CN113382471B - 一种基于离开角估计的定位系统和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离开角估计的定位系统和定位方法，包括基站模块和目标模块，所述基站模块，用于根据测向通信协议向所述目标模块广播无线电信号；所述目标模块，用于接收处理所述基站模块发射的无线电信号获得基站广播信号离开角估计值并根据多个基站广播信号离开角估计值、基站空间位置等信息进行目标模块融合定位。本发明具有基于离开角估计的定位且定位精度高的技术特点，有利于构建的面向用户的多基站联合定位系统。

Description

一种基于离开角估计的定位系统和定位方法

技术领域

本发明涉及协作无线通信测向定位技术领域，特别涉及一种基于离开角估计的定位系统和定位方法。

背景技术

万物互联时代，不仅需要目标的时间、状态等信息，更需要目标的位置信息。无线电测向是依据电磁波传播特性，测向装置所在地电磁环境中电波达到的方向，通常是非协作模式。无线电测向通常的最终目的是要确定“辐射源的方向”和“辐射源的具体位置”。

本发明深入研究无线电协作通信离开角测向技术，提出了一种基于离开角估计的定位方法与系统，基站测向协议包信号中的用于目标模块估计基站广播信号离开角的测向信号通过循环电扫的模式经过天线阵广播，目标接收到的无线电信号测向信号部分将会叠加由阵列流形引起的相位信息，通过提取相位矢量并结合阵列信号测向算法估计基站广播信号离开角，目标根据一段时间间隔内信号所有的基站广播信号离开角估计值、基站空间位置等信息融合定位目标位置。此外，由于基站在布设时天线阵朝向不一致会影响融合定位精度，需要通过相应的转换关系使得各个基站天线阵朝向一致，并且基于转换关系修正离开角。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于离开角估计的定位系统和定位方法，具有基于离开角估计的定位且定位精度高的技术特点，有利于构建的面向用户的多基站联合定位系统。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明公开了一种基于离开角估计的定位系统，包括基站模块和目标模块，其中：

所述基站模块，用于根据测向通信协议向所述目标模块广播无线电信号；

所述目标模块，用于接收处理所述基站模块发射的无线电信号获得基站广播信号离开角估计值并根据多个基站广播信号离开角估计值、基站空间位置进行目标模块融合定位。

进一步的，所述基站模块中包含第一主控器、射频信号发生器、射频移相器、射频开关和天线阵，其中：

所述第一主控器与所述射频信号发生器、射频移相器和射频开关连接，用于控制所述射频信号发生器、射频移相器和射频开关；

所述射频信号发生器与所述第一主控器和射频移相器连接，用于根据测向通信协议生成射频信号；

所述射频移相器与所述第一主控器、射频信号发生器和射频开关连接，用于当各个射频通道长度不一致时补偿与各个天线相连的射频通道馈线相位；

所述射频开关与所述射频移相器和天线阵连接，用于根据循环电扫模式快速切换至对应天线；

所述天线阵与所述射频开关连接，用于辐射射频信号。

优选的，所述射频信号发生器按照时分复用、频分复用模式单一或多种组合的方式生成射频信号，用于避免所述目标模块接收信号碰撞。

进一步的，所述目标模块包括天线、ADC、第二主控器、译码器、信号存储器和信号处理器，其中：

所述ADC与所述天线、译码器和信号存储器连接，用于将天线接收的射频模拟信号转换成基带数字信号并获得信号接收信号强度指示值；

所述第二主控器与所述译码器、信号存储器和信号处理器连接，用于控制所述译码器、信号存储器和信号处理器；

所述译码器与所述ADC和第二主控器连接，用于实时译码基带数字信号且实时检测是否有测向通信协议包的标识码并反馈至所述第二主控器；

所述信号存储器与所述ADC、第二主控器和信号处理器连接，用于存储基带数字信号且所述第二主控器在收到译码器的测向通信协议包反馈时控制所述信号存储器在特定时长后存储一段包含测向数据的信号；

所述信号处理器与所述第二主控器和信号存储器连接，用于：

基站广播信号离开角估计；

根据一段时间内的多个基站广播信号离开角估计值、基站空间位置、接收信号强度指示值进行目标模块融合定位。

进一步的，所述信号处理器包括估计基站广播信号离开角与估计目标模块空间位置；

为了估计基站广播信号离开角，所述信号处理器将接收到的单天线基带数字信号按照循环电扫时间间隔重新组织为多天线基带数字信号，利用阵列信号测向算法快速估计基站广播信号离开角；

为了估计目标模块空间位置，所述信号处理器根据目标定位实时性要求设置时间间隔进而通过多源异构传感器数据融合技术将时间间隔内信号处理器所有估计的基站广播信号离开角、基站空间位置进行融合从而得到目标模块空间位置的估计。

