CN111526477A - 基于出发角的无线电定位方法及系统 - Google Patents

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CN111526477A CN202010327525.1A CN202010327525A CN111526477A CN 111526477 A CN111526477 A CN 111526477A CN 202010327525 A CN202010327525 A CN 202010327525A CN 111526477 A CN111526477 A CN 111526477A
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Abstract

本发明提供了一种基于出发角的无线电定位方法及系统，包括：基站定位步骤：基站端发射定位信号，定位信号中包含基站的真北方位和基站识别码信息，移动端通过接收基站端发射的定位信号来估计移动端相对于基站端的方位，再通过三角测量实现自身定位；调制步骤：根据单刀双掷射频开关对基站端发射的信号进行周期性调制，在一个调制周期内，定位信号分别接到两个天线单元并向空间辐射出去；计算步骤：移动端计算接收的定位信号中的基波分量与第一次谐波分量，再利用基波分量与第一次谐波分量的数学关系估计移动端相对于基站端的方位。本发明无需通过定位基站之间、定位基站与移动端之间的多次数据交互，其系统容量更高，系统结构及算法流程均简单。

Description

基于出发角的无线电定位方法及系统
技术领域
本发明涉及无线电定位技术领域，具体地，涉及一种基于出发角的无线电定位方法及系统。尤其地，涉及一种移动端通过估计定位基站发射信号的离去角来实现三角测量定位的无线电定位系统。
背景技术
现有的无线电定位方法主要有全球定位系统、到达时间定位(time of arrival,ToA)、到达时间差定位(time difference of arrival,TDOA)、测角定位(angle ofarrival,AoA)等。其中，全球性定位系统主要包括美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳斯系统以及中国的北斗系统等，主要应用于广域室外定位，用于室内定位时由于建筑物等的衰减，效果较差或无法使用。到达时间定位和到达时间差定位利用定位基站与移动端之间的到达时间或时间差来定位，需要定位基站端及移动端之间的精密的时间同步。一般的测角定位系统在基站端测量移动端相对于基站端的方位信息，再通过两站或多站的方位信息来联合解算移动端的位置。由于通常采用干涉仪测向或者空间谱估计测向方法，设备相对复杂。另外，通常要求由一个特定的中心站点来完成位置解算，因此需要多个定位基站之间的数据交互。
综上，现有的无线电定位方法，尤其是室内无线电定位方法，存在同步要求高、系统实现复杂等缺陷。
专利文献CN107706547A(申请号：201710868889.9)公开了一种实现全频段无线电信号角度(AOA)定位的天线装置，包括：微处理器、基座组件、水平控制传动组件、俯仰控制传动组件、上托板、水平电机、竖直电机和定向天线；所述微处理器分别与水平电机、竖直电机电性连接。本发明可对目标物体实现方位角和俯仰角的双重定位，并可不断根据定向天线检测到的目标物体的方位角和俯仰角信息，自动调节定向天线的方位角和俯仰角，实现对目标物体的位置锁定。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于出发角的无线电定位方法及系统。
根据本发明提供的基于出发角的无线电定位方法，包括：
基站定位步骤：基站端发射定位信号，所述定位信号中包含基站的真北方位和基站识别码信息，移动端通过接收基站端发射的定位信号来估计移动端相对于基站端的方位，再通过三角测量实现自身定位；
调制步骤：根据单刀双掷射频开关对基站端发射的信号进行周期性调制，在一个调制周期内，定位信号分别接到两个天线单元并向空间辐射出去；
计算步骤：移动端计算接收的定位信号中的基波分量与第一次谐波分量，再利用基波分量与第一次谐波分量的数学关系估计移动端相对于基站端的方位。
优选的，所述调制步骤包括：
