CN107426692A - 一种基于多射频多天线的定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信息技术领域，是一种应用于无线通信传输环境中，基于多射频多天线的定位方法及系统。所述方法包括：基站通过M副定向天线周期性发送广播数据包；终端接收数据包，计算终端和基站之间的相对距离；终端将计算得到的天线编号和相对距离值发给基站；基站根据收到终端发送来的天线编号、相对距离值及基站自身的电子罗盘信息，确定终端和基站的相对位置(包括距离和方向)，并以坐标图形式展示；基站判断终端和基站之间的相对距离是否超过阈值，如果超过阈值，基站自己发出提示信息，并发送报警信息给终端，触发终端向用户发出提示信息；终端接收到基站发送的报警信息，终端向用户发出提示信息。本公开的定位方法和系统，可以实时测量基站和终端的相对位置(距离和方位)，实现该定位系统中基站和终端之间的相对定位。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于多射频多天线的定位方法及系统。
背景技术
随着无线网络技术的发展，手机、智能手表、智能手环等类型的移动终端在人们的日常生活中得到了广泛的应用，在该设备中都存在定位模块，能够实现对手机、智能手表、智能手环的位置定位；相关技术中，通常利用GPS(global positioning system，全球定位系统)、北斗系统进行绝对定位；上述定位方法对GPS/北斗信号和网络信号的要求较高，在没有GPS/北斗信号和网络信号的情况下，无法实现定位功能，因此，不依赖于GPS/北斗定位模块，并能够进行相对位置定位的系统具有广泛的实际应用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多射频多天线的定位方法及系统，该系统包括2种设备形态：定位基站、终端。其中，定位基站射频及天线部分包括：2个射频模块，射频模块1上接M副定向天线(M>1)，射频模块2上接1副全向天线；终端射频及天线部分包括：1个射频模块，射频模块上接1副全向天线。
对于基站的天线形态和功能，射频模块1上接M副定向天线(M>1)，每副天线均为具有相同辐射角度的定向天线，M副天线安装在M等边形的每条边的中心位置，且能够覆盖整个360°范围；该射频模块1上接的M副定向天线由开关电路切换控制，用于基站向终端发送数据，射频模块2上接的1副全向天线，用于基站接收终端发送来的数据。对于终端的天线形态和功能，射频模块上接1副全向天线，用于向基站收发数据。
该定位系统的组成由一个无线定位基站设备和N个终端组成(N≥1)，N的取值上限值由用户需求和采用的无线通信体制决定。
该定位方法包括下列步骤：
步骤A，定位基站通过M副定向天线周期性发送广播数据包；
步骤B，终端接收数据包，计算终端和定位基站的相对距离；
步骤C，终端将步骤B中得到的天线编号、相对距离值发给定位基站；
步骤D，定位基站根据收到终端发送来的天线编号、相对距离值及定位基站的自身的电子罗盘信息，确定终端和定位基站之间的相对位置(包括距离和方向)，并以坐标图形式展示；
步骤E，定位基站判断终端和定位基站之间的相对距离是否超过阈值，如果超过阈值，则进入步骤F，否则，不做任何处理；
步骤F，定位基站自己发出提示信息，并发送报警信息给终端，触发终端向用户发出提示信息；
步骤G，终端接收到定位基站发送的报警信息，终端向用户发出提示信息。
所述步骤A中，定位基站周期性发送特定数据包的方式为：将射频1上的M副天线进行编号，分别为1、2、……、M；然后按这个编号顺序，每间隔1秒，依次发送数据包；定位基站协议栈按间隔1秒的发送频率将数据包传给基站物理层，数据包中包括了发射天线的编号及基站目前所处的环境信息(如：开阔地形、商场、山区等)，基站物理层收到数据包后，通过分析数据包字段，判断发射天线编号，然后控制硬件将天线切换到编号对应的天线上，最终完成数据在指定天线上发送。