进一步的，所述离开角基于各个基站天线阵坐标系确定，所述基站模块中各个基站的天线阵坐标系的X轴、Y轴、Z轴朝向存在不一致时通过相应的转换关系使得各个基站朝向一致，并基于转换关系修正离开角。

进一步的，所述信号处理器根据一段时间内的多个基站广播信号接收信号强度指示值参与目标模块融合定位，用于辅助提高定位精度。

进一步的，所述信号处理器中使用的基站空间位置通过基站广播信号传输、存储器读取或移动通信网络获取的方式获得。

进一步的，所述基站模块与目标模块之间具有测向通信协议，所述测向通信协议中应至少包含如下信息：

用于表明基站模块身份的唯一标识码；

用于目标模块识别测向通信协议包的标识码；

用于目标模块估计基站广播信号离开角的测向信息码。

进一步的，所述测向通信协议中还包括如下信息：

用于表明基站模块空间位置的信息码；或，

用于标记基站广播无线电信号时刻的时间戳。

本发明另外公开了一种基于离开角估计的定位方法，利用上述基于离开角估计的定位系统进行定位，包括以下步骤：

步骤1：基站模块根据测向通信协议经由天线阵向目标模块周期性广播无线信号；

步骤2：目标模块接收基站模块发射的无线信号，并估计无线信号的离开角；

步骤3：目标模块按照规则重新组合各个基站的离开角并结合对应基站的空间位置进行多基站融合定位。

进一步的，所述步骤2或步骤3中，需要使基站模块中各个基站的天线阵坐标系的X轴、Y轴、Z轴朝向一致，并根据对应的转换关系修正无线信号的离开角。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明深入研究无线电协作通信离开角测向技术，提出了一种基于离开角估计的定位方法与系统，基站测向协议包信号中的用于目标模块估计基站广播信号离开角的测向信号通过循环电扫的模式经过天线阵广播，目标接收到的无线电信号测向信号部分将会叠加由阵列流形引起的相位信息，通过提取相位矢量并结合阵列信号测向算法估计基站广播信号离开角，目标根据一段时间间隔内信号所有的基站广播信号离开角估计值、基站空间位置等信息融合定位目标位置；

2、本发明一种基于离开角估计的定位系统，具有基于离开角估计的定位且定位精度高的技术特点，有利于构建的面向用户的多基站联合定位系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为本发明一种基于离开角估计的定位系统的模块图；

图2为本发明实施例中举例的平面阵阵列天线俯视图；

图3为本发明一种基于离开角估计的定位方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种基于离开角估计的定位系统，包括基站模块和目标模块，其中：

所述基站模块，用于根据测向通信协议向所述目标模块广播无线电信号；

所述目标模块，用于接收处理所述基站模块发射的无线电信号获得基站广播信号离开角估计值并根据多个基站广播信号离开角估计值、基站空间位置等信息进行目标模块融合定位。

进一步的，所述基站模块与目标模块之间具有测向通信协议，所述测向通信协议中包含不限于如下信息：(1)用于表明基站模块身份的唯一标识码；(2)用于目标模块识别测向通信协议包的标识码；(3)用于目标模块估计基站广播信号离开角的测向信息码。为了优化定位方法，所述测向通信协议中可以包含并不限于如下信息：(4)用于表明基站模块空间位置的信息码；(5)用于标记基站广播无线电信号时刻的时间戳。本实施例中测向信息码最终以全“1”或全“0”的比特流经GFSK调制后广播出去。

具体的，所述基站模块中包含第一主控器、射频信号发生器、射频移相器、射频开关和天线阵，其中：

所述第一主控器与所述射频信号发生器、射频移相器和射频开关连接，用于控制所述射频信号发生器、射频移相器和射频开关。本实施例中，所述第一主控器对三者的控制功能，可以通过分别与射频信号发生器、射频移相器和射频开关的分控制器替换。

所述射频信号发生器与所述第一主控器和射频移相器连接，用于根据测向通信协议生成射频信号；

所述射频移相器与所述第一主控器、射频信号发生器和射频开关连接，用于当各个射频通道长度不一致时补偿与各个天线相连的射频通道馈线相位；原因在于，连接所述天线与射频信号发生器之间的各个射频通道长度不一致，引起射频通道馈线相位差异，影响测向效果。具体的，当各个射频通道长度一致时，射频移相器不需要进行相位补偿；当各个射频通道长度不一致时，可以将任一射频通道馈线相位作为参照，射频移相器根据其余通道馈线相位与参照相位之间的差值进行相位补偿，也可在差值序列基础上加一个整体相移作为射频移相器的补偿值。

