CN107948916B - 多波束定位方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多波束定位方法、装置及系统，其中，多波束定位方法包括：在多组对立方向上采用定向天线接收待定位信号点发送的波束信号，并计算多组对立方向的波束信号的场强；计算每组对立方向的波束信号的场强差值，当场强差值大于设定阈值时，将每组对立方向中场强值较大的方向所对应的区域，确定为待定位信号点所在的初始位置区域；将待定位信号点在每组对立方向中所属的初始位置区域的重合区域，确定为待定位信号点的相对位置区域。

Description

多波束定位方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及信号定位领域，具体涉及一种多波束定位方法、装置及系统。

背景技术

RSSI(Received Signal Strength Indication)是指接收的信号强度指示，通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术

目前，根据接收到的RSSI值，计算信号接收端与信号发射端之间的距离，通常采用如下传统方法计算，即利用信号在空间中的大尺度衰落来进行距离的拟合，从理论和实际测量来说，如果是采用自由空间模型(free space model)，平均的接收信号功率RSSI值随着距离的增加呈对数下降。

自由空间模型可以用Friis free space equation来表示：

P_r(d)＝(P_tG_tG_rλ²)/[(4π)²d²γ]

其中G_t、G_r分别表示发射和接收天线的增益，λ是信号的波长，γ是无线环境的衰落因子，接收信号的功率P_r(d)是距离d的函数。进一步简化这个模型，将上式进行重写，得到新的公式：

P_r(d)dBm＝10log[P_r(d₀)dBW/0.001W]+20log(d₀/d)

其中d≥d₀，这里是指的远场距离(由天线的线性尺寸和波长来决定)。

然后直接采用RSSI值代入上述公式即可得到信号接收端与信号发射端之间的距离。

但是，无线信号在传输过程中，易受外部环境影响(如物体遮挡、多径效应等等)，导致信号场强在大尺度衰落过程中和距离不是成比例，这种基于大尺度衰落(Large-scalefading)来进行距离测算的方式虽然可以计算出信号接收端与信号发射端之间的距离，但是由于信道的随机性以及该考虑的场景是移动物体场景，即通常情况下接收端或发射端有一端是移动的，所以不可避免的小尺度衰落(Small-scalefading)会带来很大的抖动，导致定位不准，同时，传统的自由空间模型对于移动应用场景是不能完全匹配的，基于大尺度衰落Large-scalefading来进行距离测算得到的距离值是不够准确的。

图1为现有技术中基于大尺度衰落定位的三角形算法示意图，如图1所示，以三边定位算法为例，分别以已知位置的3个AP为圆心，以待测标签的距离最近参考AP的距离为半径作圆，所得的3个圆的交点为D。设位置节点D(x，y)，已知A、B、C三点的坐标为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)。根据信号场强可推算出它们到D的距离分别是d₁、d₂、d₃，则D到位置可以通过下列方程中的任意两个进行求解。

但是在实际应用中，由于基于外部影响导致的信号场强大尺度衰落来进行距离测算，三个圆交于一点的情况很难存在，这会导致方程无解，无法定位出待测目标的位置。

发明内容

为了解决现有基于大尺度衰落进行距离测算得到的距离值不够准确的问题，本发明提出了一种多波束定位方法、装置及系统。

为了达到上述目的，本发明提出了一种多波束定位方法，包括：S100，在多组对立方向上采用定向天线接收待定位信号点发送的波束信号，并计算所述多组对立方向的波束信号的场强；其中，所述多组对立方向包括至少三组对立方向；S200，计算每组对立方向的波束信号的场强差值，当所述场强差值大于设定阈值时，将每组对立方向中场强值较大的方向所对应的区域，确定为所述待定位信号点所在的初始位置区域；S300，将所述待定位信号点在所述每组对立方向中所属的初始位置区域的重合区域，确定为所述待定位信号点的相对位置区域。