所述步骤B中，终端接收数据包，然后进行如下操作：
步骤1、通过解析收到的数据包，判断出该数据包对应的定位基站的发射天线编号；
步骤2、并通过终端硬件获得对应的接收信号强度值；
步骤3、计算出一段时间范围内的信号强度最大值，从而得到该信号强度最大值对应的定位基站天线编号；
步骤4、判断出一段时间范围内是否存在来自2副不同天线的数据包对应的信号强度值相同、且相邻，如果不存在，则执行步骤5；否则，记录这2个天线编号，执行步骤5；
步骤5、根据一段时间范围内最大的信号强度值计算终端和定位基站的相对距离。
对应步骤5中对于计算定位基站与终端之间的相对距离，首先将接收信号强度(RSSI)换算为接收信号功率：Pr＝10(RSSI值-30)/10；然后，通过公式计算定位基站与终端之间的相对距离：D＝Pt/(Pr*k)，其中，D为终端和定位基站之间的相对位置，Pr为接收信号功率，Pt为发送信号功率，k为环境适应性参数(k的取值由定位基站发送过来的数据包解析得到)。
所述步骤D中，定位基站确定定位基站和终端之间相对位置的方法：当只收到一个天线编号时，终端位置即可确定为该天线编号对应的覆盖范围内，当收到2个天线编号时，终端位置即可确定为该2副天线覆盖范围的交接线上；另外，具体的方位需要由电子罗盘的安装位置、天线的安装位置来校准获得。
另外，对于定位系统，该系统包括2种设备形态：定位基站、终端。
定位基站硬件包括：
射频模块：2个射频模块，射频模块1上接M副定向天线(M>1)，射频模块2上接1副全向天线；
电子罗盘：获取基站的方位信息；
主板：通信协议运行的载体和连接外部设备；
外设：包括显示屏、键盘、发声装置和各种传感器等；
电源：为基站提供电能。
定位基站的软件系统包括：
数据收发模块：用于收发数据包；
位置信息计算与处理模块：根据收到的信息和电子罗盘信息，判断定位基站和终端的点对位置(方位和距离)；
条件判断模块：根据计算得到的相对距离，判断是否满足信息推送条件；
信息推送模块：当满足信息推送条件，向终端发送提示信息；
位置显示及提示模块：根据相对距离和方位信息，直观显示位置信息，当达到设定距离阈值，基站发出警示信息。
终端硬件包括：
射频模块：1个射频模块；射频模块上接1副全向天线，用于与定位基站双向通信；
主板：通信协议运行的载体和连接外部设备；
外设：包括显示屏、键盘、发声装置和各种传感器等；
电源：为终端提供电能。
终端的软件系统包括：
数据收发模块：用于收发数据包；
距离计算模块：根据收到的信息的RSSI(信号强度指示)值，计算定位基站和终端之间的相对距离；
提示模块：根据定位基站发来的指令，发出警示信息。
本发明的有益效果是：本发明是一种基于多射频多天线的定位方法及系统，通过该定位方法的实施，可以轻松实现被监控终端与定位基站的相对位置获取，避免携带有被监控终端的人和动物丢失。
附图说明
图1一种基于多射频多天线的定位系统示意图；
图2定位基站射频及天线设置示意图；
图3终端射频及天线设置示意图；
图4一种基于多射频多天线的定位方法流程图；
图5一种基于多射频多天线的定位方法终端处理流程图；
图6定位基站硬件平台示意图；
图7一种基于多射频多天线的定位系统-定位基站软件功能模块示意图；
图8终端硬件平台示意图；
