CN107688164A - 一种空中飞行器的定位方法、定位装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空中飞行器的定位方法、定位装置及存储介质。所述定位方法包括：A、测算空中飞行器与至少两个基站之间的预估距离；B、根据所述预估距离，计算标准化因子；所述标准化因子用于衡量所述预估距离与空中飞行器与基站之间的真实距离的差别；C、根据所述标准化因子以及空中飞行器的飞行高度，将所述预估距离转换为在参考平面中，空中飞行器与基站之间的标准距离；D、根据所述标准距离，应用OTDOA定位算法，计算所述空中飞行器的定位信息。整个定位计算方法能够很好的提升在水平高度和垂直高度上的定位准确性，计算复杂度低，并且与现有的定位算法具有良好的兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及用户设备定位技术领域，尤其涉及一种空中飞行器的定位方法、定位装置及存储介质。
背景技术
随着技术的发展，蜂窝网络对于覆盖小型空中飞行器(例如无人机)等展示出浓厚的兴趣。当前的小型空中飞行器开始广泛而且迅速的应用在各种不同的领域，包括快递、搜索和救援、航拍、野生动物考察以及犯罪监控等。在未来的几年内，这些小型空中飞行器的使用需求可预见的会发生爆发性的增长。在这些应用场景中，将小型空中飞行器作为蜂窝网络的用户设备(UE)可以很好的满足这些应用场景的需求。
如何将小型空中飞行器进行覆盖，加入到蜂窝网络中作为用户设备的技术发展需要对现有的通信协议等进行许多相应的调整。其中，关于位置定位的技术是其中非常重要的一部分。
对于用户设备在蜂窝网络中的定位，现有技术通常包括GNSS、ECID和RTTR以及OTDOA几种。但是，由于小型空中飞行器的固有特性，其在垂直高度上与一般的用户设备存在显著性的差异，直接应用现有的定位技术可能会导致较大的定位偏差。
因此，现有技术还有待发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种空中飞行器的定位方法、定位装置及存储介质，旨在解决现有技术中蜂窝网络定位技术无法很好的适应空中飞行器使用特性的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：一种空中飞行器的定位方法。其中，所述方法包括：
A、测算空中飞行器与至少两个基站之间的预估距离；
B、根据所述预估距离，计算标准化因子；所述标准化因子用于衡量所述预估距离与空中飞行器与基站之间的真实距离的差别；
C、根据所述标准化因子以及空中飞行器的飞行高度，将所述预估距离转换为在参考平面中，空中飞行器与基站之间的标准距离；
D、根据所述标准距离，应用OTDOA定位算法，计算所述空中飞行器的定位信息。
所述的定位方法，其中，所述步骤B具体包括：
B1、选中空中飞行器与两个不同基站的第一预估距离和第二预估距离；
B2、根据所述第一预估距离和第二预估距离，计算对应的标准化因子；
B3、在步骤C执行完毕以后，将其中一个基站更新为另一个未被选中的基站并重复执行步骤B2和步骤C，直至获得空中飞行器与所有基站之间的标准距离。
所述的定位方法，其中，所述步骤A具体包括：
应用往返时延测量方法，测算空中飞行器与第一基站之间的第一预估距离和空中飞行器与第二基站之间的第二预估距离。
所述的定位方法，其中，所述步骤B2具体包括：
应用如下算式计算所述标准化因子：
其中，为标准化因子；τgNB1_gNB2为第一基站和第二基站之间的真实时延；为第一预估距离；为第二预估距离；c为光速。
所述的定位方法，其中，所述步骤C具体包括：
应用如下算式计算所述标准距离：
其中，为空中飞行器与第一基站的标准距离，为空中飞行器与第二基站之间的标准距离，为空中飞行器的飞行高度的平方。
一种空中飞行器的定位装置，其中。所述定位装置包括：处理器，适于实现各指令；以及
存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如下操作：测算空中飞行器与至少两个基站之间的预估距离；根据所述预估距离，计算标准化因子；所述标准化因子用于衡量所述预估距离与空中飞行器与基站之间的真实距离的差别；根据所述标准化因子以及空中飞行器的飞行高度，将所述预估距离转换为在参考平面中，空中飞行器与基站之间的标准距离；根据所述标准距离，应用OTDOA定位算法，计算所述空中飞行器的定位信息。
所述的定位装置，其中，所述处理器具体用于：选中空中飞行器与两个不同基站的第一预估距离和第二预估距离；根据所述第一预估距离和第二预估距离，计算对应的标准化因子；并且在所述标准距离计算完毕以后，将其中一个基站更新为另一个未被选中的基站并重新计算所述标准距离，直至获得空中飞行器与所有基站之间的标准距离。
