CN113365203A - 分布式多天线无线电定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种分布式多天线无线电定位系统与方法，利用多天线接收无线电定位信号以提高定位系统的可用性和定位精度。根据本申请的分布式多天线无线电定位系统包括多个锚点，广播无线电定位信号；多个接收天线；以及中央处理器。多个接收天线时钟同步并按照已知拓扑结构分布在待定位载体上，多个接收天线中的每一个天线接收来自该天线的可见锚点的定位信号并测量相应的到达时间TOA，中央处理器联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间与所述已知拓扑结构，计算载体的位置。

Description

分布式多天线无线电定位系统及方法
技术领域
本申请涉及无线电导航定位技术领域，特别涉及一种基于分布式多天线的无线电定位系统及方法。
背景技术
位置是人类社会生产、生活、军事领域，不可或缺的重要信息。随着无线电技术的发展和电子设备数据处理能力的提升，无线电定位成为目前发展最为成功、应用最为广泛的定位技术之一，在以精准农业、无人运输、智能驾驶等为代表的智能应用领域中，应用需求不断增加。
一方面，这些新兴智能应用对定位的精度、可靠性、连续可用性有了更高的要求，另一方面，其定位终端面临的环境也更为复杂。无线电定位中，接收机通过对无线电信号的接收和处理获取到达时间TOA、到达时间差TDOA和/或到达角度AOA等特征观测量，利用观测量和发射机的已知位置确定接收机的位置，足够数量的有效观测量和良好的可见锚点几何分布是定位系统可用性和精度的保证。
上述智能应用定位终端使用中可能会遇到城市峡谷或隧道、有大体积货物堆积的港口或仓库等环境。在这样的条件下，定位信号不仅会受环境中遮挡物影响，也可能受到载体自身装载物品的遮挡，接收信号的质量下降，有效观测量数量减少，几何分布恶化，从而定位精度下降，甚至无法实现定位。需要一种创新的无线电定位系统，能够解决严重遮挡情况下定位系统可用性、精度降低的问题。
发明内容
本申请提供了一种分布式多天线无线电定位系统及方法，能够利用多天线接收无线电定位信号以提高定位系统的可用性和定位精度。
根据本申请的一个方面，提供了一种分布式多天线无线电定位系统，包括多个锚点，广播无线电定位信号；多个接收天线；以及中央处理器，其特征在于，所述多个接收天线时钟同步并按照已知拓扑结构分布在待定位载体上，所述多个接收天线中的每一个天线接收来自该天线的可见锚点的定位信号并测量相应的到达时间TOA，所述中央处理器联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间与所述已知拓扑结构，计算载体的位置。
根据本申请的另一个方面，提供了一种分布式多天线无线电定位方法，通过多个锚点广播无线电定位信号，其特征在于，通过时钟同步并按照已知拓扑结构分布在待定位载体上的多个接收天线接收所述定位信号，测量所述多个接收天线中的每一个天线与该天线的可见锚点之间的定位信号的到达时间TOA，联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间与所述已知拓扑结构，计算载体的位置。
附图说明
图1示出了根据本申请一种实施方式的分布式多天线无线电定位系统的示意图。
图2示出了根据本申请另一种实施方式的分布式多天线无线电定位系统的示意图。
图3示出了接收天线和载体参考点的位置映射关系。
图4示出了根据本申请一种实施方式的分布式多天线无线电定位方法流程示意框图。
图5示出了根据本申请一种实施方式的分布式多天线无线电定位系统的一种示例性应用场景。
图6示出了根据本申请一种实施方式的分布式多天线无线电定位系统在如图5所示应用场景中的仿真图；编号为1到6的三角形表示锚点，编号为1到4的星形表示安装在自动导引车AGV上的天线，实心正方形表示AGV的参考点，中间的空心立方体表示AGV上的货物，灰色矩形表示AGV车体，虚线的矩形表示道路两侧的遮挡物，实线表示从天线到可见锚点的视线(LOS)。
图7示出了根据本申请一种实施方式的分布式多天线无线电定位系统在仿真场景中各天线可见锚点数和4个天线可见锚点总数。
图8示出了根据本申请一种实施方式的分布式多天线无线电定位系统在仿真场景下的水平位置精度因子HDOP。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。