在定位基站，发射的窄带定位信号的中心频点为Fc，信号的带宽为B，射频开关的调制频率为Fp，周期为Tp，满足：
Fp>B
在一个调制周期Tp内，发射信号连接到定位基站天线单元1的时间为(0,Tp/2]，连接到天线单元2的时间为(Tp/2,Tp]，发射的定位信号经过周期性调制后，产生中心频率为Fc的基波分量以及中心频率为Fc±kFp的谐波分量，并通过两个天线单元向空间辐射，定位基站发射的窄带定位信号为：
Figure BDA0002463751610000021
其中，sl(t)为基带信号，k表示谐波阶数，j表示虚数单位，t表示时间，e表示自然对数。
优选的，将定位信号周期性地接通定位基站的两个天线单元并向空间辐射，则在θ方向上，远场移动端接收的定位信号为：
Figure BDA0002463751610000022
其中，A0为由空间传播引起的复损耗，D为定位基站的两个天线单元的间距，K为载频Fc对应的波数，m表示周期性调制时序的周期序号；
将sr(t)简写为：
Figure BDA0002463751610000031
其中U(t)为周期函数：
Figure BDA0002463751610000032
将U(t)用傅里叶级数展开为：
Figure BDA0002463751610000033
αk表示：第k次谐波分量；
其中基波分量α0和+1次谐波分量分别为：
Figure BDA0002463751610000034
Figure BDA0002463751610000035
优选的，在移动端，对接收的定位信号进行频谱分析，通过比较其中的基波分量α0和+1次谐波分量α1的关系，移动端相对于定位基站的方向为：
Figure BDA0002463751610000036
优选的，若两个定位基站A和B的位置分别为(-L/2,0)和(L/2,0)，则真北方位均为正北方向，在移动端C测得其相对于A和B的方向分别为θ1和θ2，则移动端C的位置为：
Figure BDA0002463751610000037
L表示：定位基站A和B之间的距离。
根据本发明提供的基于出发角的无线电定位系统，包括：
基站定位模块：基站端发射定位信号，所述定位信号中包含基站的真北方位和基站识别码信息，移动端通过接收基站端发射的定位信号来估计移动端相对于基站端的方位，再通过三角测量实现自身定位；
调制模块：根据单刀双掷射频开关对基站端发射的信号进行周期性调制，在一个调制周期内，定位信号分别接到两个天线单元并向空间辐射出去；
计算模块：移动端计算接收的定位信号中的基波分量与第一次谐波分量，再利用基波分量与第一次谐波分量的数学关系估计移动端相对于基站端的方位。
优选的，所述调制模块包括：
在定位基站，发射的窄带定位信号的中心频点为Fc，信号的带宽为B，射频开关的调制频率为Fp，周期为Tp，满足：
Fp>B
在一个调制周期Tp内，发射信号连接到定位基站天线单元1的时间为(0,Tp/2]，连接到天线单元2的时间为(Tp/2,Tp]，发射的定位信号经过周期性调制后，产生中心频率为Fc的基波分量以及中心频率为Fc±kFp的谐波分量，并通过两个天线单元向空间辐射，定位基站发射的窄带定位信号为：
Figure BDA0002463751610000041
其中，sl(t)为基带信号，k表示谐波阶数，j表示虚数单位，t表示时间，e表示自然对数。
优选的，将定位信号周期性地接通定位基站的两个天线单元并向空间辐射，则在θ方向上，远场移动端接收的定位信号为：
Figure BDA0002463751610000042
其中，A0为由空间传播引起的复损耗，D为定位基站的两个天线单元的间距，K为载频Fc对应的波数，m表示周期性调制时序的周期序号；
将sr(t)简写为：
Figure BDA0002463751610000043
其中U(t)为周期函数：
Figure BDA0002463751610000044
将U(t)用傅里叶级数展开为：
Figure BDA0002463751610000051
αk表示：第k次谐波分量；
其中基波分量α0和+1次谐波分量分别为：
Figure BDA0002463751610000052
Figure BDA0002463751610000053
