CN111343571A - 面向5g的融合uwb的一体化定位系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种面向5G的融合UWB的一体化定位系统及方法，其中系统的架构包括数据采集层、融合位置估计层、数据传输层和用户应用层，数据采集层完成5G信号及UWB信号的采集；融合位置估计层通过融合定位算法进行位置判断；数据传输层利用5G网络将位置数据传输至用户应用层和应用终端或定位服务器中；用户应用层则基于得到的位置信息开展位置服务应用。融合UWB单基站定位技术利用单个UWB定位基站即可实现高精度的室内定位能力，精度可以达到厘米级，同时基于5G运营商室内网络的大规模部署的有利条件，降低了系统的规模及部署成本，提高稳定性及鲁棒性，同时解决定位精度和定位覆盖两个问题，实现一体化的通信和定位覆盖。

Description

面向5G的融合UWB的一体化定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及监控技术领域，特别涉及一种面向5G的融合UWB的一体化定位系统及定位方法。
背景技术
基于全球卫星导航系统的定位技术已经广泛应用。然而，由于建筑物等对卫星定位信号的遮挡，导致室内定位精度无法满足其高精度定位要求。随着位置服务的兴起和广泛应用，用户对室内定位的精度提出了更高的要求，当前以室内定位为主要诉求点的定位技术，往往存在覆盖范围小、部署成本高等缺点。针对该问题，目前主要的方法是，将多个定位系统融合，能够有效克服各定位系统的特点，扩展适用范围，提高定位精度。然而，这种方法只是简单的将2种或3种定位系统叠加融合，解决定位精度或适用范围等某一方面的问题，缺少一种能够将多种定位技术融合在一起的，全面的、系统的、层次化的融合定位技术架构。
现有的3G/4G通信网设计原则、网络规划、信号的检测都只能满足通信需要，其中的很多原则都是和与定位需求是不一致的，本质上无法提供亚米级室内定位的能力。为了适应高精度室内定位的需求，美国联邦通讯委员会(FCC)、3GPP、IEEE等国际组织已将广域高精度室内定位确立为下一代移动通信技术的基础功能。IEEE 802.11成立了NGP(下一代定位)研究下一代高精度室内定位。中国IMT-2020(5G)推进组2015年2月发布的《5G概念白皮书》中把“移动互联网和物联网将成为5G发展的主要驱动力”作为5G系统需求基础，而高精度室内定位技术是未来移动互联网和物联网的重要核心业务之一。
超宽带(Ultra Wideband,UWB)技术是一种基于极窄脉冲的无线通信技术，采用纳秒级脉冲携带信息，时间分辨率极高，能够精确测距和精准定位，在室内高精度定位有了广泛的应用。现阶段基于UWB的定位系统大多采用到达时间(TOA)和到达时间差(TDOA)的定位方法，为了得到高精度的位置信息，系统需要至少3个或4个基站，并且依赖于这些基站布设的拓扑结构，同时，定位系统采用有线数据传输方式，这些都导致系统设备成本及布设成本的上升，使其应用受到一定限制。
智能化社会发展急需构建低成本、高精度的广域室内外定位服务系统。UWB技术由于其脉冲宽度仅为纳秒或亚纳秒级，在室内定位应用中定位精度能够达到厘米级，但通信距离较短和部署成本较高，使其应用受到一定限制，而以超密集组网、超低时延、大规模阵列天线等技术为代表的5G通信技术为解决这一问题提供了新的基础。
因此，有必要提供一种面向5G的融合UWB的一体化定位系统及定位方法，以5G通信网络为基础，充分利用5G异构定位架构，融合UWB单基站定位技术，为同时解决定位精度和定位覆盖两大核心问题提供了一种解决思路，实现一体化的通信和定位覆盖。
发明内容
本发明提出了一种面向5G的融合UWB的一体化定位系统，以5G通信网络为基础，充分利用5G异构定位架构，融合UWB单基站定位技术，为同时解决定位精度和定位覆盖两大核心问题提供了一种解决思路，实现一体化的通信和定位覆盖。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：该面向5G的融合UWB的一体化定位系统的架构包括数据采集层、融合位置估计层、数据传输层和用户应用层，所述数据采集层完成5G信号及UWB信号的采集，并将采集到的5G信号及UWB信号传输给所述融合位置估计层；所述融合位置估计层通过融合定位算法进行位置判断，获得位置信息；所述数据传输层利用5G网络将位置数据传输至用户应用层和应用终端或定位服务器中；所述用户应用层则基于得到的位置信息开展位置服务应用。其中数据传输层利用5G移动通信网覆盖范围大、延时低、设备兼容性高等特点，实现定位数据的无缝、实时传输。基于5G的通信网自身不但能够通信，而且能够支持高精度、高覆盖的定位。
