CN108449793A - 一维定位基站及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线电定位领域，尤其涉及一种一维定位基站及定位方法。通过在一个定位基站上设置测距模块与监听模块，在测距模块完成与标签卡无线交互的同时，监听模块也记录了测距请求信号和测距应答信号的到达时间戳，根据标签卡、测距模块以及监听模块所记录的时间戳信息，实现了在计算标签卡与定位基站之间距离的同时也完成对标签卡相对于定位基站的方向的判断，结合定位基站自身的位置信息，可以实现在一维环境下对标签卡的精确位置信息的获取。根据本发明提供的技术方案，可以同时完成单基站两侧的定位，且标签卡与定位基站只需进行单次测距，测距耗时缩短，从而增加标签卡的续航时间，同时也减少了无线信道的占用，增加了系统中标签卡的容量。

Description

一维定位基站及定位方法
技术领域
本发明涉及无线电定位领域，尤其涉及一种一维定位基站及定位方法。
背景技术
针对矿井，隧道等一维环境定位应用领域，现有技术中常采用如下定位方式或装置对人员进行定位：
1、TOF定位方法：使用两个测距装置，根据标签卡与两个不同的测距装置之间的距离来确定标签卡相对于两个测距装置的位置；
2、申请号为201710470536.3的《一种TOF一维定位基站及定位方法》专利申请文件中公开的在一个定位基站设置一个主射频和一个辅射频两个射频模块，通过两条等长的馈线分别连接两个射频天线来对标签卡进行定位；
3、TDOA定位方法：在隧道、矿井等一维环境下设置两个定位基站，通过标签卡发射信号分别到达两个定位基站之间的时间差来确定标签卡的位置；
4、利用既能测量标签卡与基站的距离又能测量标签卡信号到达基站天线的角度的单个基站对标签卡定位。
然而，这些设计存在以下问题和缺点：针对第1种现有技术方案，标签卡需要进行两次测距的操作，不仅增加了无线信道的占用，同时，也会使得标签卡的功耗加倍，减少了标签卡的续航时间，此外由于需要安装两个测距装置，在实际用中布置和取电也相对困难；对于第2种现有技术方案，实际上可以认为是基于第一种现有技术方案提到的测距装置的简单组合，存在的问题也一样，此外，对于使用两条等长的馈线与射频天线连接，在实际应用中，很难实现完全等长的要求，即定位随时可能造成误差；第3种现有技术方案中，两个定位基站需要实现时钟同步，才能保证有效的时间戳信息，且要保证标签卡的信号能够到达两个定位基站，两个定位基站之间的距离设置也受到限制；对于第4种现有的技术方案，因为采用AOA定位，采用单个基站就能确定标签卡的位置，但因基站需要完成180度的来向判断，单个基站在结构上与常用的测距基站存在差异，硬件上的成本较高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种一维定位基站及定位方法，其目的在于，提供一种单基站结构，可以同时完成单基站两侧的定位，且标签卡与基站只需进行单次测距，从而增加标签卡的续航时间，同时也减少了无线信道的占用，增加了系统中对标签卡的容量。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种一维定位基站，用于对标签卡定位，包括测距模块、监听模块、第一射频天线、第二射频天线、时钟单元以及网络接口单元；所述时钟单元为测距模块和监听模块提供相同的时钟，测距模块与第一射频天线电性连接，监听模块与第二射频天线电性连接，所述测距模块用于与标签卡进行无线交互并记录信号发送和接收时间戳，监听模块用于接收信号并记录标签与测距模块交互过程中的信号到达时间戳，网络接口单元用于定位基站与定位引擎或服务器的通信连接。
