CN112198501A - 一种运动单站直接定位方法及装置 - Google Patents

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CN112198501A CN202010943589.4A CN202010943589A CN112198501A CN 112198501 A CN112198501 A CN 112198501A CN 202010943589 A CN202010943589 A CN 202010943589A CN 112198501 A CN112198501 A CN 112198501A
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Abstract

本发明公开了一种运动单站直接定位方法及装置，该运动单站直接定位方法包括：获取观测站点的初始位置；获取所述观测站点沿第一预设方向移动n次后对应的n个第一预设距离；获取(n+1)个第二预设距离；根据所述第一预设距离、所述第二预设距离得到所述目标站点的n个预设坐标值；根据所述目标站点的n个所述预设坐标值得到所述目标站点的最终定位坐标。本发明不需要多个已知坐标的站点，只需要单站进行简单的“L”形移动进行测距，即可完成对目标站点的定位。在实际应用中，如进入基础设施破坏，无卫星信号的环境中，获得各个观测站点的坐标很不现实。在定位精度要求不高的情况下，本发明只需要三次测距即可定位出目标站点坐标。

Description

一种运动单站直接定位方法及装置
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种运动单站直接定位方法及装置。
背景技术
近年来，无线电定位技术广泛应用于通信、雷达、导航以及目标监测等领域，在生产生活和军事应用中都发挥着越来越重要的作用。传统的定位总是借助于GPS(GlobalPositioning System，全球定位系统)，但GPS在恶劣的环境中会导致较大误差甚至在一些偏远地区会出现无GPS信号的情况。随着移动通信的发展，针对蜂窝移动用户的定位非常普遍，然而这种方式严重依赖基站。针对以上问题，学者提出了无线电定位方法，可以概括为以下几类：
基于到达时间的TOA(基于到达时间)定位，通过测量出观测站点和目标之间的信号传播时间进行定位，需要三个及以上的站点才能定位。
基于到达时间差TDOA(基于到达时差)定位，利用信号到达各个观测站点的绝对时间差计算出距离差，通过几何运算实现定位，同样TDOA定位需要三个及以上的站点才能定位。
基于到达角的AOA(基于到达角度)定位，信号接收端通过天线阵列判断信号的到达方向，然后通过几何原理算出目标位置。该方法定位精度较高，但对观测站点要求比较高，如需要天线阵列。
混合定位是指TOA定位、TDOA定位、AOA定位等定位方法的混合使用。通过对两种及以上定位方法进行混合使用，达到取长补短的效果，使定位精度得到提高。但是混合定位的硬件成本相对来说较高，并且若不能合理地混合使用会导致定位精度的严重下降。
以上算法均需要多个观测站点，且需要已知各个站点的位置坐标信息，实际应用场景受限，基于此又有学者提出了单站定位方式，目前常见的单站定位方式有：观测运动辐射源的到达时间和角度，用扩展卡尔曼滤波进行定位；观测到达频率差，利用泰勒展开可完成对静止目标的定位；观测到达角、到达角变化率、多普勒频率变化率，采用非线性滤波方法实现对运动目标的定位；对相位差信息进行处理实现对运动目标的观测等等。在实际应用中，以上方式虽然定位精度高，但设备复杂，成本较高，实际操作中也会产生各种问题，因此实用性不强且无法大规模生产。
发明内容
本发明为了解决超宽禁带异质结中存在的上述问题，提供了一种运动单站直接定位方法及装置，针对诸如基础设施破坏、无卫星信号、非视距等受限场景，摆脱了需要多个站点位置信息的限制，设备简单，观测站点只需要通过简单运动，在运动过程中测量距离信息，实现对目标站点的定位，详见下文描述：
本发明提供了一种运动单站直接定位方法及装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种运动单站直接定位方法，包括：
获取观测站点的初始位置；
获取所述观测站点沿第一预设方向移动n次后对应的n个第一预设距离，所述第一预设距离为每次移动后所述观测站点距离初始位置的距离；
