CN113347558A - 一种AoA-Range定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种AoA‑Range定位系统及方法，解决了定位方法繁琐且精确度不高的问题。系统包括：定位终端，用于采集信号；信号终端，信号终端包括信号发送模块和信号接收模块，与定位终端通讯连接，与定位终端之间进行信号收发；控制终端，与定位终端连接，控制终端包括分析计算模块，分析计算模块包括用于分析信号终端的到达角的到达角算法模块，以及用于分析信号终端、定位终端间距的相对位置算法模块。本发明通过将定位终端的天线阵列接收到的信号通过MUSIC算法解算，得到信号终端的到达角，再结合测距得到的Range值，将到达角和Range值结合，从而确定信号终端的具体位置，无需通过复杂的数学运算，通过简单的角度函数即可求得信号终端的位置坐标。

Description

一种AoA-Range定位系统及方法
技术领域
本发明属于定位技术领域，具体来说是一种AoA-Range定位系统及方法。
背景技术
AoA(Angle of Arrival，到达角度)是一种两基站定位方法，基于信号的入射角度进行定位。
现有的AoA定位方法最基本的方法是采用两个基站，基站位置是已知的，通过确认每个基站与信号源的到达角，从基站沿着到达角引出两条线，交点处就是信号源的具体位置。用数学方法就是运用最小二乘法求一个位置坐标。
现有的定位方法不仅计算过程较为繁琐，而且精确度较低。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种AoA-Range定位系统及方法，解决了定位方法繁琐且精确度不高的问题。
本发明的一个技术方案提供的AoA-Range定位系统，所述系统包括：
定位终端，用于采集信号；
信号终端，所述信号终端包括信号发送模块和信号接收模块，与所述定位终端通讯连接，与所述定位终端之间进行信号收发；
控制终端，与所述定位终端连接，所述控制终端包括分析计算模块，所述分析计算模块包括用于分析所述信号终端的到达角的到达角算法模块，以及用于分析所述信号终端、所述定位终端间距的相对位置算法模块。
本发明的一个技术方案，进一步设置为，所述定位终端包括多路用于信号收发的信号通道和与所述信号通道相适配的天线。
本发明的一个技术方案，进一步设置为，所述相对位置算法模块，经由所述信号终端的所述信号发送模块和所述信号接收模块，通过在所述定位终端的所述信号通道内往复传递信号，用于计算所述信号终端和所述定位终端的间距。
本发明的一个技术方案，进一步设置为，所述定位终端包括运算模块，所述运算模块与多路天线适配，所述运算模块包括天线阵列磁力计模块，所述天线阵列磁力计模块用于计算自身的偏航角，
所述分析计算模块还包括总算法模块，所述总算法模块用于接收所述到达角算法模块的到达角以及所述天线阵列磁力计模块的偏航角，经总算法模块处理后，输出信号终端偏航角。
本发明的一个技术方案，进一步设置为，所述分析计算模块还包括坐标运算模块，所述坐标运算模块用于接收所述总算法模块输出的信号终端偏航角，以及所述相对位置算法模块采集的间距值，通过所述坐标运算模块的运算，输出所述信号终端的坐标。
本发明的一个技术方案，进一步设置为，所述分析计算模块包括误差分析模块，所述误差分析模块用于分析所述总运算模块的信号终端偏航角的角误差值，以及所述相对位置算法模块采集的间距值的间距误差值。
本发明的另一技术方案，提供了一种AoA-Range定位方法，所述定位方法包括如下步骤：
步骤S1：到达角算法模块计算所述信号终端的到达角；
步骤S2：相对位置算法模块分析信号终端、定位终端的间距值；
步骤S30：坐标运算模块接收所述到达角和所述间距值，经所述坐标运算模块的计算，输出所述信号终端的坐标。
本发明的一个技术方案，进一步设置为，所述方法还包括步骤S11：天线阵列磁力计模块计算自身的偏航角，总算法模块接收所述到达角算法模块的到达角以及所述天线阵列磁力计模块的偏航角，经总算法模块处理后，输出信号终端偏航角；
所述步骤S11介于所述步骤S1之后，所述步骤S2之前。