进一步的，所述测距模块还用于接收标签卡回传的定位信息，所述定位信息包括标签卡接收和发送信号记录的时间戳信息，或者标签卡计算出的标签卡与定位基站之间的距离信息。
进一步的，所述测距模块包括无线收发器和第一控制处理器，所述监听模块包括射频接收机和第二控制处理器，无线收发器与第一控制处理器连接，射频接收机与第二控制处理器连接。
进一步的，所述测距模块和监听模块的控制处理器均与网络接口单元电性连接。
优选的，所述定位基站还包括解算单元，用于根据时间戳信息结合基站的位置信息，解算标签卡在一维定位应用场景中的位置坐标。
一种一维定位基站，包括测距模块、监听模块、第一射频天线、第二射频天线、时钟单元以及网络接口单元；所述时钟单元为测距模块和监听模块提供相同的时钟，测距模块与第一射频天线电性连接，监听模块与第二射频天线电性连接，所述测距模块用于与标签卡进行无线交互并记录信号发送和接收时间戳，监听模块用于接收信号并记录信号到达时间戳，网络接口单元用于定位基站与定位引擎或服务器的通信连接。
优选的，所述测距模块为无线收发器，所述监听模块为射频接收机。
进一步的，定位基站还包括控制处理模块，测距模块、监听模块以及网络接口单元分别与控制处理模块连接，控制处理模块控制测距模块、监听模块和网络接口单元工作。
进一步的，控制处理模块还用于根据测距单元获取的定位信息和记录的时间戳以及监听单元记录的时间戳解算标签卡在一维定位应用场景中的位置坐标。
所述网络接口单元包括无线wifi通信单元或以太网接口。
所述第一射频天线和第二射频天线相同。
基于所述一维定位基站的一维定位方法，包括以下步骤：
步骤一：由测距模块广播测距请求信号，并记录测距请求信号发送时间戳；
步骤二：标签卡和监听模块各自记录测距请求信号接收时间戳；
步骤三：由标签卡广播测距应答信号，并记录测距应答信号发送时间戳；
步骤四：监听模块记录测距应答信号到达时间戳；测距模块接收由标签卡发送的测距应答信号携带的定位信息并记录测距应答信号接收时间戳；
步骤五：利用相关时间戳信息解算标签卡的位置坐标，所述相关时间戳信息包括测距模块与标签卡记录的发送信号和接收信号的时间戳信息以及监听模块记录的信号到达时间戳信息。
基于所述一维定位基站的一维定位方法，包括以下步骤：
步骤A：由标签卡广播测距请求信号，并记录测距请求信号发送时间戳；
步骤B：测距模块和监听模块各自记录测距请求信号接收时间戳；
步骤C：由测距模块广播测距应答信号，并记录测距应答信号发送时间戳；
步骤D：监听模块记录测距应答信号到达时间戳，标签卡接收测距模块发送的测距应答信号携带的时间戳信息并记录测距应答信号接收时间戳，计算定位基站与标签卡之间的距离并将距离信息回传至定位基站，所述测距模块发送的测距应答信号携带的时间戳信息包括测距模块记录的测距请求信号接收时间戳和测距应答信号发送时间戳；
步骤E：解算标签卡的位置坐标。
优选的，将步骤D中所述的计算定位基站与标签卡之间的距离并将距离信息回传至定位基站替换为将标签卡接收和发送信号记录的时间戳信息回传至定位基站。
其中所述解算标签卡的位置坐标采用以下两种方式之一：
方式一：通过定位基站的解算单元或者控制处理模块解算标签卡的位置坐标；
方式二：定位基站通过网络接口单元将定位数据上传至定位引擎，由定位引擎解算标签卡的位置坐标。
其中所述解算标签卡的位置坐标的方法包括：
根据测距模块与标签卡记录的时间戳信息计算标签卡与定位基站之间的距离；
同时根据测距模块与监听模块记录的时间戳信息结合第一射频天线与第二射频天线之间的距离确定标签卡相对于定位基站的方向，所述标签卡相对于定位基站的方向指的是标签卡位于定位基站的左侧或者右侧；