图9一种基于多射频多天线的定位系统-终端软件功能模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的一种基于多射频多天线的定位方法及系统进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面详细说明本发明的一种基于多射频多天线的定位方法及系统，该定位方法及系统针对多射频、多天线无线网络通信设备，一套定位系统包括1个定位基站设备和N个终端(N≥1，N的取值上限值由用户需求和采用的无线通信体制决定)，系统组网如图1所示；对于该定位系统中的定位基站设备和终端设备，定位基站设备包含2个射频模块，射频1模块上接有1副全向天线和6副定向天线(以6扇区天线为例)，6副天线安装在6等边形的每条边的中心位置，每副定向天线的覆盖范围为60°，6副天线能够覆盖整个360°范围，射频2模块上接有1副全向天线，如图2所示；终端设备包括1个射频模块；射频模块上接1副全向天线，如图3所示。
对于一种基于多射频多天线的定位方法处理流程如图4所示，在图中，定位过程被细分为7个步骤，包括下列步骤：
步骤S1，定位基站通过6副定向天线周期性发送广播数据包；
步骤S2，终端接收数据包，计算终端和定位基站的相对距离；
步骤S3，终端将步骤B中得到的天线编号、相对距离值发给定位基站；
步骤S4，定位基站根据收到终端发送来的天线编号、相对距离值及定位基站的自身的电子罗盘信息，确定终端和定位基站的相对位置(包括距离和方向)，并以坐标图形式展示；
步骤S5，定位基站判断终端和定位基站之间的相对距离是否超过阈值，如果超过阈值，则进入步骤S6，否则，不做任何处理；
步骤S6，定位基站自己发出提示信息，并发送报警信息给终端，触发终端向用户发出提示信息。
步骤S7，终端接收到定位基站发送的报警信息，终端向用户发出提示信息。
所述步骤S1中，定位基站周期性发送特定数据包的方式为：将射频1上的6副天线进行编号，分别为1、2、……、6；然后按这个编号顺序，每间隔1秒，依次发送数据包；数据包中包括对应发射数据包的天线编号、基站目前所处的环境信息(如：开阔地形、商场、山区等)。填充内容如下表所示：
定位基站物理层收到数据包后，通过分析数据包字段，判断发射天线编号，然后控制硬件将天线切换到编号对应的天线上，最终完成数据在指定天线上发送。
所述步骤S2中，终端接收数据包，然后进行如下操作，如图5所示：
步骤S21、通过解析收到的数据包判断出该数据包对应的发射天线编号；
步骤S22、并通过终端硬件获得对应的接收信号强度值；
步骤S23、计算出一段时间范围内的信号强度最大值，从而得到该信号强度最大值对应的定位基站天线编号；
比如得到的信号强度最大值对应的定位基站天线编号为3。
步骤S24、判断出一段时间范围内是否存在来自2副不同天线的数据包对应的信号强度值相同、且相邻，如果不存在，则执行步骤S25；否则，记录这2副天线的编号，执行步骤S25；
比如同时存在另外一个信号强度值(对于的天线编号为2)与步骤S23中得到的最大信号强度值相同，天线编号不同、且相邻，记录这个最大值对应的基站天线编号2，则记录天线2和天线3同时对应最大信号强度值。
步骤S25、根据一段时间范围内最大的信号强度值计算终端和定位基站之间的相对距离。
对于步骤S25中计算定位基站与终端之间的相对距离，比如接收到的数据包对应的接收信号强度值为：首先将接收信号强度(RSSI)换算为接收信号功率：Pr＝10(RSSI 值-30)/10；然后，通过公式计算定位基站与终端之间的相对距离：D＝Pt/(Pr*k)，其中，D为终端和定位基站之间的相对位置，Pr为接收信号功率，Pt为发送信号功率，k为环境适应性参数(k的取值由定位基站发送过来的数据包解析得到)。比如发送信号功率为100mW、接收信号强度为17dbm，开阔地形k＝0.1；因此，计算接收信号功率为50mW，从而相对距离＝20米。
终端将计算得到的相对距离20米和信号强度最大值对应的基站天线编号3发给定位基站；当基站只收到一个天线编号时，终端位置即可确定为该天线编号对应的覆盖范围内，当收到2副相邻的天线编号时，终端位置即可确定为该2副相邻天线覆盖范围的交接线上；另外，具体的方位需要由电子罗盘的安装位置、天线的安装位置来校准获得，估计出终端在定位基站大致的方位信息，并通过应用程序展示位置坐标信息。