获取(n+1)个第二预设距离，所述第二预设距离包括1个所述观测站点在所述初始位置时距离目标站点的距离和经过n次移动后所述观测站点距离所述目标站点的n个第二预设距离；
根据所述第一预设距离、所述第二预设距离得到所述目标站点的n个预设坐标值；
根据所述目标站点的n个所述预设坐标值得到所述目标站点的最终定位坐标。
在本发明的一个实施例中，获取观测站点沿第一预设方向移动n次后对应的n个第一预设距离，包括：
在所述观测站点沿所述第一预设方向每次移动后，根据所述观测站点的当前位置与所述观测站点的所述初始位置之间的距离得到所述第一预设距离。
在本发明的一个实施例中，获取(n+1)个第二预设距离，包括：
获取所述观测站点在所述初始位置时，所述观测站点与所述目标站点的第二预设距离；
在所述观测站点沿所述第一预设方向每次移动后，根据所述观测站点的当前位置与所述目标站点之间的距离得到所述第二预设距离。
在本发明的一个实施例中，根据所述第一预设距离、所述第二预设距离得到所述目标站点的n个预设坐标值，包括：
在所述观测站点沿所述第一预设方向移动i次后，基于角度计算模型，根据第i次移动后对应的第一预设距离和第二预设距离、前j次移动后对应的第一预设距离和第二预设距离得到第i个预设角度，其中，i＞j；
根据第i个所述预设角度、第i个所述第一预设距离和第i个所述第二预设距离得到所述目标站点的第i个初始坐标值；
根据第i个所述初始坐标值得到第i个预设坐标值。
在本发明的一个实施例中，所述角度计算模型的表达式为：
Figure BDA0002674489540000041
其中，θi为第i个预设角度，di为第i个所述第二预设距离，dj为第j个所述第二预设距离，si为第i个所述第一预设距离，sj为第j个所述第一预设距离。
在本发明的一个实施例中，根据第i个所述初始坐标值得到第i个预设坐标值，包括：
在所述观测站点沿第二预设方向进行第(n+1)次移动后，根据所述观测站点的当前位置与所述目标站点之间的距离得到第(n+1)个所述第二预设距离，其中，所述第一预设方向与所述第二预设方向垂直；
基于第n个所述第二预设距离和第(n+1)个所述第二预设距离的关系，根据第i个所述初始坐标值得到第i个预设坐标值。
在本发明的一个实施例中，所述第i个初始坐标值的表达式为：
Figure BDA0002674489540000042
其中，Xi为第i个初始坐标值，dn为第n个所述第二预设距离，dn+1为第(n+1)个所述第二预设距离。
在本发明的一个实施例中，根据所述目标站点的n个所述预设坐标值得到所述目标站点的最终定位坐标，包括：
基于使残差平方和最小的最小二乘算法，根据n个所述预设坐标值得到所述目标站点的最终定位坐标。
在本发明的一个实施例中，用于实现上述任一项实施例所述的运动单站直接定位方法，所述运动单站直接定位装置包括微控制单元、射频模块、惯导模块、电子罗盘，其中，
所述射频模块、所述惯导模块、所述电子罗盘均连接至所述微控制单元。
本发明的有益效果：
1、实际实施方便
本发明不需要多个已知坐标的站点，只需要单站进行简单的“L”形移动进行测距，即可完成对目标站点的定位。在实际应用中，如进入基础设施破坏，无卫星信号的环境中，获得各个观测站点的坐标很不现实。在定位精度要求不高的情况下，本发明只需要三次测距即可定位出目标站点坐标。
2、硬件成本低
本发明所提供的定位装置比较简单，核心的模块只需要微控制单元、射频模块、惯导模块和电子罗盘等。这些均为市场上常见模块，相对于其它发明需要阵列天线、雷达等，本发明设备简单、硬件成本很低。
3、计算复杂度低
本发明最基本的原理是余弦定理，通过三边长算出两边夹角，进而算出坐标。计算非常简单，对MCU的要求很低。
4、通信与定位融合
因为观测站点和目标站点均需要持有本设备，因此不需要额外增加设备，站点之间可以通过射频模块实现通信。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种运动单站直接定位装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种运动单站直接定位方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种应用场景的几何示意图；
图4是本发明实施例提供的一种测距定位过程原理示意图；
图5是本发明实施例提供的一种观测站点经过L形移动排除镜像点原理图；