进一步的，所述多组对立方向在空间中平均分布，所述每组对立方向所对应的区域大小相同。

进一步的，在相对位置区域中，重新执行步骤S100至步骤S300，对待定位信号点的相对位置区域进行进一步限缩。

为了达到上述目的，本发明提出了一种多波束定位装置，包括：场强计算模块，用于在多组对立方向上采用定向天线接收待定位信号点发送的波束信号，并计算所述多组对立方向的波束信号的场强；其中，所述多组对立方向包括至少三组对立方向；初始位置区域确定模块，用于计算每组对立方向的波束信号的场强差值，当所述场强差值大于设定阈值时，将每组对立方向中场强值较大的方向所对应的区域，确定为所述待定位信号点所在的初始位置区域；相对位置区域计算模块，用于将所述待定位信号点在所述每组对立方向中所属的初始位置区域的重合区域，确定为所述待定位信号点的相对位置区域。

进一步的，所述多组对立方向在空间中平均分布，所述每组对立方向所对应的区域大小相同。

为了达到上述目的，本发明提出了一种多波束定位装置，包括：多组定向天线，通信单元及处理单元；多组定向天线，用于获取信号点广播的多组对立方向的波束信号；其中，所述多组对立方向包括至少三组对立方向；通信单元，用于接收多组对立方向的波束信号，并将多组对立方向的波束信号发送至处理单元；处理单元，用于根据多组对立方向的波束信号，计算多组对立方向的波束信号的场强及信号点的相对位置区域。

进一步的，还包括电源单元，用于为处理单元供电。

进一步的，还包括主控板，电源单元、处理单元、通信单元安置于主控板上。

进一步的，通信单元由一个或者多个通信芯片组成，通信芯片类型包括2.4GHz、蓝牙、WIFI、Zegbee。

为了达到上述目的，本发明提出了一种多波束定位系统，包括多波束定位装置，多个多波束定位装置采用组网方式确定信号点的位置区域。

本发明的有益效果在于，通过多波束定位装置可以克服基于大尺度衰落进行测距不准的问题，并且该实现方法简单，多个多波束定位装置可通过组网方式提高区域定位精度，可大量应用于各种场景的室内外定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中基于大尺度衰落定位的三角形算法示意图。

图2为本发明实施例的多波束定位方法的流程图。

图3为本发明实施例的多波束定位装置的结构框图。

图4为本发明实施例的多波束定位装置的结构示意图

图5为本发明另一实施例的多波束定位装置的结构示意图。

图6为本发明实施例的多波束定位装置的工作原理示意图。

图7为本发明实施例的使用四波束定位的工作原理示意图。

图8为本发明实施例的使用四波束定位级联组网的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域相关技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

图2为本发明实施例的多波束定位方法的流程图，如图2所示，多波束定位方法包括：S100，在多组对立方向上采用定向天线接收待定位信号点发送的波束信号，并计算多组对立方向的波束信号的场强；S200，计算每组对立方向的波束信号的场强差值，当场强差值大于设定阈值时，将每组对立方向中场强值较大的方向所对应的区域，确定为待定位信号点所在的初始位置区域；S300，将待定位信号点在每组对立方向中所属的初始位置区域的重合区域，确定为待定位信号点的相对位置区域。

S100，在多组对立方向上采用定向天线接收待定位信号点发送的波束信号，并计算所述多组对立方向的波束信号的场强。待定位信号点的位置可以是移动的或固定的，其发送的波束信号在全部空间范围内传播。接收点获取多组对立方向的波束信号，其中，每组对立方向的波束信号包括两束于接收点处的朝向范围相反方向的信号，该朝向仅以接收点的方向作为参考。获取多组对立方向的波束信号后，对于每组对立方向的波束信号分别计算波束信号的场强。

S200，计算每组对立方向的波束信号的场强差值，当场强差值大于设定阈值时，将每组对立方向中场强值较大的方向所对应的区域，确定为待定位信号点所在的初始位置区域。该场强计算方式可以参考现有技术中，计算RSSI值的计算方法。由于每组对立方向将整个区域划分为两个对立区域，通过在该两对立方向上波束信号的场强大小，判断待定位信号点处于该两个对立方向所对应的区域中的哪一个。当场强差值大于设定阈值时，将每组对立方向中场强值较大的方向所对应的区域，确定为待定位信号点所在的初始位置区域。在具体实施过程中，多组对立方向在空间中平均分布，每组对立方向所对应的区域大小相同，由此可以更有利于确定待定位信号点的区域。