然后结合标签卡与定位基站之间的距离、标签卡相对于定位基站的方向以及定位基站的位置信息解算出标签卡的位置坐标。
在标签卡已计算出定位基站与标签卡之间的距离的前提下，解算标签卡的位置坐标的方法包括：
根据测距模块与监听模块记录的时间戳信息结合第一射频天线与第二射频天线之间的距离确定标签卡相对于定位基站的方向，所述标签卡相对于定位基站的方向指的是标签卡位于定位基站的左侧或者右侧；
根据确定的标签卡相对于定位基站的方向，结合标签卡与定位基站之间的距离信息以及定位基站的位置信息解算出标签卡的位置坐标。
由于本发明采用以上所述技术方案，至少可以得到以下有益效果：
1、通过在一个定位基站上设置测距模块与监听模块，在测距模块完成与标签卡无线交互的同时，监听模块也记录了测距请求信号和测距应答信号的到达时间戳，基于所述的一维定位方法，在获取标签卡与定位基站之间距离的同时也完成了对标签卡相对于定位基站的方向的判断，从而实现了在一维环境下对标签卡的精确位置信息的获取。
2、基于本发明的定位基站的结构和一维定位方法，标签卡只需要与一个测距模块进行测距，单次测距，测距耗时缩短，相对现有技术大大减少其定位流程，即增加了标签的续航，同时又减少了无线信道的占用，进而增加了系统标签的容量。
3、在一维定位的应用环境中，仅由一个基站就完成了位于基站两侧的待定位终端的定位和定向，使得基站的覆盖范围翻倍，大大减少了基站的部署量以及部署成本。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图1示出了本发明实施例一提供的一维定位基站的结构图；
附图2示出了本发明实施例二提供的一维定位基站的结构图；
附图3示出了本发明实施例三提供的一维定位基站的结构图；
附图4是本发明基于实施例一、二或三提供的一维定位基站对标签卡定位的第一种工作时序图；
附图5是本发明基于实施例一、二或三提供的一维定位基站对标签卡定位的第二种工作时序图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
对于本发明中提到的相关术语的说明：
1、所述的定位信息指的是标签卡接收和发送信号记录的时间戳信息，或者标签卡计算出的标签卡与定位基站之间的距离信息；
2、所述的相关时间戳信息指的是测距模块与标签卡记录的发送信号和接收信号的时间戳信息以及监听模块记录的信号接收时间戳信息；
3、所述标签卡的方向指的是标签卡位于定位基站的左侧或者右侧，本发明定义以从第一射频天线至第二射频天线的方向为从左至右的方向，同时定义定位基站左侧为坐标轴方向的负方向，定位基站右侧为坐标轴方向的正方向。
本发明的实施例一提供的是图1所示的一维定位基站的结构，包括测距模块、监听模块、第一射频天线、第二射频天线、时钟单元以及网络接口单元；所述时钟单元为测距模块和监听模块提供相同的时钟，测距模块与第一射频天线电性连接，监听模块与第二射频天线电性连接，所述测距模块用于与标签卡进行无线交互并记录信号发送和接收时间戳，监听模块用于接收信号并记录信号到达时间戳，网络接口单元用于定位基站与定位引擎或服务器的通信连接，其中测距模块还可用于接收标签卡回传的定位信息；该实施例中，所述的测距模块包括无线收发器和第一控制处理器，监听模块包括射频接收机和第二控制处理器,无线收发器与第一控制处理器连接，射频接收机与第二控制处理器连接，无线收发器受第一控制处理器控制其进行收发信号、记录时间戳信息的工作，射频接收机受第二控制器控制进行接收信号、记录时间戳信息的工作。测距模块和监听模块可以将相关时间戳信息采用无线wifi通信或者有线通信的方式通过网络接口单元上传至定位引擎解算出标签卡的位置坐标。