图6是本发明实施例提供的一种定位操作后的定位估计坐标和实际坐标图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种运动单站直接定位装置的结构示意图。在介绍本发明所提供的运动单站直接定位方法之前，本发明首先提供了一种运动单站直接定位装置，本实施例在观测站点和目标站点均可以设置一运动单站直接定位装置，运动单站直接定位装置可以包括微控制单元(MCU，Microcontroller Unit)、射频模块、惯导模块、电子罗盘，射频模块、惯导模块、电子罗盘均连接至微控制单元，该运动单站直接定位装置还可以包括显示屏(即屏幕)、麦克风和扬声器，显示屏、麦克风和扬声器均连接至微控制单元，其中，微控制单元用于对本定位装置的流程进行控制和测距定位数据的处理；射频模块包含两部分功能，一是用于两设备之间的TOF(Time of flight，飞行时间法)测距，二是进行设备间的通信；惯导模块用来测量观测站点移动的距离。电子罗盘用来指示移动方向。屏幕用来定位坐标、方向、设备间通信消息等。麦克风和扬声器等其它设备用于设备间语音通信。
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种运动单站直接定位方法，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种运动单站直接定位方法的流程示意图，该运动单站直接定位方法包括：
步骤1、获取观测站点的初始位置。
具体地，本实施例在观测站点和目标站点各设置了一套运动单站直接定位装置，请参见图3和图4，如设定观测站点的初始位置为坐标原点，需要定位的目标站点为静止状态，观测站点为运动状态。
步骤2、获取观测站点沿第一预设方向移动n次后对应的n个第一预设距离，第一预设距离为每次移动后观测站点距离初始位置的距离。
具体地，在观测站点沿第一预设方向每次移动后，根据观测站点的当前位置与观测站点的初始位置之间的距离得到第一预设距离。
也就是说，因为观测站点为运动状态，观测站点一共需要运动n次，且均是沿第一预设方向进行的运动，第一预设方向例如为X轴正方向，即正东方向，观测站点每次沿当前位置向第一预设方向移动一次，则通过惯导模块测量一次观测站点的当前位置与观测站点的初始位置之间的距离，该距离即为第一预设距离，并将移动i次后的第一预设距离记为第i个第一预设距离，将第i个第一预设距离记为si。
步骤3、获取(n+1)个第二预设距离，第二预设距离包括1个观测站点在初始位置时距离目标站点的距离和经过n次移动后观测站点距离目标站点的n个第二预设距离。
具体地，步骤3可以包括：
步骤3.1、获取观测站点在初始位置时，观测站点与目标站点的第二预设距离。
步骤3.2、在观测站点沿第一预设方向每次移动后，根据观测站点的当前位置与目标站点之间的距离得到第二预设距离。
也就是说，当观测站点在初始位置时，利用观测站点的射频模块和目标站点的射频模块进行一次TOF测距，以测得观测站点在初始位置时距离目标站点的距离，该距离记为初始距离d0。在观测站点以当前位置为起始点每次沿第一预设方向移动后，则通过射频模块测量一次观测站点在当前位置与目标站点之间的距离，该距离记为第二预设距离，并将移动i次后的第二预设距离记为第i个第二预设距离，将第i个第二预设距离记为di。
步骤4、根据第一预设距离、第二预设距离得到目标站点的n个预设坐标值。
具体地，步骤4可以包括：
步骤4.1、在观测站点沿第一预设方向移动i次后，基于角度计算模型，根据第i次移动后对应的第一预设距离和第二预设距离、前j次移动后对应的第一预设距离和第二预设距离得到第i个预设角度，其中，i＞j，预设角度为目标站点与观测站点的连线与第一预设方向的反方向的夹角，如第一预设方向为x轴正方向，则预设角度为目标站点与观测站点的连线与x轴负方向的夹角。
在得到d0、s1、d1后，根据图4可知，d0、s1、d1构成三角形的三边，从而可以算出：
Figure BDA0002674489540000081
相应地，第一次目标站点坐标可以估计为：
X1＝(s1-d1 cos θ1,d1 sin θ1)或X1＝(s1-d1 cos θ1,-d1 sin θ1)i＝1,2,…n
其中，θ1代表第1个预设角度。