所述的定位装置，其中，所述处理器具体用于：应用往返时延测量方法，测算空中飞行器与第一基站之间的第一预估距离和空中飞行器与第二基站之间的第二预估距离。
所述的定位装置，其中，所述处理器具体用于：应用如下算式计算所述标准化因子：其中，为标准化因子；τgNB1_gNB2为第一基站和第二基站之间的真实时延；为第一预估距离；为第二预估距离；c为光速；
并且，应用如下算式计算所述标准距离：
其中，为空中飞行器与第一基站的标准距离，为空中飞行器与第二基站之间的标准距离，为空中飞行器的飞行高度的平方。
一种存储介质，其特征在于，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的空中飞行器的定位方法的步骤。
本发明提供的一种空中飞行器的定位方法、定位装置及其存储介质，能够根据小型空中飞行器的使用特点，结合其飞行的垂直高度对其定位结果进行校正，与现有的定位技术之间具有良好的兼容性。整个定位计算方法能够很好的提升在水平高度和垂直高度上的定位准确性，计算复杂度低。
附图说明
图1为应用三个基站的OTDOA定位的原理示意图；
图2为应用两个基站的OTDOA定位的原理示意图；
图3为本发明具体实施例的空中飞行器的OTDOA定位的示意图；
图4为本发明具体实施例的定位方法的方法流程图；
图5为本发明具体实施例的定位方法步骤200的方法流程图。
具体实施方式
本发明提供一种空中飞行器的定位方法、定位装置及存储介质。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是基于OTDOA定位技术的改进。其结合使用RTT和空中飞行器的飞行高度对OTDOA在水平和垂直方向上的定位信息进行校正，从而提高最终的定位精度。OTDOA(到达的观测时间差异)是一个定位技术，在9E-UTRA(LTE)中介绍。该方法是一个多点定位技术，用户设备确定来自不同基站(如eNBs)的特定信号的时间差异，并将这些时间差异报告给网络中的某个特定设备(ESMLC)。该设备可以基于该时间差异以及已知的基站位置，计算用户设备的位置。对于每对基站之间的TDOA测量可以他通过双曲线进行描述，其中如图2所示，为了确定某个点的位置(用户设备)，该方法至少需要两个基站作为已知点，通过双曲线函数确定。图1为扩展至三个基站时的用户设备定位示意图。其中A、B、C分别为基站A、基站B和基站C，a为用户设备到基站A的距离，b为用户设备到基站B的距离，c为用户设备到基站C的距离。其中a-c、b-c、a-c的数值均为常数。
图2为本发明具体实施例中应用两个基站的OTDOA定位的原理示意图。其中，A为双曲线函数与X轴的交点，B为双曲线函数与X轴的交点，P为用户设备，F1为双曲线靠近A侧的焦点，F2为双曲线靠近B侧的焦点。
图3为本发明具体实施例的空中飞行器在实际定位时的示意图。如图3所示，由于空中飞行器具有较高的垂直高度。因此，其与第一基站和第二基站之间的直线距离并非上述OTDOA所要求的直线距离(不在同一个平面上)。为了校正这种非同一平面的误差，需要使用特定的转化方法，将其转换至同一个参考平面中进行计算，从而确保定位位置可以被精确的计算。
图4为本发明实施例提供的空中飞行器的定位方法。如图4所示，所述方法包括如下步骤：
S100、测算空中飞行器与至少两个基站之间的预估距离。该预估距离是指通过发送特定的信号进行的，与某个基站进行通信后，获得的用户设备与某个基站之间的直线距离。
在本实施例中，所述用户设备为无人机。当然，该用户设备也可以是其他不同类型的小型空中飞行器。
具体的，可以应用往返时延测量方法(即RTT)，测算空中飞行器与第一基站之间的第一预估距离和空中飞行器与第二基站之间的第二预估距离。
S200、根据所述预估距离，计算标准化因子。所述标准化因子用于衡量所述预估距离与空中飞行器与基站之间的真实距离的差别。
由于在步骤A的测量过程中，信号的传播可能会受到许多不同的环境因素的影响。因此，需要根据一些已知的知识，对根据信号往返时间测算的估计距离进行调整，排除环境因素造成的一些干扰，获得更准确的距离值。
S300、根据所述标准化因子以及空中飞行器的飞行高度，将所述预估距离转换为在参考平面中，空中飞行器与基站之间的标准距离。
在确定了较为可靠的真实距离以后，如图3所示，需要对这一距离进行转换，转换到同一参考平面中从而保证无人机的位置计算正确。
在本实施例中，具体可以采用多种不同的方法来确定空中飞行器的飞行高度，例如气压传感器或者其他类型的传感器。飞行高度是空中飞行器在使用过程中的常规技术参数，其具体获得的过程或者方法并非本发明实施例所关注的技术特征，为了陈述简便，在此不作进一步论述。