本发明的实施例二提供的是图2所示的一维定位基站的结构，包括测距模块、监听模块、第一射频天线、第二射频天线、时钟单元、解算单元以及网络接口单元；测距模块与第一射频天线电性连接，监听模块与第二射频天线电性连接，时钟单元为测距模块和监听模块提供相同的时钟，测距模块、监听模块的结构与实施例一中描述的相同，本实施例中两者还与解算单元连接，解算单元用于根据测距模块和监听模块记录的相关时间戳、定位基站的位置信息及其他定位信息解算标签卡的位置坐标，其中所述定位基站的位置信息可以从服务器中的数据存储单元获取，具体的通过网络接口单元与服务器通信。
本发明的实施例三提供的是图3所示的一维定位基站的结构，包括测距模块、监听模块、第一射频天线、第二射频天线、时钟单元、控制处理模块以及网络接口单元；测距模块与第一射频天线电性连接，监听模块与第二射频天线电性连接，时钟单元为测距模块和监听模块提供相同的时钟，测距模块、监听模块以及网络接口单元分别与控制处理模块连接，控制处理模块控制测距模块、监听模块和网络接口单元工作，所述测距模块为无线收发器，所述监听模块为射频接收机。基于该实施例所述的结构，解算标签卡的位置坐标可以通过定位基站控制处理模块解算，也可以通过网络接口单元将者定位数据上传至定位引擎解算。
基于以上实施例一至三中任意一个实施例提供的一维定位基站的结构，其中第一射频天线与第二射频天线之间的距离已知，且在设计时就可以获得具体数据。实际中，根据时间戳的精度信息可以调整第一射频天线与第二射频天线之间的距离，时间戳越精确，那么两者的距离可以做到越小。
本发明基于实施例一至三中任意一个实施例中所述一维定位基站结构对标签卡进行定位可以采用以下两种工作方式之一实现：
工作方式1：
提供的一维定位方法的第一种工作时序图如图4所示：
(1)由测距模块A发起测距请求，并记录测距请求信号发送时间戳tA，发送信号为广播信号，发送到标签卡X与监听模块B；
(2)监听模块B与标签卡X收到测距模块A的信号后，监听模块B和标签卡X分别记录测距请求接收信号时间戳rBA和rXA；
(3)标签卡X发送测距应答信号到测距模块A与监听模块B，同样为广播形式，并记录发送时间戳tXA；
(4)监听模块B接收到测距应答信号可以获得时间戳信息rB，测距模块A收到信号后，记录测距应答信号接收时间戳rA；
根据公式d＝c*t计算标签卡与定位基站之间的距离，其中：
在获取了标签卡与定位基站之间的距离信息之后，仍然不能确定标签卡的绝对位置，因为还要获取标签卡的方向，本发明中结合测距模块A与监听模块B之间的时间戳信息可以判断标签卡的方向，具体的判向方式为：
根据附图1-3之一所述的定位基站结构，由于测距模块A到监听模块B有：
则若标签卡在定位基站的左侧，有：
若标签卡在定位基站的右侧，则有：
化简后得到：
标签卡在定位基站的左侧，有：rA-rB-tA+rBA＝0
标签卡在定位基站的右侧，有
通过计算rA-rB-tA+rBA的值，就可以完成对于标签卡的方向的判断，从而结合距离信息d实现了对标签卡的精确位置坐标的获取。
工作方式2：
提供的一维定位方法的第二种工作时序图如图5所示：
(1)由标签卡X发起测距请求，并记录测距请求信号发送时间戳tXA，发送信号为广播信号，发送到测距模块A与监听模块B；
(2)监听模块B与测距模块A收标签卡X的信号后，监听模块B和测距模块A分别记录测距请求接收信号时间戳rB和rA；
(3)测距模块A发送测距应答信号到标签卡X与监听模块B，同样为广播形式，并记录发送时间戳tA；
(4)监听模块B接收到测距应答信号可以获得时间戳信息rBA，标签卡X收到信号后，记录测距应答信号接收时间戳rXA；
根据公式d＝c*t计算标签卡与定位基站之间的距离，其中：