根据本申请的定位系统和方法，能够利用多天线接收无线电定位信号以提高定位系统的可用性和定位精度。本申请的定位系统和方法能够实现单天线的定位信号受严重遮挡情况下的定位，并能够应用于智能交通、无人运输等场景。
图1示出了根据本申请一种实施方式的分布式多天线无线电定位系统的示意图。如图所示，一种分布式多天线无线电定位系统，包括多个接收天线100(100-1，100-2，100-3和100-4)，多个锚点200(200-1，200-2，200-3，200-4，200-5和200-6)和中央处理器300。多个锚点200广播无线电定位信号。多个接收天线100时钟同步，并按照已知拓扑结构分布在待定位载体10上。也就是说，多个接收天线100按照固定且已知的位置分布在在待定位载体10上。多个接收天线100中的每一个天线接收来自该天线的可见锚点的定位信号并测量相应的到达时间TOA。中央处理器300联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间与所述已知拓扑结构，计算载体的位置。
根据本申请一种实施方式的定位系统利用多天线对无线电信号的接收，能够实现单天线在定位信号受严重遮挡情况下的定位。此外，通过多个同步天线的接收，有助于增加同时接收的锚点数量，从而增加有效观测量数量，保证系统的高可用性。更进一步地，通过多个同步天线在不同位置对定位信号的接收能够改善可见锚点几何分布，保证连续的高精度定位。
虽然图1中示意性地显示了4个接收天线和6个锚点，不过本领域技术人员可以理解，根据本申请的定位系统中接收天线的数量和拓扑结构，以及锚点的数量不受本实施例限制，可以根据实际应用需要设计。
图2示出了根据本申请另一种实施方式的分布式多天线无线电定位系统的示意图。如图所示，由于环境中遮挡物和载体自身装载货物的存在，单天线定位信号受到严重遮挡，单个接收天线的可见锚点数减少，能够获得的TOA观测量数量不足。
如图2所示，可以设定载体参考点100-c。根据天线100的已知拓扑结构分布，所述中央处理器将每一个天线在导航坐标系下的位置映射为载体参考点的位置和载体坐标系与导航坐标系之间的载体姿态角，联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，计算载体参考点的位置。
本申请的定位系统用到两个坐标系。一个是以载体参考点100-c为原点的载体坐标系，用于表示各天线在载体上的已知位置如图3所示。另一个是导航坐标系，用于表示已知的锚点位置、待定位载体(参考点)位置、各接收天线位置。假定载体在平坦区域工作，则问题可视为在二维平面上的定位问题。
图3示出了接收天线位置在导航坐标系与载体坐标系之间的映射关系。对于每个接收天线，利用已知拓扑结构，该天线在导航坐标系内的坐标可表示为参考点水平坐标(xc,yc)和载体姿态角(例如，航向角)ψ的函数。对于天线100-i(天线i)，其在导航坐标系下位置为
pi＝fi(xc,yc,ψ)
每一个天线接收来自该天线的可见锚点的定位信号并测量相应的到达时间TOA，天线i对其可见的第j个锚点的到达时间TOA观测方程为
ρij＝||p(j)-pi||+δt+εij
p(j)为天线i的第j个可见锚点在导航坐标系下的位置，δt是由等效信号传播距离表示的接收机钟差，εij是TOA测量噪声。一般来说，假设所有测量噪声都是独立同分布高斯白噪声，即εij:N(0,σ2)。
中央处理器联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间与所述已知拓扑结构，得到
ρij＝||p(j)-fi(xc,yc,ψ)||+δt+εij,i＝1,2,L N,j＝1,2,L Mi,
N为接收天线数量，Mi为天线i可见锚点数量。
联立所有方程，得到方程组，共有
Figure BDA0002386994580000051
个方程。该方程组未知数为参考点水平坐标xc、yc、钟差δt和航向角ψ，共4个。当方程数大于4且有两个以上天线可接收到锚点信号时，该方程组可解。中央处理器求解该方程组，计算载体的位置。
根据本申请的定位系统不要求单个天线的可见锚数量大于3个(单天线二维定位需求解参考点水平坐标xc、yc和钟差δt，共3个未知参数，因此需要3个以上方程，也就是现有技术中要求单天线需要有3个以上可见锚点才能求解)，只要满足多个接收天线可见锚点的总数大于4，并且有两个以上天线可接收到锚点信号，就可以求解载体参考点位置。这将在实际应用中大大提高系统的可用性。