优选的，在移动端，对接收的定位信号进行频谱分析，通过比较其中的基波分量α0和+1次谐波分量α1的关系，移动端相对于定位基站的方向为：
Figure BDA0002463751610000054
优选的，若两个定位基站A和B的位置分别为(-L/2,0)和(L/2,0)，则真北方位均为正北方向，在移动端C测得其相对于A和B的方向分别为θ1和θ2，则移动端C的位置为：
Figure BDA0002463751610000055
L表示：定位基站A和B之间的距离。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出的定位系统和方法是基于出发角的测角定位，直接在移动端解算其位置，无需通过定位基站之间、定位基站与移动端之间的多次数据交互，其系统容量也更高；
2、本发明提出的定位系统和方法的出发角测量使用单射频通道，与现有的基于多通道波束扫描及接收信号强度指示的出发角测量方法相比，系统结构及算法流程均简单；
3、本发明可用于室内导航定位、物联网工厂、精准物流等需要精确定位的工程技术领域。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于出发角的无线电定位系统的发射基站的原理结构框图；
图2为实施例中移动端接收的两个定位基站发射的定位信号的频谱；
图3为实施例中的十次独立定位的结果；
图4为实施例中不同信噪比条件下的定位误差的均方根。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明包括两个(或多个)定位基站以及移动台，每个定位基站的原理框图请参阅图1。定位基站发射的定位信号为数字调制信号(例如GFSK、PSK、QAM调制信号等)，包含定位基站位置、真北方向等信息。在定位基站，利用射频开关周期性地选通两个天线单元，对发射的定位经进行周期性调制。假如发射的窄带定位信号的中心频点为Fc，信号的带宽为B。射频开关的调制频率为Fp，周期为Tp。为避免频谱混叠，应满足：
Fp>B
在一个调制周期Tp内，发射信号连接到定位基站天线单元1的时间为(0,Tp/2]，连接到天线单元2的时间为(Tp/2,Tp]。发射的定位信号经过周期性调制后，会产生中心频率为Fc的基波分量以及中心频率为Fc±kFp的谐波分量，并通过两个天线单元向空间辐射。设定位基站发射的窄带定位信号为：
Figure BDA0002463751610000061
其中，sl(t)为基带信号。将定位信号周期性地接通定位基站的两个天线单元并向空间辐射，则在θ方向上，远场移动端接收的定位信号为：
Figure BDA0002463751610000071
其中，A0为由空间传播引起的复损耗，D为定位基站的两个天线单元的间距，K为载频Fc对应的波数。将sr(t)简写为：
Figure BDA0002463751610000072
其中U(t)为周期函数：
Figure BDA0002463751610000073
将U(t)用傅里叶级数展开为：
Figure BDA0002463751610000074
其中基波分量α0和+1次谐波分量分别为：
Figure BDA0002463751610000075
Figure BDA0002463751610000076
在移动端，对接收的定位信号进行频谱分析，通过比较其中的基波分量α0和+1次谐波分量α1的关系，可估计出移动端相对于定位基站的方向为：
Figure BDA0002463751610000077
假定两个定位基站A和B的位置分别为(-L/2,0)和(L/2,0)，其真北方位均为正北方向，在移动端C测得其相对于A和B的方向分别为θ1和θ2，则移动端C的位置可估计为：
Figure BDA0002463751610000078
实施例一：基于出发角的两基站无线电定位；
请同时参阅图2至图3。
本实施例提供了基于出发角的两基站无线电定位。设基站1发射载频为1GHz的单频信号，基站2发射载频为1.1GHz的单频信号。两个基站上的两个天线单元的间距均为15cm，基站天线阵列的法向均指向正北。两基站相距16米。
对两个定位基站发射的定位信号均进行周期性的调制，调制周期为0.1us，对应的频率为10MHz。即在一个调制周期(100ns)内，前半个周期发射的定位信号接到天线单元1，后半个周期发射的定位信号接到天线单元2。每次定位共发射10个周期的定位信号。