S300，将待定位信号点在每组对立方向中所属的初始位置区域的重合区域，确定为待定位信号点的相对位置区域。通过上述S200步骤后，获取了待定位信号点位于每组对立方向中所对应的初始位置区域，该初始位置区域具有多个。该待定位信号点的位置区域必定处于每一个初始位置区域内，所以将多个初始位置区域的重合区域确定为待定位信号点的位置区域，由此完成待定位信号点的定位过程。

在具体实施过程中，所述相对位置区域中，重新执行步骤S100至步骤S300，对所述待定位信号点的相对位置区域进行进一步限缩。为了提高待定位信号点所在区域的定位精度，在步骤S300确定的相对位置区域后，在该相对位置区域再执行步骤S100至步骤S300，对该相对位置区域进行进一步的细分，进而得到待定位信号点所在的更加细小的相对位置区域。技术人员可以根据定位精度的需要，在之前获得的相对位置区域中再次迭代执行步骤S100至步骤S300，多次执行后以获得更高精度的相对位置区域。

在介绍了本发明实施例的多波束定位方法之后，接下来，对本发明实施例的多波束定位装置进行介绍。该装置的实施可以参见上述方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的术语“模块”、“单元”，可以是实现预定功能的软件和/或硬件。

图3为本发明实施例的多波束定位装置的结构框图，如图3所示，多波束定位装置包括：场强计算模块100，用于在多组对立方向上采用定向天线接收待定位信号点发送的波束信号，并计算所述多组对立方向的波束信号的场强；初始位置区域确定模块200，用于计算每组对立方向的波束信号的场强差值，当所述场强差值大于设定阈值时，将每组对立方向中场强值较大的方向所对应的区域，确定为所述待定位信号点所在的初始位置区域；相对位置区域计算模块300，用于将所述待定位信号点在所述每组对立方向中所属的初始位置区域的重合区域，确定为所述待定位信号点的相对位置区域。

为了达到确定待定位信号点相对位置区域的目的，本发明提出了一种多波束定位装置。图4为本发明实施例的多波束定位装置的结构示意图，如图4所示，多波束定位装置，包括：多组定向天线10，通信单元20及处理单元30；多组定向天线10，用于获取待定位信号点广播的多组对立方向的波束信号；通信单元20，用于接收多组对立方向的波束信号，并将多组对立方向的波束信号发送至处理单元；处理单元30，用于根据多组对立方向的波束信号，计算多组对立方向的波束信号的场强及信号点的相对位置区域。

图5为本发明另一实施例的多波束定位装置的结构示意图，如图5所示，多波束定位装置除了多组定向天线、通信单元、处理单元，还包括电源单元、主控板，电源单元用于为处理单元供电，主控板，电源单元、处理单元、通信单元安置于主控板上。其中，处理单元由单片机组成，通过多波束信号场强进行定位计算；通信单元由一个或者多个通信芯片组成，芯片类型包括2.4GHz、蓝牙、WIFI、Zegbee等等，以实现多波束信号的接收。

图6为本发明实施例的多波束定位装置的工作原理示意图，结合图6，现对多波束定位装置的工作原理进行简要说明。多波束定位装置配置有n个天线，当待定位信号点在多波束定位装置的无线覆盖范围内广播无线信号时，多波束定位装置通过n个外置天线接收该广播无线信号，其中，该n个外置天线为定向天线，并且用于获取多组对立方向的波束信号，对立方向的波束信号用于判断待定位信号点位于该对立方向中的具体对应的区域，然后通过对多组对立区域筛选，确定待定位信号点所处的具体区域(区域1、区域2、区域3、区域4、……、区域n)。

以四波束为例，图7为本发明实施例的使用四波束定位的工作原理示意图，如图7所示，多波束定位装置配有两组定向天线，该两组定向天线包括4个定向天线，天线1与天线3为一组定向天线，天线2与天线4为一组定向天线。波束a、波束b、波束c及波束d分别为天线1、天线2、天线3及天线4所接收的波束。当每个定向天线接收到待定位信号点发送的波束信号后，计算每组对立方向的波束信号的场强，然后计算对立方向波束信号的场强差值，具体计算公式如下：

f(X₁,X₂)＝RSSI(X₁)-RSSI(X₂)