本发明的一个技术方案，进一步设置为，所述方法还包括步骤S31：所述坐标运算模块接收所述总算法模块输出的信号终端偏航角，以及所述相对位置算法模块采集的间距值，通过所述坐标运算模块的运算，输出所述信号终端的坐标；
所述步骤S30和所述步骤S31选其一执行。
本发明的一个技术方案，进一步设置为，所述方法还包括步骤S4：误差分析模块接收并分析所述总运算模块的信号终端偏航角，以及所述相对位置算法模块采集的间距值，输出所述总运算模块的信号终端偏航角的角误差值，以及所述相对位置算法模块采集的间距值的间距误差值，所述步骤S4在时域上位于所述步骤S30或S31之后。
本发明的有益效果至少为：
(1)本发明的定位系统通过定位终端、信号终端和控制终端三者的配合，定位终端采集信号之后，与信号终端通过通讯进行信号收发，控制终端的到达角算法模块将信号通过存储于自身的MUSIC算法进行解算，获得信号终端的到达角，控制终端的相对位置算法模块解算获得信号终端和定位终端的间距值，将二者进行简单的角度函数计算获得信号终端(信号源)的坐标值。
(2)本发明通过相对位置算法模块存储的算法，计算信号终端和定位终端的间距，信号来回传输的过程如下：信号终端的信号接收模块收到来自定位终端的信号，经由信号终端的信号发送模块返回至定位终端，信号在定位终端的信号通道内完成往复传递的过程。Range计算方式具体如下：定位终端(基站)发送信号到信号终端(信号源)，信号终端返回信号到定位终端，花费了2T，可以得知信号单程的传输时间为T，已知信号在空气中的传输速度为光速C，则通过公式：S＝CT，得到定位终端和信号终端之间的距离Range。
(3)本发明通过定位终端(基站)内的信号通道和与之相适配的天线配合，实现多通道同步信号采集，提高信号采集效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为现有技术的AoA定位方法的效果图；
图4为本发明的定位方法的效果图。
附图标记说明：
100-定位终端；110-信号通道；120-天线；130-运算模块；131-天线阵列磁力计模块；
200-信号终端；210-信号发送模块；220-信号接收模块；
300-控制终端；310-分析计算模块；311-到达角算法模块；312-相对位置算法模块；313-总算法模块；314-坐标运算模块；315-误差分析模块。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本专利中的Range(距离)指两物体之间的距离，在本专利中具体地指的是定位终端100和信号终端200之间的距离。
MUSIC(Multiple Signal Classification，多信号分类)算法是一种基于矩阵特征空间分解的方法。从几何角度讲，信号处理的观测空间可以分解为信号子空间和噪声子空间，显然这两个空间是正交的。信号子空间由阵列接收到的数据协方差矩阵中与信号对应的特征向量组成，噪声子空间则由协方差矩阵中所有最小特征值(噪声方差)对应的特征向量组成。
本发明通过将定位终端100的天线阵列接收到的信号通过MUSIC算法解算，得到信号终端200的到达角，再结合测距得到的Range值，将到达角和Range值结合，从而确定信号终端200的具体位置，无需通过复杂的数学运算，通过简单的角度函数即可求得信号终端200的位置坐标。特别地，本专利中，基站指的是定位终端100，信号源指的是信号终端200。
实施例一
本实施方式提供了AoA-Range定位系统，系统包括：定位终端100、信号终端200和控制终端300。
具体地，定位终端100用于采集信号；信号终端200包括信号发送模块210和信号接收模块220，与定位终端100通讯连接，与定位终端100之间进行信号收发；控制终端300，与定位终端100连接，控制终端300包括分析计算模块310，分析计算模块310包括用于分析信号终端200的到达角的到达角算法模块311，以及用于分析信号终端200、定位终端100间距的相对位置算法模块312。本发明的定位系统通过定位终端100、信号终端200和控制终端300三者的配合，定位终端100采集信号之后，与信号终端200通过通讯进行信号收发，控制终端300的到达角算法模块311将信号通过存储于自身的MUSIC算法进行解算，获得信号终端200的到达角，控制终端300的相对位置算法模块312解算获得信号终端200和定位终端100的间距值，将二者进行简单的角度函数计算获得信号终端200(信号源)的坐标值。