设移动端相对于定位基站1的方位为+22°，相对于定位基站2的方位为-35°。在移动端，接收信号的信噪比为10dB，经过低噪放放大、下变频、低通滤波、模数转换后，在数据域内对接收信号的频谱进行分析。移动端接收的两个定位信号的频谱如图2所示。从图中可以看出，接收的定位信号中包含载频为1GHz和1.1GHz的基波分量，以及频率为1GHz±k×10MHz、1.1GHz±k×10MHz的谐波分量。利用1GHz、1.01GHz的频谱分量，代入式可计算移动端相对于定位基站1的方位。利用1.1GHz、1.11GHz的频谱分量，代入式可计算移动端相对于定位基站2的方位。在已知定位基站1和定位基站2的位置条件下，可通过式所示的三角解算方法计算移动端的位置。
在10dB信噪比条件下，完成10次定位的定位结果如图3所示。
实施例二：不同信噪比条件下的定位误差的均方根；
请同时参阅图4。
为验证不同信噪比条件下，本发明提供的定位方法的精度。设置信噪比从-10dB至+20dB，步进为2dB。在每一个信噪比条件下，进行1000次蒙特卡洛仿真，并计算该信噪比条件下的定位误差的均方根。设置移动端相对于定位基站1的方位为+25°，相对于定位基站2的方位为-45°。发射的定位信号的载频、调制频率、周期数等条件均与实施例一中相同。经过蒙特卡洛仿真后，得到的不同信噪比条件下定位误差的均方根值如图4所示。从图中可以看出，当信噪比从-10dB增加至+20dB时，定位误差的均方根从约0.65米下降至0.1米。
根据本发明提供的基于出发角的无线电定位系统，包括：
基站定位模块：基站端发射定位信号，所述定位信号中包含基站的真北方位和基站识别码信息，移动端通过接收基站端发射的定位信号来估计移动端相对于基站端的方位，再通过三角测量实现自身定位；
调制模块：根据单刀双掷射频开关对基站端发射的信号进行周期性调制，在一个调制周期内，定位信号分别接到两个天线单元并向空间辐射出去；
计算模块：移动端计算接收的定位信号中的基波分量与第一次谐波分量，再利用基波分量与第一次谐波分量的数学关系估计移动端相对于基站端的方位。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于出发角的无线电定位方法，其特征在于，包括：
基站定位步骤：基站端发射定位信号，所述定位信号中包含基站的真北方位和基站识别码信息，移动端通过接收基站端发射的定位信号来估计移动端相对于基站端的方位，再通过三角测量实现自身定位；
调制步骤：根据单刀双掷射频开关对基站端发射的信号进行周期性调制，在一个调制周期内，定位信号分别接到两个天线单元并向空间辐射出去；
计算步骤：移动端计算接收的定位信号中的基波分量与第一次谐波分量，再利用基波分量与第一次谐波分量的数学关系估计移动端相对于基站端的方位。
2.根据权利要求1所述的基于出发角的无线电定位方法，其特征在于，所述调制步骤包括：
在定位基站，发射的窄带定位信号的中心频点为Fc，信号的带宽为B，射频开关的调制频率为Fp，周期为Tp，满足：
Fp>B
在一个调制周期Tp内，发射信号连接到定位基站天线单元1的时间为(0,Tp/2]，连接到天线单元2的时间为(Tp/2,Tp]，发射的定位信号经过周期性调制后，产生中心频率为Fc的基波分量以及中心频率为Fc±kFp的谐波分量，并通过两个天线单元向空间辐射，定位基站发射的窄带定位信号为：
Figure FDA0002463751600000011
其中，sl(t)为基带信号，k表示谐波阶数，j表示虚数单位，t表示时间，e表示自然对数。
3.根据权利要求2所述的基于出发角的无线电定位方法，其特征在于，将定位信号周期性地接通定位基站的两个天线单元并向空间辐射，则在θ方向上，远场移动端接收的定位信号为：
Figure FDA0002463751600000012
其中，A0为由空间传播引起的复损耗，D为定位基站的两个天线单元的间距，K为载频Fc对应的波数，m表示周期性调制时序的周期序号；
将sr(t)简写为：
Figure FDA0002463751600000021
其中U(t)为周期函数：
Figure FDA0002463751600000022