作为本发明的优选技术方案，所述数据采集层包括5G基站和UWB单基站定位网元，所述UWB单基站定位网元包括UWB定位基站和UWB定位标签；所述UWB定位基站由UWB信号处理模块及阵列天线模块组成，所述UWB信号处理模块基于所述阵列天线接收到UWB信号的时差及相差信息计算得到相应的距离值及角度值，并通过定位算法计算得到所述UWB定位标签的位置信息。其中UWB定位基站可以和5G基站共站实现一体化的通信和定位覆盖，也可以以独立定位设备形态存在，支持接入5G网络。
作为本发明的优选技术方案，通过所述定位算法得到所述UWB定位标签的位置信息具体步骤为：设所述UWB信号处理模块基于所述阵列天线得到的距离值为d，角度值为θ，则利用下述公式：
Figure BDA0002403438320000031
即可得到UWB定位标签的位置信息(x,y)。
作为本发明的优选技术方案，所述融合位置估计层将5G定位系统和UWB定位系统融合，并通过融合定位算法进行位置判断，所述融合定位算法包括基于贝叶斯的融合定位方法或基于卡尔曼滤波的融合定位方法或带有反馈校正的融合定位方法。融合位置估计层将5G定位系统和UWB定位系统融合，能够有效减少定位盲区，提高定位精度。
作为本发明的优选技术方案，所述用户应用层根据用户的位置信息开展多种服务应用，包括铁路隧道或矿井的安全监测领域基于位置信息的人员安全防护，或自然灾害救援领域基于位置信息的人员搜救，或现代物流领域基于位置信息的物品实时定位跟踪。
采用上述技术方案，融合UWB单基站定位技术，利用单个UWB定位基站即可实现高精度的室内定位能力，精度可以达到厘米级，同时基于5G运营商室内网络的大规模部署的有利条件解决了传统UWB室内定位系统通信距离较短和部署成本较高的限制，极大降低了系统的规模及系统部署成本，在UWB定位盲区，通过建立5G局部增强网络实现亚米级定位，有效减小UWB定位盲区，提高系统的稳定性及鲁棒性，同时解决定位精度和定位覆盖两大核心问题，实现一体化的通信和定位覆盖。
本发明还要提出了一种面向5G的融合UWB的一体化定位系统，以5G通信网络为基础，充分利用5G异构定位架构，融合UWB单基站定位技术，为同时解决定位精度和定位覆盖两大核心问题提供了一种解决思路，实现一体化的通信和定位覆盖。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：该面向5G的融合UWB的一体化定位的方法，具体包括以下步骤：
(1)根据5G运营商室内网络的大规模部署融合UWB单基站定位网元；
(2)获取5G信号及UWB定位信号；
(3)根据步骤(2)获得的UWB定位信号为依据选取定位系统；
(4)将定位结果发放至5G网络，实现对外提供既有通信又有位置的一体化运营平台。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
S31判断采集到的UWB定位信号中是否存在UWB信号，若存在，则传输至UWB单基站定位系统进行定位解算，获得定位结果并输出；
S32判断采集到的UWB定位信号中是否存在UWB信号，若不存在，则采用5G局部增强定位系统进行解算，获得定位结果并输出。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S31中UWB单基站定位系统进行定位解算的具体步骤为：UWB信号处理模块根据阵列天线接收到UWB信号的时差及相差信息计算得到相应的距离值及角度值，并通过定位算法计算得到UWB定位标签的位置信息，最后输出定位结果。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤S32中5G局部增强系统对定位辅助参考信号(PRS)及CellID进行了增强，同时利用5G大规模天线技术和高分辨率波束，获得更精确的角度信息。有利于提高定位的精度。