优选地，定位终端100包括多路用于信号收发的信号通道110和与信号通道110相适配的天线120。定位终端100(基站)内的信号通道110和与之相适配的天线120配合，实现多通道同步信号采集，提高信号采集效率。
优选地，相对位置算法模块312，经由信号终端200的信号发送模块210和信号接收模块220，通过在定位终端100的信号通道110内往复传递信号，用于计算信号终端200和定位终端100的间距。相对位置算法模块312存储的算法用于计算信号终端200和定位终端100的间距，信号来回传输的过程如下：信号终端200的信号接收模块220收到来自定位终端100的信号，经由信号终端200的信号发送模块210返回至定位终端100，信号在定位终端100的信号通道110内完成往复传递的过程。
Range计算方式具体如下：定位终端100(基站)发送信号到信号终端200(信号源)，信号终端200返回信号到定位终端100，花费了2T，可以得知信号单程的传输时间为T，已知信号在空气中的传输速度为光速C，则通过公式：
S＝CT，其中C＝3*10^8(m/s)
得到定位终端100和信号终端200之间的距离Range，定义为S。
优选地，定位终端100包括运算模块130，运算模块130与多路天线120适配，运算模块130包括天线阵列磁力计模块131，天线阵列磁力计模块131用于计算自身的偏航角，分析计算模块310还包括总算法模块313，总算法模块313用于接收到达角算法模块311的到达角以及天线阵列磁力计模块131的偏航角，经总算法模块313处理后，输出信号终端200偏航角。到达角和天线阵列磁力计模块131的偏航角经由总算法模块313处理后，信号终端200偏航角的精确度提高，将信号终端200偏航角与间距值进行角度函数计算，相较于直接将信号终端200到达角和间距值进行角度函数计算，所得信号终端200坐标值的精确度更高。
优选地，分析计算模块310还包括坐标运算模块314，坐标运算模块314用于接收总算法模块313输出的信号终端200偏航角，以及相对位置算法模块312采集的间距值，通过坐标运算模块314的运算，输出信号终端200的坐标。
优选地，分析计算模块310包括误差分析模块315，误差分析模块315用于分析总运算模块130的信号终端200偏航角的角误差值，以及相对位置算法模块312采集的间距值的间距误差值。通过误差分析模块315的运算，可以直观地获得偏航角的角误差值和间距值的间距误差值下，所得到的信号终端200的坐标范围，经验证，如图3和图4所示，相较于现有技术中传统AoA定位方法，本发明的AoA-Range定位误差更小，精确度更高，大大提升了定位的精确度和效率。其中，图3中四边形阴影部分以及图4中斜线部分表示信号终端的定位误差范围，圆形代表了定位终端(基站)的位置，矩形代表了信号终端(信号源)的位置，α为AoA的角误差，a为Range的间距误差。
实施例二
本实施方式对应实施例一的定位系统，具体地说明了对应的AoA-Range定位方法，定位方法包括如下步骤：
步骤S1：到达角算法模块311计算信号终端200的到达角；
步骤S2：相对位置算法模块312分析信号终端200、定位终端100的间距值；
步骤S30：坐标运算模块314接收到达角和间距值，经坐标运算模块314的计算，输出信号终端200的坐标。
优选地，方法还包括步骤S11：天线阵列磁力计模块131计算自身的偏航角，总算法模块313接收到达角算法模块311的到达角以及天线阵列磁力计模块131的偏航角，经总算法模块313处理后，输出信号终端200偏航角；
步骤S11介于步骤S1之后，步骤S2之前。
优选地，方法还包括步骤S31：坐标运算模块314接收总算法模块313输出的信号终端200偏航角，以及相对位置算法模块312采集的间距值，通过坐标运算模块314的运算，输出信号终端200的坐标；