其中，f(X₁,X₂)为对立方向的场强差值，X₁方向与X₂方向为对立方向；RSSI(X₁)为X₁方向波束信号的场强；RSSI(X₂)为X₂方向波束信号的场强；当f(X₁,X₂)＞Φ时，Φ为场强变化阈值，则待定位信号点位于X₁方向。为了减少误判断的可能，只有对立方向的场强变化值大于Φ时，才会认为待定位信号点的位置区域变化。根据差值，确定待定位信号点处于的初始位置区域，例如，当f(a,c)＞Φ时，初始位置区域为区域1与区域2之和；当f(d,b)＞Φ时，初始位置区域为区域1与区域4之和。得到待定位信号点处于每组对立方向的初始位置区域后，进而确定初始位置区域的重合区域为待定位信号点的相对位置区域。具体情况如下所示：

(1)f(a,c)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域1；

(2)f(a,c)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域2；

(3)f(c,a)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域3；

(4)f(c,a)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域4。

图8为本发明实施例的使用四波束定位级联组网的示意图，如图8所示，以5个使用四波束定位的多波束定位装置进行组网方式定位为例，说明多个多波束定位装置进行定位的方式，具体说明如下：

每个多波束定位装置配有两组定向天线，该两组定向天线包括4个定向天线，天线1与天线3为一组定向天线，天线2与天线4为一组定向天线。波束a、波束b、波束c及波束d分别为天线1、天线2、天线3及天线4所接收的波束。该5个使用四波束定位的多波束定位装置采集不同接收点下的4个方向的波束信号，其将空间划分为16个区域。当每个定向天线接收到待定位信号点发送的波束信号后，计算每组对立方向的波束信号的场强，结合f(X₁,X₂)＝RSSI(X₁)-RSSI(X₂)，计算对立方向波束信号的场强差值。其中，f(X₁,X₂)为对立方向的场强变化值，X₁方向与X₂方向为对立方向；RSSI(X₁)为X₁方向波束信号的场强；RSSI(X₂)为X₂方向波束信号的场强；当f(X₁,X₂)＞Φ时，Φ为场强变化阈值，则待定位信号点位于X₁方向所对应的初始位置区域。例如，当多波束定位装置1的f(a,c)＞Φ时，初始位置区域为区域11、区域12、区域13、区域14、区域21、区域22、区域23、区域24之和；当多波束定位装置1的f(d,b)＞Φ时，初始位置区域为区域11、区域12、区域13、区域14、区域41、区域42、区域43、区域44之和；当多波束定位装置4的f(a,c)＞Φ时，初始位置区域为区域11、区域12、区域13、区域14、区域21、区域22、区域23、区域24、区域41、区域42、区域31、区域32之和；当多波束定位装置4的f(d,b)＞Φ时，初始位置区域为区域11、区域12、区域13、区域14、区域21、区域24、区域41、区域42、区域43、区域44、区域31、区域34之和。在得到待定位信号点处于每组对立方向的初始位置区域后，进而确定初始位置区域的重合区域为待定位信号点的相对位置区域。

具体情况如下所示：

(1)多波束定位装置1的f(a,c)＞Φ，f(d,b)＞Φ，且多波束定位装置2的f(a,c)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域11；

(2)多波束定位装置1的f(a,c)＞Φ，f(d,b)＞Φ，且多波束定位装置2的f(a,c)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域12；

(3)多波束定位装置1的f(a,c)＞Φ，f(d,b)＞Φ，且多波束定位装置2的f(c,a)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域13；

(4)多波束定位装置1的f(a,c)＞Φ，f(d,b)＞Φ，且多波束定位装置2的f(c,a)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域14；

(5)多波束定位装置1的f(a,c)＞Φ，f(b,d)＞Φ，且多波束定位装置3的f(a,c)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域21；

(6)多波束定位装置1的f(a,c)＞Φ，f(b,d)＞Φ，且多波束定位装置3的f(a,c)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域22；

(7)多波束定位装置1的f(a,c)＞Φ，f(b,d)＞Φ，且多波束定位装置3的f(c,a)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域23；

(8)多波束定位装置1的f(a,c)＞Φ，f(b,d)＞Φ，且多波束定位装置3的f(c,a)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域24；

(9)多波束定位装置1的f(c,a)＞Φ，f(b,d)＞Φ，且多波束定位装置4的f(a,c)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域31；

(10)多波束定位装置1的f(c,a)＞Φ，f(b,d)＞Φ，且多波束定位装置4的f(a,c)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域32；