与现有技术相比，本发明的具有以下有益效果：融合UWB单基站定位技术，利用单个UWB定位基站即可实现高精度的室内定位能力，精度可以达到厘米级，同时基于5G运营商室内网络的大规模部署的有利条件解决了传统UWB室内定位系统通信距离较短和部署成本较高的限制，极大降低了系统的规模及系统部署成本，在UWB定位盲区，通过建立5G局部增强网络实现亚米级定位，有效减小UWB定位盲区，提高系统的稳定性及鲁棒性，同时解决定位精度和定位覆盖两大核心问题，实现一体化的通信和定位覆盖；实现通信网和定位网一体化的目标。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种面向5G的融合UWB的一体化定位系统的架构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种基于面向5G的融合UWB的一体化定位系统的基于UWB单基站定位网元的结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的一种基于面向5G的融合UWB的一体化定位方法的流程图；
图4为本发明实施例2提供的一种面向5G的融合UWB的一体化定位方法的融合位置估算流程图；
其中11-数据采集层；12-融合位置估计层；13-数据传输层；14-用户应用层；21-定位基站；201-UWB信息处理模块；202-阵列天线；22-定位标签。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1：该面向5G的融合超宽带技术的高精度定位系统的系统架构示意图，如图1所示，该系统架构分为数据采集层11、融合位置估计层12、数据传输层13、用户应用层14等4个层次。其中，数据采集层11主要完成5G及UWB信号的采集，并将采集到的5G信号及UWB信号传输给所述融合位置估计层12；融合位置估计层12通过特定的融合定位算法进行位置估计，数据传输层13利用5G网络将定位数据传输至用户应用层14和应用终端或定位服务器中，用户应用层14则基于得到的位置信息开展相关位置服务应用。
其中，数据采集层11包括5G基站及UWB单基站定位网元，基于UWB单基站定位网元如图2所示，包括定位基站21和定位标签22，定位基站21包括UWB信息处理模块201及阵列天线202，UWB信息处理模块201基于阵列天线202接收到UWB信号的时差及相差信息得到定位标签22到定位基站21的距离值及角度值，并通过定位算法推算得到UWB定位标签的位置信息。定位基站21可以和5G基站共站实现一体化的通信和定位覆盖，也可以以独立定位设备形态存在，支持接入5G网络。通过所述定位算法得到所述UWB定位标签的位置信息具体步骤为：设所述UWB信号处理模块基于所述阵列天线得到的距离值为d，角度值为θ，则利用下述公式：
Figure BDA0002403438320000051
即可得到UWB定位标签的位置信息(x,y)。
融合位置估计层12将5G定位系统和UWB定位系统融合，并通过融合定位算法进行位置判断，所述融合定位算法包括基于贝叶斯的融合定位方法或基于卡尔曼滤波的融合定位方法或带有反馈校正的融合定位方法。融合位置估计层将5G定位系统和UWB定位系统融合，能够有效减少定位盲区，提高定位精度。
数据传输层13利用5G移动通信网覆盖范围大、延时低、设备兼容性高等特点，实现定位数据的无缝、实时传输；基于5G的通信网自身不但能够通信，而且能够支持高精度、高覆盖的定位。
用户应用层14根据用户的位置信息开展多种服务应用，例如铁路隧道、矿井等安全监测领域基于位置信息的人员安全防护；地震、火灾等灾害救援领域基于位置信息的人员搜救；现代物流领域基于位置的物品实时跟踪等。
实施例2：基于实施例1中的面向5G的融合UWB的一体化定位系统的定位方法，具体包括以下步骤：
(1)根据5G运营商室内网络的大规模部署融合UWB单基站定位网元；
(2)获取5G信号及UWB定位信号；
(3)根据步骤(2)获得的UWB定位信号为依据选取定位系统；
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
S31判断采集到的UWB定位信号中是否存在UWB信号，若存在，则传输至UWB单基站定位系统进行定位解算，获得定位结果并输出；
所述步骤S31中UWB单基站定位系统进行定位解算的具体步骤为：UWB信号处理模块根据阵列天线接收到UWB信号的时差及相差信息计算得到相应的距离值及角度值，并通过定位算法计算得到UWB定位标签的位置信息，最后输出定位结果；
S32判断采集到的UWB定位信号中是否存在UWB信号，若不存在，则采用5G局部增强定位系统进行解算，获得定位结果并输出。