采用基于第一种工作时序图的一维定位方法中相同的判向方法，通过计算rA-rB-tA+rBA的值，就可以完成对于标签卡的方向的判断，从而结合距离信息d实现了对标签卡的精确位置坐标的获取。
在本发明中，基于图4所示的第一种工作方式，所述标签卡的位置坐标可以是在实施例二中所述定位基站的解算单元或者实施例三中所述定位基站的控制处理模块中解算得到，也可以是定位基站通过网络接口单元将定位数据上传至定位引擎，由定位引擎解算得到。通过定位基站解算标签卡的位置坐标需要解算单元或者控制处理模块读取相关时间戳信息，并利用上述的距离公式和判向表达式的值结合定位基站位置信息解算得到，其中定位基站的位置信息从服务器的数据存储单元获取。
基于图5所示的第二种工作方式，所述标签卡与定位基站之间的距离可以在标签卡上按照以上所述的距离公式计算，标签卡将距离信息回传至定位基站，或者是通过标签卡将其记录的发送和接收信号的时间戳信息回传至定位基站，由定位基站计算标签卡与定位基站之间的距离，或者是在定位基站获取到相关时间戳之后通过网络接口单元将相关时间戳信息上传至定位引擎，由定位引擎解算；在获得标签卡与定位基站之间的距离的同时，定位基站或者定位引擎根据所述的判向表达式的值，结合定位基站的位置信息解算出标签卡的位置坐标。
具体的，解算标签卡的位置坐标方法如下：
假设一维应用场景与实际应用地图的夹角为θ，安装的定位基站全局坐标为(x0,y0)，基于以上所述一维定位方法已经获取到标签卡A在定位基站左侧且与定位基站之间的距离为dA，标签卡B在定位基站的右侧且与定位基站之间的距离为dB，则利用基站的全局坐标信息，可以得到标签卡A和标签卡B在地图中的位置坐标分别为(xA,yA)，(xB,yB)；其中xA＝x0-dA×cosθ，yA＝y0-dA×sinθ；xB＝x0+dB×cosθ，yB＝y0+dB×sinθ。
以上所述的具体实施方式，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，以上所述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 (16)

1.一种一维定位基站，用于对标签卡定位，其特征在于，包括测距模块、监听模块、第一射频天线、第二射频天线、时钟单元以及网络接口单元；所述时钟单元为测距模块和监听模块提供相同的时钟，测距模块与第一射频天线电性连接，监听模块与第二射频天线电性连接，所述测距模块用于与标签卡进行无线交互并记录信号发送和接收时间戳，监听模块用于接收信号并记录标签与测距模块交互过程中的信号到达时间戳，网络接口单元用于定位基站与定位引擎或服务器的通信连接。
2.根据权利要求1所述的一维定位基站，其特征在于，所述测距模块还用于接收标签卡回传的定位信息，所述定位信息包括标签卡接收和发送信号记录的时间戳信息，或者标签卡计算出的标签卡与定位基站之间的距离信息。
3.根据权利要求1或2所述的一维定位基站，其特征在于，所述测距模块包括无线收发器和第一控制处理器，所述监听模块包括射频接收机和第二控制处理器，无线收发器与第一控制处理器连接，射频接收机与第二控制处理器连接。
4.根据权利要求3所述的一维定位基站，其特征在于所述测距模块和监听模块的控制处理器均与网络接口单元电性连接。
5.根据权利要求4所述的一维定位基站，其特征在于还包括解算单元，用于根据时间戳信息结合基站的位置信息，解算标签卡在一维定位应用场景中的位置坐标。
6.根据权利要求1或2所述的一维定位基站，其特征在于，所述测距模块为无线收发器，所述监听模块为射频接收机。
7.根据权利要求6所述的一维定位基站，其特征在于还包括控制处理模块，测距模块、监听模块以及网络接口单元分别与控制处理模块连接，控制处理模块控制测距模块、监听模块和网络接口单元工作。