此外，根据本申请的定位系统除能够获得载体位置外还能得到载体姿态角，对于某些应用场景具有不可替代的作用。
图4示出了根据本申请一种实施方式的分布式多天线无线电定位方法的算法流程示意框图。如图所示，在S10，通过多个锚点广播无线电定位信号。在S20，通过时钟同步并按照已知拓扑结构分布在待定位载体上的多个接收天线接收定位信号。在S30，测量多个接收天线中的每一个天线与来自该天线的可见锚点的定位信号之间的到达时间TOA。在S40，联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间与所述已知拓扑结构，计算载体的位置。
根据本申请的一种实施方式，可以设定载体参考点，根据天线已知拓扑结构分布，将每一个天线在导航坐标系下的位置映射为载体参考点的位置和载体坐标系与导航坐标系之间的载体姿态角，联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，计算载体参考点的位置。
在上述解算过程中，载体姿态角的初始值将影响算法的精度。为避免载体姿态角初始值任意选择可能带来的算法不收敛或收敛到局部最优解问题，保证定位结果有效性，根据本申请的一种实施方式，可以先对载体姿态角和/或载体参考点位置进行粗略估计作为初始值，再根据上述解算获得精确的载体位置。
根据本申请的一种实施方式，通过各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线间的距离计算各天线的粗略位置估计。可以理解，接收天线数量为N时，待求解未知参数为y＝[x1 y1 x2 y2 L xN yN δt]T，共2N+1个。各天线与该天线可见锚点间的到达时间观测方程为ρij＝||p(j)-pi||+δt+εij，共
Figure BDA0002386994580000061
个，Mi为天线i可见锚点数量；天线间距离由各天线在载体坐标系上的已知拓扑计算，表示成导航坐标系下天线位置的函数，共C(N,2)个观测方程。联立所有观测方程，组成方程组，求解未知状态y。当
Figure BDA0002386994580000062
时，求解该方程组，可以计算各天线的粗略位置估计。根据各天线的粗略位置估计计算载体参考点位置的初始值和载体坐标系与导航坐标系之间的载体姿态角初始值。联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，根据载体参考点位置的初始值和载体姿态角初始值，迭代计算载体参考点的位置和载体姿态角。
根据本申请的另一种实施方式，可以通过外部传感器(未示出)获得载体姿态角先验信息，将先验信息作为载体姿态角初始值。中央处理器可以联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，根据载体姿态角先验信息，迭代计算载体参考点的位置和载体姿态角。
图5是本申请定位系统和方法的一个示例性应用场景。该应用为无人港口或仓库中的自动导引车(AGV)定位。在该场景中，AGV对应于本申请定位系统的待定位载体。AGV没有厢体，为平板结构，装载有不超过AGV长宽的货物。道路两侧有超过AGV高度的遮挡物。由于车体的限制，接收天线不能安装在车辆的最高点，无线定位信号不仅受到环境中遮挡物的影响，还受到载运货物的遮挡。
按照图5应用环境，建立仿真场景如图6所示，环境中有2个遮挡物，1个AGV，AGV上装载一些货物。定位系统有6个锚点，4个严格时钟同步的接收天线安装在AGV的4个角上。选择东、北、天方向分别为导航坐标系的x、y、z轴；AGV中心为载体坐标系原点，前、右、下方向分别为载体坐标系x、y、z轴方向，取载体前向与北向夹角为航向角，北偏东方向正。AGV从(-4.75,4.53,2.4)m处以初始姿态(0,0,1.47)rad自西向东沿道路运动，运动过程中高度、滚动角、俯仰角保持不变，共运行180s。
设置接收机和锚点系统的钟差为149.90m，各天线对其可见锚点的TOA测量噪声独立独立同分布，服从均值为0，方差为0.2m的高斯分布。
仿真得到各天线可见锚点数如图7所示。在图7中，天线2和天线3可见锚点数始终小于3。天线1和天线4在某些时刻具有3个以上可见锚点，这些时刻单天线定位系统可用，而在仿真的其它时间，单天线定位系统不可用。而多天线总可见锚点数始终大于4，而且始终有两个以上的天线具有一个或多个可见锚点。本申请的分布式多天线无线定位系统在本场景下的可用率为100％(同等条件下，单天线定位系统的可用率为70.6％)，环境和AGV上都有遮挡物的情况下，显著提高了定位的可用性。