S400、根据所述标准距离，应用OTDOA定位算法，计算所述空中飞行器的定位信息。在将真实距离转换为同一参考平面上的标准距离后，即可运用如图2或者图1所示的定位算法，计算无人机的位置信息。
应当说明的是，虽然图2和图1仅显示了两个和三个基站状态下，对于无人机的位置信息的计算过程。但是，该方法还可以很容易的拓展到其他数量的基站的计算中。随着基站的数量越多，位置定位结果也越准确。
具体的，如图5所示，所述步骤S200具体包括：
S210、选中空中飞行器与两个不同基站的第一预估距离和第二预估距离。在实际的操作过程中，由于步骤S300中的转换步骤。因此，需要首先选择其中的两个预估距离进行计算。该选择是任意选择的。
S220、根据所述第一预估距离和第二预估距离，计算对应的标准化因子。
S230、在步骤S300执行完毕以后，将其中一个基站更新为另一个未被选中的基站并重复执行步骤S220和步骤S300，直至获得空中飞行器与所有基站之间的标准距离。
在一些实施例中，可能存在有多个不同的基站。本实施例采用的方式是首先将其中的两个基站进行转换，然后，再加入一个新的基站，转换到同一平面。最终实现全部基站均转换到同一参考平面中。
以下结合具体实施例，详细描述上述空中飞行器的定位方法的具体执行过程：
首先，可以通过RTT对空中飞行器和基站之间的距离进行测量，估计空中飞行器与不同的基站之间的距离，并选取与其中的两个基站之间的预估距离。
该第一预估距离和第二预估距离分别通过如下算式(1)和(2)计算：
其中，为第一预估距离，为第二预估距离，c为光速，τRTT_UE_gNB1为用户设备与第一基站之间的时延，τRTT_UE_gNB2为用户设备与第二基站之间的时延。
在计算获得所述第一预估距离和第二预估距离以后，根据已知的第一基站和第二基站之间的位置关系，可以应用算式(3)计算所述标准化因子：
其中，为标准化因子；τgNB1_gNB2为第一基站和第二基站之间的真实时延；为第一预估距离；为第二预估距离；c为光速。
在获得标准化因子以及预估距离以后，无人机可以通过气压传感器等方式，确定自己当前的高度参数，并应用算式(4)和(5)计算所述标准距离，将无人机与第一基站和第二基站之间的距离转换到同一参考平面的标准距离：
其中，为空中飞行器与第一基站的标准距离，为空中飞行器与第二基站之间的标准距离，为空中飞行器的飞行高度的平方。
另外，还可以通过算式(6)计算第一基站和第二基站在该参考平面上的标准距离：
在选择计算了其中两个基站的标准距离以后，还可以进一步的选择另一个基站，从而扩展到三个或者更多的基站，计算用户设备(无人机)在参考平面上与各个基站之间的标准距离以及各个基站之间的标准距离。
基于上述实施例提供的定位方法，本发明还提供一种存储介质，其中，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述任一实施例公开的所述空中飞行器的定位方法的步骤。
基于上述实施例提供的定位方法，本发明还进一步提供了空中飞行器的定位装置。其中，包括处理器，适于实现各指令；以及
存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述任一实施例公开的所述空中飞行器的定位方法的步骤。
综上所述，本发明实施例提供的空中飞行器的定位方法、定位装置及其存储介质，能够根据小型空中飞行器的使用特点，结合其飞行的垂直高度，将真实距离转换到相同的参考平面上的标准距离，从而实现对定位结果的校正。
该方法与现有的OTDOA定位技术和RTT技术之间具有良好的兼容性。整个定位计算方法能够很好的提升在水平高度和垂直高度上的定位准确性，计算复杂度低。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种空中飞行器的定位方法，其特征在于，所述方法包括：
A、测算空中飞行器与至少两个基站之间的预估距离；
B、根据所述预估距离，计算标准化因子；所述标准化因子用于衡量所述预估距离与空中飞行器与基站之间的真实距离的差别；
C、根据所述标准化因子以及空中飞行器的飞行高度，将所述预估距离转换为在参考平面中，空中飞行器与基站之间的标准距离；
D、根据所述标准距离，应用OTDOA定位算法，计算所述空中飞行器的定位信息。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
B1、选中空中飞行器与两个不同基站的第一预估距离和第二预估距离；
B2、根据所述第一预估距离和第二预估距离，计算对应的标准化因子；
B3、在步骤C执行完毕以后，将其中一个基站更新为另一个未被选中的基站并重复执行步骤B2和步骤C，直至获得空中飞行器与所有基站之间的标准距离。
3.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
