于四个天线信号覆盖范围中某一位置，与L1、L2、L3所在平面垂直投影为P。K点定位时，依次接收L1、L2、L3所发送的定位信息信号，按照前述原理和方法，经运算得到三个方位角平面A、B、C，三个平面相交与垂直线I；在此基础上，依据V4发送的定位信号，取得俯仰角参数，得出俯仰角平面D，该平面与直线I交点即为K点实际位置。

在计算过程中， P点信号强度峰值的确定对定位精度起着至关重要的作用。从图7中可以看出，在峰值两侧任意对称两个角度，如图中B与D两点，信号强度也呈对称相等。因此，在实际应用中，如因接收设备或环境原因，峰值表现为一定角度范围内相同或相近值，不能精确地捕捉到唯一峰值，可利用定向天线强度变化呈对称关系的特性，采取在连续记录的一系列信号强度值中，选取峰值两侧呈严格对称关系，且能够准确捕捉到唯一值的多个强度数据，并据其对应角度关系，取平均值来获得峰值对应的唯一角度值，进而获得其他对应的同步定位信息。

在应用过程中，可根据应该实际需求和环境，信号源使用机扫或电扫定向天线，优化定向天线结构和扫描方式，选择合理类型和波长的电磁波，力求提高信号分布的规则性和对称性。

在实际应用中可根据待定位区域实际，来确定天线数量和信号源发射功率，即可在一楼宇群范围内单个应用，又可在一个城域的较大范围内统一布设。

上述实施案例仅为本发明的实施方式之一，实施方式并不受上述所限，其他任何未背离本发明实质和原理的各类改变、修饰、替代、组合、简化等，均为等效置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

具体原理分析如下：

假设在某一水平旋转的定向天线电磁波信号所覆盖范围内，设置一位置固定测试点K，定向天线在水平面上以O点为圆心沿逆时针方向旋转，测试点K与该水平垂直投影为P点，P点与O点连线为OP，定向天线发射正方向延长线为OL，OP与OL所成夹角为α，定向天线波束角为β，定向天线每转动N度（N≤β，N值越小，表明信号发射频率越高，则测量精度越高）发射一次包含天线即时方位角度值的定位信息信号。当OP在信号覆盖区域外，如图2所示， P点所侦测到的电磁波信号强度为零或很弱，接收设备无法侦测到电磁波信号，处于无信号状态；随着天线的旋转，α逐渐减小， P点进入信号覆盖区域，侦测到电磁波信号并逐渐增强，如图3所示；当α为零时， OP与OL重合，即P处于定向天线发射正方向延长线上，P点信号强度达到峰值，如图4所示；天线继续旋转，OL向远离OP方向旋转，α逐渐增大，P点所侦测到的电磁波信号强度逐渐减弱，如图5所示，直至OP再次处于信号覆盖区域以外，如图6所示，P点信号强度重新归零，接收设备再次处于无信号状态。在此过程的信号强度增减量与变化速度，以OL为轴线呈对称性分布。

在上述过程中，以定向天线旋转角度为X轴，P点电磁信号强度为Y轴，角度与强度变化关系所成曲线如图7所示。图中,A、B、C、D、E分别为水平方向定速旋转的定向天线不同方位角状态，A’、B’、C’、D’、E’分别为相应角度时，P点电磁信号强度。A、E两点分别为P点刚刚进入和离开天线信号覆盖区域瞬间，其对应的A’、E’值为零；B、D分别为P点进入和离开波束角β范围的瞬间，其对应的B’、 D’值理论上为峰值的1/2；C点为P点处于α为零、OP与OL重合瞬间，其对应强度值D’为电磁信号强度峰值。

当P点信号强度到达峰值时，如图4状态，则测试点K正处于定向天线发射正方向延长线所成的、垂直于定向天线旋转面（水平面）的唯一平面上（下称“方位角平面”）。此时根据同步接收到的天线当前方位角数据，即可确定出该平面方位角。

同理，再结合其他两个或以上，不共同在同一垂直平面，沿同样水平方向，且以同速异步方式旋转的定向天线，用相同方法确定出其他不同角度的方位角平面。理论上各方位角平面应相交并得一垂直线，则测试点处于该线上某一位置。按照同样道理，再设置一沿垂直方向旋转的定位天线，根据此天线的俯仰角参数，可得出测试点所处的俯仰角平面，该平面与垂直线交点即为测试点的空间位置。

Claims (3)

1.一种基于定向电磁波及旋转角度进行三维空间定位的方法，采用不间断地旋转发射具有方向性和较强分布特征的天线装置进行电磁波发射，其特征在于所说天线装置发射的电磁波信号加载有天线旋转角度变化值，终端设备将接收到的天线角度变化值，以及其信号强度变化区间和幅度作为参照数据，结合预存的所在区域定位数据，计算出与各信号源之间相对角度差，以此确定三维坐标，实现定位。

2.根据权利要求1所述的基于定向电磁波及旋转角度进行三维空间定位的方法，其特征在于所说天线装置采取机扫或电扫的方式，以固定速率旋转，按固定频率向四周发射电磁波信号。

3.根据权利要求1所述的基于定向电磁波及旋转角度进行三维空间定位的方法，其特征在于所说电磁波信号加载有能够描述发射天线旋转的方位或俯仰角参数，所说天线装置以固定速率旋转，并每转动固定角度发射一次当前方位或俯仰角数据。