对于阈值的设定，假设定位基站设定距离阈值为10米，当定位基站和终端之间的相对距离大于这个阈值时，定位基站可发出提示报警声音、灯光闪烁、提示信息等；同时，定位基站将向终端发送数据包，触发终端发出提示报警声音、灯光闪烁、提示信息等。
另外，对于定位系统，该系统包括2种设备形态：定位基站、终端。
图6是定位基站硬件模块示意图，具体包括：
射频模块：2个射频模块，射频模块1上接6副定向天线，射频模块2上接1副全向天线；
电子罗盘：获取定位基站的方位信息；
主板：通信协议运行的载体和连接外部设备；
外设：包括显示屏、键盘、发声装置和各种传感器等；
电源：为定位基站提供电能。
软件系统如图7所示，包括数据收发模块11、位置信息计算与处理模块12、条件判断模块13、信息推送模块14、位置显示及提示模块15，其中，
数据收发模块：用于收发数据包；
位置信息计算与处理模块：根据收到的信息和电子罗盘信息，判断定位基站和终端的点对位置(方位和距离)；
条件判断模块：根据计算得到的相对距离，判断是否满足信息推送条件；
信息推送模块：当满足信息推送条件，向终端发送提示信息；
位置显示及提示模块：根据相对距离和方位信息，直观显示位置信息，当达到设定距离阈值，定位基站发出警示信息。
图8是终端硬件模块示意图，具体包括：
射频模块：1个射频模块；射频模块上接1副全向天线，用于与定位基站双向通信；
主板：通信协议运行的载体和连接外部设备；
外设：包括显示屏、键盘、发声装置和各种传感器等；
电源：为终端提供电能。
终端软件系统如图9所示，包括数据收发模块21、距离计算模块22、提示模块23，其中，
数据收发模块：用于收发数据包；
距离计算模块：根据收到的信息的RSSI(信号强度指示)值，计算定位基站和终端之间的相对距离；
提示模块：根据定位基站发来的指令，发出警示信息。
通过以上结合附图对本发明具体实施例的描述，本发明的其它方面及特征对本领域的技术人员而言是显而易见的。
以上对本发明的具体实施例进行了描述和说明，这些实施例应被认为其只是示例性的，并不用于对本发明进行限制，本发明应根据所附的权利要求进行解释。
Claims (12)
1.一种基于多射频多天线的定位方法及系统，其特征在于，该定位方法针对多射频、多天线的无线基站设备，其中，多射频表示一个无线基站设备包含2个射频模块；多天线表示射频模块1上接M副定向天线(M>1)，射频模块2上接1副全向天线。
2.按权利要求1所述的一种基于多射频多天线的定位方法及系统，其特征在于，射频模块1上接M副定向天线(M>1)，每副天线均为具有相同辐射角度的定向天线，M副天线安装在M等边形的每条边的中心位置，且能够覆盖整个360°范围；该射频模块1上接的M副定向天线由开关电路切换控制，用于基站向终端发送数据，射频模块2上接的1副全向天线，用于基站接收终端发送来的数据。
3.按权利要求1所述的一种基于多射频多天线的定位方法及系统，其特征在于，该系统的组成为一个无线基站和N个终端组成(N≥1)，N的取值上限值由用户需求和采用的无线通信体制决定。
4.一种基于多射频多天线的定位方法及系统，其特征在于，该定位方法主要包括以下步骤：
步骤A，基站通过M副定向天线周期性发送广播数据包；
步骤B，终端接收数据包，计算终端和基站的相对距离；
步骤C，终端将步骤B中得到的天线编号、相对距离值发给基站；
步骤D，基站根据收到终端发送来的天线编号、相对距离值及基站的自身的电子罗盘信息，确定基站和终端之间的相对位置(包括距离和方向)，并以坐标图形式展示；
步骤E，基站判断终端和基站之间的相对距离是否超过阈值，如果超过阈值，则进入步骤F，否则，不做任何处理；
步骤F，基站自己发出提示信息，并发送报警信息给终端，触发终端向用户发出提示信息；
步骤G，终端接收到基站发送的报警信息，终端向用户发出提示信息。