按照这种方式，观测站点在往第一预设方向移动的过程中与目标站点测距，并记录对应的移动距离，得到n组数据[di,si]i＝1,2,…n，其中第i次移动后对应的第一预设距离记为si，即第i个第一预设距离，第i次移动后对应的第二预设距离记为di，即第i个第二预设距离，则第i次测量的结果和前j(j＝0,1,…n-1；i＞j)次测量的结果均能构成三角形。由此，可以计算出每组数据对应的第i个预设角度θi：
Figure BDA0002674489540000091
其中，θi为第i个预设角度，di为第i个所述第二预设距离，dj为第j个所述第二预设距离，si为第i个所述第一预设距离，sj为第j个所述第一预设距离。
步骤4.2、根据第i个预设角度、第i个第一预设距离和第i个第二预设距离得到目标站点的第i个初始坐标值，则目标站点坐标的估计值可以表示为：
Xi＝(si-di cos θi,di sin θi)或Xi＝(si-di cos θi,-di sin θi)i＝1,2,…n
步骤4.3、根据第i个初始坐标值得到第i个预设坐标值。
步骤4.31、在观测站点沿第二预设方向进行第(n+1)次移动后，根据观测站点的当前位置与目标站点之间的距离得到第(n+1)个第二预设距离，其中，第一预设方向与第二预设方向垂直。
具体地，在观测站点沿第一预设方向移动n次后，使观测站点在以n次移动后的当前位置为起始位置，沿第二预设方向进行第(n+1)移动，移动后，通过射频模块测量此时观测站点与目标站点之间的距离，即第(n+1)个第二预设距离，第二预设方向可以为Y轴正方向，也可以为Y轴负方向。
步骤4.32、基于第n个第二预设距离和第(n+1)个第二预设距离的关系，根据第i个初始坐标值得到第i个预设坐标值。
因为会有步骤4.2所得到的两种结果，为排除其中一个干扰项，观测站点在当前位置可以继续沿第二预设方向移动一段距离，例如沿y轴正方向移动一段距离s′到(sn,s′)处，便可以得到dn+1。
进一步地，请参考图5，如果已经求出θi＝0，则说明目标站点在x轴上，纵坐标为0，不需要下面的操作。
否则，因为目标站点所在的象限暂时无法确定，则需要观测站点沿第二预设方向进行第(n+1)次移动以排除其中的一个错误结果。例如，观测站点在(sn,0)位置处往y轴正方向(如正北方向)移动一段距离s′，目标站点与观测站点进行第(n+1)次测距，得到dn+1。如果dn+1＜dn，则说明目标站点在1或2象限；如果dn+1＞dn，则说明目标站点在3或4象限。因此，通过如下公式可以确定每一次目标站点坐标的初始坐标值可以表示为：
Figure BDA0002674489540000101
其中，Xi为第i个初始坐标值，dn为第n个所述第二预设距离，dn+1为第(n+1)个所述第二预设距离。
因此在确定了第(n+1)个第二预设距离和第n个第二预设距离，便可以确定第i个预设坐标值，即目标站点的第i个坐标估计值。
步骤5、根据目标站点的n个预设坐标值得到目标站点的最终定位坐标。
具体地，通过上述方式可以得到n个预设坐标值，第i个预设坐标值记为Xi＝(xi,yi)i＝1,2,…n。
则利用使残差平方和最小的最小二乘算法实现对目标站点的位置估计：
假定目标站点的实际坐标为
Figure BDA0002674489540000111
则可以得到如下公式：
Figure BDA0002674489540000112
这是一个凸优化问题，对应的最小二乘解
Figure BDA0002674489540000116
即为目标站点最终定位坐标估计，即目标站点的最终定位坐标。
本发明采用均方根误差作为评价指标来评价定位算法性能，设(x,y)为目标站点的实际坐标，
Figure BDA0002674489540000113
为通过本发明的方法得到的最终定位坐标，则：
Figure BDA0002674489540000114
假设观测站点的初始位置坐标为(0,0)，目标站点实际坐标为(600,350)，sn＝15。观测站点移动的过程中得到了50组观测数据，则可以解出：
Figure BDA0002674489540000115
对应的误差为：δ＝2.5(单位：米)
在平面直角坐标系下绘制每组观测数据计算出的对应坐标、最小二乘估计后的估计坐标、目标点实际坐标，如图6所示。可以看出当目标站点在距离观测站点百米量级的时候，估计均方根误差在米量级。
1、实际实施方便
本发明不需要多个已知坐标的站点，只需要单站进行简单的“L”形移动进行测距，即可完成对目标站点的定位。在实际应用中，如进入基础设施破坏，无卫星信号的环境中，获得各个观测站点的坐标很不现实。在定位精度要求不高的情况下，本发明只需要三次测距即可定位出目标站点坐标。