应用往返时延测量方法，测算空中飞行器与第一基站之间的第一预估距离和空中飞行器与第二基站之间的第二预估距离。
4.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于，所述步骤B2具体包括：
应用如下算式计算所述标准化因子：
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其中，为标准化因子；τgNB1_gNB2为第一基站和第二基站之间的真实时延；为第一预估距离；为第二预估距离；c为光速。
5.根据权利要求4所述的定位方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
应用如下算式计算所述标准距离：
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</msqrt>
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其中，为空中飞行器与第一基站的标准距离，为空中飞行器与第二基站之间的标准距离，为空中飞行器的飞行高度的平方。
6.一种空中飞行器的定位装置，其特征在于，包括：处理器，适于实现各指令；以及
存储设备，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如下操作：
测算空中飞行器与至少两个基站之间的预估距离；
根据所述预估距离，计算标准化因子；所述标准化因子用于衡量所述预估距离与空中飞行器与基站之间的真实距离的差别；
根据所述标准化因子以及空中飞行器的飞行高度，将所述预估距离转换为在参考平面中，空中飞行器与基站之间的标准距离；
根据所述标准距离，应用OTDOA定位算法，计算所述空中飞行器的定位信息。
7.根据权利要求6所述的定位装置，其特征在于，所述处理器具体用于：选中空中飞行器与两个不同基站的第一预估距离和第二预估距离；根据所述第一预估距离和第二预估距离，计算对应的标准化因子；并且在所述标准距离计算完毕以后，将其中一个基站更新为另一个未被选中的基站并重新计算所述标准距离，直至获得空中飞行器与所有基站之间的标准距离。
8.根据权利要求7所述的定位装置，其特征在于，所述处理器具体用于：应用往返时延测量方法，测算空中飞行器与第一基站之间的第一预估距离和空中飞行器与第二基站之间的第二预估距离。
9.根据权利要求8所述的定位装置，其特征在于，所述处理器具体用于：应用如下算式计算所述标准化因子：
其中，为标准化因子；τgNB1_gNB2为第一基站和第二基站之间的真实时延；为第一预估距离；为第二预估距离；c为光速；
并且，应用如下算式计算所述标准距离：
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其中，为空中飞行器与第一基站的标准距离，为空中飞行器与第二基站之间的标准距离，为空中飞行器的飞行高度的平方。
10.一种存储介质，其特征在于，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如权利要求1-5任一项所述的空中飞行器的定位方法的步骤。
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| RU2750983C1 (ru) * | 2020-11-06 | 2021-07-07 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Способ определения ортогональных составляющих векторов скоростей и способ определения координат двух космических аппаратов с использованием земных станций |
| RU2805667C1 (ru) * | 2023-04-03 | 2023-10-23 | федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная орденов Жукова и Ленина Краснознаменная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Способ определения координат космического аппарата с использованием земных станций и излучающей опорной реперной станции |
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