所述步骤S32中5G局部增强系统对定位辅助参考信号(PRS)及CellID进行了增强，同时利用5G大规模天线技术和高分辨率波束，获得更精确的角度信息；
(4)将定位结果发放至5G网络，实现对外提供既有通信又有位置的一体化运营平台。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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 (9)

1.一种面向5G的融合UWB的一体化定位系统，其特征在于，该面向5G的融合UWB的一体化定位系统的架构包括数据采集层、融合位置估计层、数据传输层和用户应用层，所述数据采集层完成5G信号及UWB信号的采集，并将采集到的5G信号及UWB信号传输给所述融合位置估计层；所述融合位置估计层通过融合定位算法进行位置判断，获得位置信息；所述数据传输层利用5G网络将位置数据传输至用户应用层和应用终端或定位服务器中；所述用户应用层则基于得到的位置信息开展位置服务应用。
2.根据权利要求1所述的面向5G的融合UWB的一体化定位系统，其特征在于，所述数据采集层包括5G基站和UWB单基站定位网元，所述UWB单基站定位网元包括UWB定位基站和UWB定位标签；所述UWB定位基站由UWB信号处理模块及阵列天线模块组成，所述UWB信号处理模块基于所述阵列天线接收到UWB信号的时差及相差信息计算得到相应的距离值及角度值，并通过定位算法计算得到所述UWB定位标签的位置信息。
3.根据权利要求2所述的面向5G的融合UWB的一体化定位系统，其特征在于，通过所述定位算法得到所述UWB定位标签的位置信息具体步骤为：设所述UWB信号处理模块基于所述阵列天线得到的距离值为d，角度值为θ，则利用下述公式：
Figure FDA0002403438310000011
即可得到UWB定位标签的位置信息(x,y)。
4.根据权利要求1所述的面向5G的融合UWB的一体化定位系统，其特征在于，所述融合位置估计层将5G定位系统和UWB定位系统融合，并通过融合定位算法进行位置判断，所述融合定位算法包括基于贝叶斯的融合定位方法或基于卡尔曼滤波的融合定位方法或带有反馈校正的融合定位方法。
5.根据权利要求1-4任一项所述的面向5G的融合UWB的一体化定位系统，其特征在于，所述用户应用层根据用户的位置信息开展多种服务应用，包括铁路隧道或矿井的安全监测领域基于位置信息的人员安全防护，或自然灾害救援领域基于位置信息的人员搜救，或现代物流领域基于位置信息的物品实时定位跟踪。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的面向5G的融合UWB的一体化定位的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)根据5G运营商室内网络的大规模部署融合UWB单基站定位网元；
(2)获取5G信号及UWB定位信号；
(3)根据步骤(2)获得的UWB定位信号为依据选取定位系统；
(4)将定位结果发放至5G网络，实现对外提供既有通信又有位置的一体化运营平台。
7.根据权利要求6所述的面向5G的融合UWB的一体化定位的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
S31判断采集到的UWB定位信号中是否存在UWB信号，若存在，则传输至UWB单基站定位系统进行定位解算，获得定位结果并输出；
S32判断采集到的UWB定位信号中是否存在UWB信号，若不存在，则采用5G局部增强定位系统进行解算，获得定位结果并输出。
8.根据权利要求7所述的面向5G的融合UWB的一体化定位的方法，其特征在于，所述步骤S31中UWB单基站定位系统进行定位解算的具体步骤为：UWB信号处理模块根据阵列天线接收到UWB信号的时差及相差信息计算得到相应的距离值及角度值，并通过定位算法计算得到UWB定位标签的位置信息，最后输出定位结果。
9.根据权利要求7所述的面向5G的融合UWB的一体化定位的方法，其特征在于，所述步骤S32中5G局部增强系统对定位辅助参考信号(PRS)及CellID进行了增强，同时利用5G大规模天线技术和高分辨率波束，获得更精确的角度信息。
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