2、硬件成本低
本发明所提供的定位装置比较简单，核心的模块只需要微控制单元、射频模块、惯导模块和电子罗盘等。这些均为市场上常见模块，相对于其它发明需要阵列天线、雷达等，本发明设备简单、硬件成本很低。
3、计算复杂度低
本发明最基本的原理是余弦定理，通过三边长算出两边夹角，进而算出坐标。计算非常简单，对MCU的要求很低。
4、通信与定位融合
因为观测站点和目标站点均需要持有本设备，因此不需要额外增加设备，站点之间可以通过射频模块实现通信。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种运动单站直接定位方法，其特征在于，包括：
获取观测站点的初始位置；
获取所述观测站点沿第一预设方向移动n次后对应的n个第一预设距离，所述第一预设距离为每次移动后所述观测站点距离初始位置的距离；
获取(n+1)个第二预设距离，所述第二预设距离包括1个所述观测站点在所述初始位置时距离目标站点的距离和经过n次移动后所述观测站点距离所述目标站点的n个第二预设距离；
根据所述第一预设距离、所述第二预设距离得到所述目标站点的n个预设坐标值；
根据所述目标站点的n个所述预设坐标值得到所述目标站点的最终定位坐标。
2.根据权利要求1所述的运动单站直接定位方法，其特征在于，获取观测站点沿第一预设方向移动n次后对应的n个第一预设距离，包括：
在所述观测站点沿所述第一预设方向每次移动后，根据所述观测站点的当前位置与所述观测站点的所述初始位置之间的距离得到所述第一预设距离。
3.根据权利要求1所述的运动单站直接定位方法，其特征在于，获取(n+1)个第二预设距离，包括：
获取所述观测站点在所述初始位置时，所述观测站点与所述目标站点的第二预设距离；
在所述观测站点沿所述第一预设方向每次移动后，根据所述观测站点的当前位置与所述目标站点之间的距离得到所述第二预设距离。
4.根据权利要求1所述的运动单站直接定位方法，其特征在于，根据所述第一预设距离、所述第二预设距离得到所述目标站点的n个预设坐标值，包括：
在所述观测站点沿所述第一预设方向移动i次后，基于角度计算模型，根据第i次移动后对应的第一预设距离和第二预设距离、前j次移动后对应的第一预设距离和第二预设距离得到第i个预设角度，其中，i＞j；
根据第i个所述预设角度、第i个所述第一预设距离和第i个所述第二预设距离得到所述目标站点的第i个初始坐标值；
根据第i个所述初始坐标值得到第i个预设坐标值。
5.根据权利要求4所述的运动单站直接定位方法，其特征在于，所述角度计算模型的表达式为：
Figure FDA0002674489530000021
其中，θi为第i个预设角度，di为第i个所述第二预设距离，dj为第j个所述第二预设距离，si为第i个所述第一预设距离，sj为第j个所述第一预设距离。
6.根据权利要求5所述的运动单站直接定位方法，其特征在于，根据第i个所述初始坐标值得到第i个预设坐标值，包括：
在所述观测站点沿第二预设方向进行第(n+1)次移动后，根据所述观测站点的当前位置与所述目标站点之间的距离得到第(n+1)个所述第二预设距离，其中，所述第一预设方向与所述第二预设方向垂直；
基于第n个所述第二预设距离和第(n+1)个所述第二预设距离的关系，根据第i个所述初始坐标值得到第i个预设坐标值。
7.根据权利要求6所述的运动单站直接定位方法，其特征在于，所述第i个初始坐标值的表达式为：
Figure FDA0002674489530000031
其中，Xi为第i个初始坐标值，dn为第n个所述第二预设距离，dn+1为第(n+1)个所述第二预设距离。
8.根据权利要求1所述的运动单站直接定位方法，其特征在于，根据所述目标站点的n个所述预设坐标值得到所述目标站点的最终定位坐标，包括：
基于使残差平方和最小的最小二乘算法，根据n个所述预设坐标值得到所述目标站点的最终定位坐标。
9.一种运动单站直接定位装置，其特征在于，用于实现权力要求1至8任一项所述的运动单站直接定位方法，所述运动单站直接定位装置包括微控制单元、射频模块、惯导模块、电子罗盘，其中，
所述射频模块、所述惯导模块、所述电子罗盘均连接至所述微控制单元。
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