将U(t)用傅里叶级数展开为：
Figure FDA0002463751600000023
αk表示：第k次谐波分量；
其中基波分量α0和+1次谐波分量分别为：
Figure FDA0002463751600000024
Figure FDA0002463751600000025
4.根据权利要求3所述的基于出发角的无线电定位方法，其特征在于，在移动端，对接收的定位信号进行频谱分析，通过比较其中的基波分量α0和+1次谐波分量α1的关系，移动端相对于定位基站的方向为：
Figure FDA0002463751600000026
5.根据权利要求4所述的基于出发角的无线电定位方法，其特征在于，若两个定位基站A和B的位置分别为(-L/2,0)和(L/2,0)，则真北方位均为正北方向，在移动端C测得其相对于A和B的方向分别为θ1和θ2，则移动端C的位置为：
Figure FDA0002463751600000027
L表示：定位基站A和B之间的距离。
6.一种基于出发角的无线电定位系统，其特征在于，包括：
基站定位模块：基站端发射定位信号，所述定位信号中包含基站的真北方位和基站识别码信息，移动端通过接收基站端发射的定位信号来估计移动端相对于基站端的方位，再通过三角测量实现自身定位；
调制模块：根据单刀双掷射频开关对基站端发射的信号进行周期性调制，在一个调制周期内，定位信号分别接到两个天线单元并向空间辐射出去；
计算模块：移动端计算接收的定位信号中的基波分量与第一次谐波分量，再利用基波分量与第一次谐波分量的数学关系估计移动端相对于基站端的方位。
7.根据权利要求6所述的基于出发角的无线电定位方法，其特征在于，所述调制模块包括：
在定位基站，发射的窄带定位信号的中心频点为Fc，信号的带宽为B，射频开关的调制频率为Fp，周期为Tp，满足：
Fp>B
在一个调制周期Tp内，发射信号连接到定位基站天线单元1的时间为(0,Tp/2]，连接到天线单元2的时间为(Tp/2,Tp]，发射的定位信号经过周期性调制后，产生中心频率为Fc的基波分量以及中心频率为Fc±kFp的谐波分量，并通过两个天线单元向空间辐射，定位基站发射的窄带定位信号为：
Figure FDA0002463751600000031
其中，sl(t)为基带信号，k表示谐波阶数，j表示虚数单位，t表示时间，e表示自然对数。
8.根据权利要求7所述的基于出发角的无线电定位方法，其特征在于，将定位信号周期性地接通定位基站的两个天线单元并向空间辐射，则在θ方向上，远场移动端接收的定位信号为：
Figure FDA0002463751600000032
其中，A0为由空间传播引起的复损耗，D为定位基站的两个天线单元的间距，K为载频Fc对应的波数，m表示周期性调制时序的周期序号；
将sr(t)简写为：
Figure FDA0002463751600000033
其中U(t)为周期函数：
Figure FDA0002463751600000041
将U(t)用傅里叶级数展开为：
Figure FDA0002463751600000042
αk表示：第k次谐波分量；
其中基波分量α0和+1次谐波分量分别为：
Figure FDA0002463751600000043
Figure FDA0002463751600000044
9.根据权利要求8所述的基于出发角的无线电定位方法，其特征在于，在移动端，对接收的定位信号进行频谱分析，通过比较其中的基波分量α0和+1次谐波分量α1的关系，移动端相对于定位基站的方向为：
Figure FDA0002463751600000045
10.根据权利要求9所述的基于出发角的无线电定位方法，其特征在于，若两个定位基站A和B的位置分别为(-L/2,0)和(L/2,0)，则真北方位均为正北方向，在移动端C测得其相对于A和B的方向分别为θ1和θ2，则移动端C的位置为：
Figure FDA0002463751600000046
L表示：定位基站A和B之间的距离。
CN202010327525.1A 2020-04-23 2020-04-23 基于出发角的无线电定位方法及系统 Active CN111526477B (zh)

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