8.根据权利要求7所述的一维定位基站，其特征在于控制处理模块还用于根据测距模块获取的定位信息和记录的时间戳以及监听模块记录的时间戳解算标签卡在一维定位应用场景中的位置坐标。
9.根据权利要求1、2、4、5、7或8所述的一维定位基站，其特征在于，所述网络接口单元包括无线wifi通信单元或以太网接口。
10.根据权利要求9所述的一维定位基站，其特征在于，所述第一射频天线和第二射频天线相同。
11.基于权利要求10所述一维定位基站的一维定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：由测距模块广播测距请求信号，并记录测距请求信号发送时间戳；
步骤二：标签卡和监听模块各自记录测距请求信号接收时间戳；
步骤三：由标签卡广播测距应答信号，并记录测距应答信号发送时间戳；
步骤四：监听模块记录测距应答信号到达时间戳；测距模块接收由标签卡发送的测距应答信号携带的定位信息并记录测距应答信号接收时间戳；
步骤五：利用相关时间戳信息解算标签卡在一维定位应用场景中的位置坐标，所述相关时间戳信息包括测距模块与标签卡记录的发送信号和接收信号的时间戳信息以及监听模块记录的信号到达时间戳信息。
12.基于权利要求10所述定位基站的一维定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A：由标签卡广播测距请求信号，并记录测距请求信号发送时间戳；
步骤B：测距模块和监听模块各自记录测距请求信号接收时间戳；
步骤C：由测距模块广播测距应答信号，并记录测距应答信号发送时间戳；
步骤D：监听模块记录测距应答信号到达时间戳，标签卡接收测距模块发送的测距应答信号携带的时间戳信息并记录测距应答信号接收时间戳，计算定位基站与标签卡之间的距离并将距离信息回传至定位基站，所述测距模块发送的测距应答信号携带的时间戳信息包括测距模块记录的测距请求信号接收时间戳和测距应答信号发送时间戳；
步骤E：解算标签卡的位置坐标。
13.根据权利要求12所述的一维定位方法，其特征在于将步骤D中所述的计算定位基站与标签卡之间的距离并将距离信息回传至定位基站替换为将标签卡接收和发送信号记录的时间戳信息回传至定位基站。
14.根据权利要求11至13之一所述的一维定位方法，其特征在于所述解算标签卡的位置坐标采用以下两种方式之一：
方式一：通过定位基站的解算单元或者控制处理模块解算标签卡的位置坐标；
方式二：定位基站通过网络接口单元将定位数据上传至定位引擎，由定位引擎解算标签卡的位置坐标。
15.根据权利要求11或13所述的一维定位方法，其特征在于所述解算标签卡的位置坐标包括：
根据测距模块与标签卡记录的时间戳信息计算标签卡与定位基站之间的距离；同时根据测距模块与监听模块记录的时间戳信息结合第一射频天线与第二射频天线之间的距离确定标签卡相对于定位基站的方向，所述标签卡相对于定位基站的方向指的是标签卡位于定位基站的左侧或者右侧；
然后结合标签卡与定位基站之间的距离、标签卡相对于定位基站的方向以及定位基站的位置信息解算出标签卡的位置坐标。
16.根据权利要求12所述的一维定位方法，其特征在于所述解算标签卡的位置坐标包括：
根据测距模块与监听模块记录的时间戳信息结合第一射频天线与第二射频天线之间的距离确定标签卡相对于定位基站的方向，所述标签卡相对于定位基站的方向指的是标签卡位于定位基站的左侧或者右侧；
根据确定的标签卡相对于定位基站的方向，结合标签卡与定位基站之间的距离信息以及定位基站的位置信息解算出标签卡的位置坐标。
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