5.按权利要求4所述的一种基于多射频多天线的定位方法及系统，其特征在于，所述步骤A中，基站周期性发送广播数据包的方式为：首先将射频1上的M副天线进行编号，分别为1、2、……、M；然后按编号顺序，每间隔1秒，依次发送数据包。
6.按权利要求5所述的一种基于多射频多天线的定位方法及系统中基站周期性发送广播数据包的控制策略，其特征在于：基站协议栈按间隔1秒的发送频率将数据包传给基站物理层，数据包中包括了发射天线的编号及基站目前所处的环境信息(如：开阔地形、商场、山区等)，基站物理层收到数据包后，通过分析数据包字段，判断发射天线编号，然后控制硬件将天线切换到编号对应的天线上，最终完成数据在指定天线上发送。
7.按权利要求4所述的一种基于多射频多天线的定位方法的步骤B中，其特征在于，终端接收数据包，终端进行如下操作：
步骤1、通过解析收到的数据包判断出该数据包对应的基站发射天线编号；
步骤2、并通过终端硬件获得对应的接收信号强度值；
步骤3、计算出一段时间范围内的信号强度最大值，从而得到该信号强度最大值对应的基站天线编号；
步骤4、判断出一段时间范围内是否存在来自2副不同天线的数据包对应的信号强度值相同、且相邻，如果不存在，则执行步骤5；否则，记录这2副天线的编号，执行步骤5；
步骤5、根据一段时间范围内最大的信号强度值计算终端和基站的相对距离。
8.按权利要求7步骤5中对于计算基站与终端之间的相对距离，其特征在于：首先将接收信号强度(RSSI)换算为接收信号功率：Pr＝10(RSSI值-30)/10；然后，通过公式计算基站与终端之间的相对距离：D＝Pt/(Pr*k)，其中，D为终端和基站之间的相对位置，Pr为接收信号功率，Pt为发送信号功率，k为环境适应性参数(n的取值基站发送过来的数据包解析得到)。
9.按权利要求4所述的一种基于多射频多天线的定位方法及系统，其特征在于，所述步骤D中，确定基站和终端之间的相对位置的方法：当只收到一个天线编号时，终端位置即可确定为该天线编号对应的覆盖范围内，当收到2副天线的编号时，终端位置即可确定为该2副天线覆盖范围的交接线上；另外，具体的方位需要由电子罗盘的安装位置、天线的安装位置来校准获得。
10.一种基于多射频多天线的定位系统，其特征在于该系统包括2种设备形态：定位基站、终端。
11.按权利要求8所述的一种基于多射频多天线的定位系统中的定位基站，其特征在于，硬件包括：
射频模块：2个射频模块，射频模块1上接M副定向天线(M>1)，射频模块2上接1副全向天线；
电子罗盘：获取定位基站的方位信息；
主板：通信协议运行的载体和连接外部设备；
外设：包括显示屏、键盘、发声装置和各种传感器等；
电源：为定位基站提供电能。
软件系统包括：
数据收发模块：用于收发数据包；
位置信息计算与处理模块：根据收到的信息和电子罗盘信息，判断定位基站和终端之间的相对位置(方位和距离)；
条件判断模块：根据计算得到的相对距离，判断是否满足信息推送条件；
信息推送模块：当满足信息推送条件，向终端发送提示信息；
位置显示及提示模块：根据相对距离和方位信息，直观显示位置信息，当达到设定距离阈值，定位基站发出警示信息。
12.按权利要求8所述的一种基于多射频多天线的定位系统中的终端，其特征在于，硬件包括：
射频模块：1个射频模块；射频模块上接1副全向天线，用于与定位基站双向通信；
主板：通信协议运行的载体和连接外部设备；
外设：包括显示屏、键盘、发声装置和各种传感器等；
电源：为终端提供电能。
软件包括：
数据收发模块：用于收发数据包；
距离计算模块：根据收到的信息的RSSI(信号强度指示)值，计算定位基站和终端的相对距离；
提示模块：根据定位基站发来的指令，发出警示信息。
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