仿真得到本申请的定位方法在本仿真场景下的水平位置精度因子HDOP如图8所示。在整个动态实验过程中，HDOP保持小于1.8，说明多天线接收为定位系统带来了较好的可见锚点几何分布，理论上可以得到高精度的定位结果，满足AGV应用需求。
以上实施方式仅用于说明本申请，而并非对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本申请的范畴，本申请的专利保护范围由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种分布式多天线无线电定位系统，包括多个锚点，广播无线电定位信号；多个接收天线；以及中央处理器，其特征在于，所述多个接收天线时钟同步并按照已知拓扑结构分布在待定位载体上，所述多个接收天线中的每一个天线接收来自该天线的可见锚点的定位信号并测量相应的到达时间，所述中央处理器联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间与所述已知拓扑结构，计算载体的位置。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其中，设定载体参考点，根据已知拓扑结构，所述中央处理器将每一个天线在导航坐标系下的位置映射为载体参考点的位置和载体坐标系与导航坐标系之间的载体姿态角，联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，计算载体参考点的位置。
3.根据权利要求2所述的定位系统，其中，所述中央处理器根据各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线间的距离，计算各天线的粗略位置估计；根据各天线的粗略位置估计计算载体参考点位置的初始值和载体坐标系与导航坐标系之间的载体姿态角初始值；联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，根据载体参考点位置的初始值和载体姿态角初始值，迭代计算载体参考点的位置和载体姿态角。
4.根据权利要求2所述的定位系统，其中，通过外部传感器获得载体姿态角先验信息，所述中央处理器联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，根据载体姿态角先验信息，迭代计算载体参考点的位置和载体姿态角。
5.一种分布式多天线无线电定位方法，通过多个锚点广播无线电定位信号，其特征在于，通过时钟同步并按照已知拓扑结构分布在待定位载体上的多个接收天线接收所述定位信号，测量所述多个接收天线中的每一个天线与该天线的可见锚点之间的定位信号的到达时间，联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间与所述已知拓扑结构，计算载体的位置。
6.根据权利要求5所述的定位方法，其中，设定载体参考点，根据已知拓扑结构，将每一个天线在导航坐标系下的位置映射为载体参考点的位置和载体坐标系与导航坐标系之间的载体姿态角，联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，计算载体参考点的位置。
7.根据权利要求6所述的定位方法，其中，根据各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线间的距离，计算各天线的粗略位置估计；根据各天线的粗略位置估计计算载体参考点位置的初始值和载体坐标系与导航坐标系之间的载体姿态角初始值；联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，根据载体参考点位置的初始值和载体姿态角初始值，迭代计算载体参考点的位置和载体姿态角。
8.根据权利要求6所述的定位方法，其中，获得载体姿态角先验信息，联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间和各天线与载体参考点之间的位置映射关系，根据载体姿态角先验信息，迭代计算载体参考点的位置和载体姿态角。
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