步骤S30和步骤S31选其一执行。
优选地，方法还包括步骤S4：误差分析模块315接收并分析总运算模块130的信号终端200偏航角，以及相对位置算法模块312采集的间距值，输出总运算模块130的信号终端200偏航角的角误差值，以及相对位置算法模块312采集的间距值的间距误差值，步骤S4在时域上位于步骤S30或S31之后。
以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种AoA-Range定位系统，其特征在于，所述系统包括：
定位终端，用于采集信号；
信号终端，所述信号终端包括信号发送模块和信号接收模块，与所述定位终端通讯连接，与所述定位终端之间进行信号收发；
控制终端，与所述定位终端连接，所述控制终端包括分析计算模块，所述分析计算模块包括用于分析所述信号终端的到达角的到达角算法模块，以及用于分析所述信号终端、所述定位终端间距的相对位置算法模块。
2.根据权利要求1所述的AoA-Range定位系统，其特征在于，所述定位终端包括多路用于信号收发的信号通道和与所述信号通道相适配的天线。
3.根据权利要求2所述的AoA-Range定位系统，其特征在于，所述相对位置算法模块，经由所述信号终端的所述信号发送模块和所述信号接收模块，通过在所述定位终端的所述信号通道内往复传递信号，用于计算所述信号终端和所述定位终端的间距。
4.根据权利要求3所述的AoA-Range定位系统，其特征在于，所述定位终端包括运算模块，所述运算模块与多路天线适配，所述运算模块包括天线阵列磁力计模块，所述天线阵列磁力计模块用于计算自身的偏航角，
所述分析计算模块还包括总算法模块，所述总算法模块用于接收所述到达角算法模块的到达角以及所述天线阵列磁力计模块的偏航角，经总算法模块处理后，输出信号终端偏航角。
5.根据权利要求4所述的AoA-Range定位系统，其特征在于，所述分析计算模块还包括坐标运算模块，所述坐标运算模块用于接收所述总算法模块输出的信号终端偏航角，以及所述相对位置算法模块采集的间距值，通过所述坐标运算模块的运算，输出所述信号终端的坐标。
6.根据权利要求5所述的AoA-Range定位系统，其特征在于，所述分析计算模块包括误差分析模块，所述误差分析模块用于分析所述总运算模块的信号终端偏航角的角误差值，以及所述相对位置算法模块采集的间距值的间距误差值。
7.一种AoA-Range定位方法，其特征在于，所述定位方法包括如下步骤：
步骤S1：到达角算法模块计算所述信号终端的到达角；
步骤S2：相对位置算法模块分析信号终端、定位终端的间距值；
步骤S30：坐标运算模块接收所述到达角和所述间距值，经所述坐标运算模块的计算，输出所述信号终端的坐标。
8.根据权利要求7所述的AoA-Range定位方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S11：天线阵列磁力计模块计算自身的偏航角，总算法模块接收所述到达角算法模块的到达角以及所述天线阵列磁力计模块的偏航角，经总算法模块处理后，输出信号终端偏航角；
所述步骤S11介于所述步骤S1之后，所述步骤S2之前。
9.根据权利要求8所述的AoA-Range定位方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S31：所述坐标运算模块接收所述总算法模块输出的信号终端偏航角，以及所述相对位置算法模块采集的间距值，通过所述坐标运算模块的运算，输出所述信号终端的坐标；
所述步骤S30和所述步骤S31选其一执行。
10.根据权利要求9所述的AoA-Range定位方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S4：误差分析模块接收并分析所述总运算模块的信号终端偏航角，以及所述相对位置算法模块采集的间距值，输出所述总运算模块的信号终端偏航角的角误差值，以及所述相对位置算法模块采集的间距值的间距误差值，所述步骤S4在时域上位于所述步骤S30或S31之后。
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