(11)多波束定位装置1的f(c,a)＞Φ，f(b,d)＞Φ，且多波束定位装置4的f(c,a)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域33；

(12)多波束定位装置1的f(c,a)＞Φ，f(b,d)＞Φ，且多波束定位装置4的f(c,a)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域34；

(13)多波束定位装置1的f(c,a)＞Φ，f(d,b)＞Φ，且多波束定位装置5的f(a,c)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域41；

(14)多波束定位装置1的f(c,a)＞Φ，f(d,b)＞Φ，且多波束定位装置5的f(a,c)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域42；

(15)多波束定位装置1的f(c,a)＞Φ，f(d,b)＞Φ，且多波束定位装置5的f(c,a)＞Φ，f(b,d)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域43；

(16)多波束定位装置1的f(c,a)＞Φ，f(d,b)＞Φ，且多波束定位装置5的f(c,a)＞Φ，f(d,b)＞Φ，则待定位信号点的位置在多波束定位装置的区域44。

应当理解，本领域技术人员可以根据划分区域的精度以及多少调整多波束定位装置的数量以及每个多波束定位装置的定向天线的组数。

本发明的有益效果在于，通过多波束定位装置可以克服基于大尺度衰落进行测距不准的问题，并且该实现方法简单，多个多波束定位装置可通过组网方式提高区域定位精度，可大量应用于各种场景的室内外定位。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波束定位方法，其特征在于，包括：

S100，在多组对立方向上采用定向天线接收待定位信号点发送的波束信号，并计算所述多组对立方向的波束信号的场强；其中，所述多组对立方向包括至少三组对立方向；

S200，计算每组对立方向的波束信号的场强差值，当所述场强差值大于设定阈值时，将每组对立方向中场强值较大的方向所对应的区域，确定为所述待定位信号点所在的初始位置区域；

S300，将所述待定位信号点在所述每组对立方向中所属的初始位置区域的重合区域，确定为所述待定位信号点的相对位置区域。

2.根据权利要求1所述的多波束定位方法，其特征在于，所述多组对立方向在空间中平均分布，所述每组对立方向所对应的区域大小相同。

3.根据权利要求1所述的多波束定位方法，其特征在于，还包括：

在所述相对位置区域中，重新执行步骤S100至步骤S300，对所述待定位信号点的相对位置区域进行进一步限缩。

4.一种多波束定位装置，其特征在于，包括：

场强计算模块，用于在多组对立方向上采用定向天线接收待定位信号点发送的波束信号，并计算所述多组对立方向的波束信号的场强；其中，所述多组对立方向包括至少三组对立方向；

初始位置区域确定模块，用于计算每组对立方向的波束信号的场强差值，当所述场强差值大于设定阈值时，将每组对立方向中场强值较大的方向所对应的区域，确定为所述待定位信号点所在的初始位置区域；

相对位置区域计算模块，用于将所述待定位信号点在所述每组对立方向中所属的初始位置区域的重合区域，确定为所述待定位信号点的相对位置区域。

5.根据权利要求4所述的多波束定位装置，其特征在于，所述多组对立方向在空间中平均分布，所述每组对立方向所对应的区域大小相同。

6.一种多波束定位装置，其特征在于，包括：多组定向天线，通信单元及处理单元；

所述多组定向天线，用于获取信号点广播的多组对立方向的波束信号；其中，所述多组对立方向包括至少三组对立方向；

所述通信单元，用于接收所述多组对立方向的波束信号，并将多组对立方向的波束信号发送至所述处理单元；

所述处理单元，用于根据所述多组对立方向的波束信号，计算所述多组对立方向的波束信号的场强及所述信号点的相对位置区域。

7.根据权利要求6所述的多波束定位装置，其特征在于，还包括电源单元，用于为所述处理单元供电。

8.根据权利要求7所述的多波束定位装置，其特征在于，还包括主控板，所述电源单元、处理单元、通信单元安置于所述主控板上。

9.根据权利要求6所述的多波束定位装置，其特征在于，所述的通信单元由一个或者多个通信芯片组成，所述通信芯片类型包括2.4GHz、蓝牙、WIFI、Zegbee。

10.一种多波束定位系统，其特征在于，包括多个如权利要求4至9中任一项所述的多波束定位装置，所述多个多波束定位装置采用组网方式确定所述信号点的位置区域。

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