所述射频开关与所述射频移相器和天线阵连接，用于根据循环电扫模式快速切换至对应天线，有利于减少射频通道数目降低基站模块硬件成本；

所述天线阵与所述射频开关连接，用于辐射射频信号。基站装置的天线阵如图2所示，用于二维入射角度观测。定义入射俯仰角度为入射信号与天线阵XOY平面的夹角；定义入射方位角度为入射信号在天线阵XOY平面的投影与天线阵X轴正方向的夹角。

优选的，所述射频信号发生器按照时分复用、频分复用模式单一或多种组合的方式生成射频信号，用于避免所述目标模块接收信号碰撞，所述基站模块可以按照蓝牙避碰协议广播射频信号。

具体的，所述目标模块包括天线、ADC(Analog-to-digital converter，模拟数字转换器)、第二主控器、译码器、信号存储器和信号处理器，其中：

所述ADC与所述天线、译码器和信号存储器连接，用于将天线接收的射频模拟信号转换成基带数字信号并获得信号接收信号强度指示值。本实施例中，所述ADC内部可以细分为射频模拟信号接收、信号强度指示、功放电路、下变频、滤波、模数变换等部分。此外，模数变换可以往天线端靠近，如ADC内部还可以细分为射频模拟信号接收、信号强度指示、功放电路、模数变换、数字下变频、数字滤波等部分。亦或将信号强度指示从ADC中分离单独模块处理。

所述第二主控器与所述译码器、信号存储器和信号处理器连接，用于控制所述译码器、信号存储器和信号处理器。本实施例中，所述第二主控器对三者的控制功能，可以通过分别与译码器、信号存储器和信号处理器的分控制器替换。

所述译码器与所述ADC和第二主控器连接，用于实时译码基带数字信号且实时检测是否有测向通信协议包的标识码并反馈至所述第二主控器；

所述信号存储器与所述ADC、第二主控器和信号处理器连接，用于存储基带数字信号且所述第二主控器在收到译码器的测向通信协议包反馈时控制所述信号存储器在特定时长后存储一段包含测向数据的信号；

所述信号处理器与所述第二主控器和信号存储器连接，用于：

基站广播信号离开角估计；

根据一段时间内的多个基站广播信号离开角估计值、基站空间位置等信息进行目标模块融合定位。

进一步的，所述信号处理器包括估计基站广播信号离开角与估计目标模块空间位置；

为了估计基站广播信号离开角，所述信号处理器将接收到的单天线基带数字信号按照循环电扫时间间隔重新组织为多天线基带数字信号，利用MUSIC、ESPRIT等阵列信号测向算法快速估计基站广播信号离开角；

为了估计目标模块空间位置，所述信号处理器根据目标定位实时性要求设置时间间隔(如：0.5秒)进而通过多源异构传感器数据融合技术将时间间隔内信号处理器所有估计的基站广播信号离开角(俯仰角与方位角)、基站空间位置等数据进行融合从而得到目标模块空间位置的估计。

进一步的，所述离开角基于各个基站天线阵坐标系确定，所述基站模块中各个基站的天线阵坐标系的X轴、Y轴、Z轴朝向存在不一致时通过相应的转换关系使得各个基站朝向一致，并基于转换关系修正离开角。

进一步的，所述信号处理器根据一段时间内的多个基站广播信号接收信号强度指示值参与目标模块融合定位，用于辅助提高定位精度。

进一步的，所述信号处理器中使用的基站空间位置通过基站广播信号传输、存储器读取或移动通信网络获取的方式获得。

实施例二

如图3所示，本发明另外公开了一种基于离开角估计的定位方法，利用上述基于离开角估计的定位系统进行定位，包括以下步骤：

步骤1：基站模块根据测向通信协议经由天线阵向目标模块周期性广播无线信号；

步骤2：目标模块接收基站模块发射的无线信号，并估计无线信号的离开角；

步骤3：目标模块按照规则重新组合各个基站的离开角并结合对应基站的空间位置进行多基站融合定位。

进一步的，所述步骤2或步骤3中，所述离开角基于各个基站天线阵坐标系确定，所述基站模块中各个基站的天线阵坐标系的X轴、Y轴、Z轴朝向存在不一致时通过相应的转换关系使得各个基站朝向一致，并基于转换关系修正离开角。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种基于离开角估计的定位系统，其特征在于，包括基站模块和目标模块，其中：

所述基站模块，用于根据测向通信协议向所述目标模块广播无线电信号；

所述基站模块中包含第一主控器、射频信号发生器、射频移相器、射频开关和天线阵，其中：

所述第一主控器与所述射频信号发生器、射频移相器和射频开关连接，用于控制所述射频信号发生器、射频移相器和射频开关；

所述射频信号发生器与所述第一主控器和射频移相器连接，用于根据测向通信协议生成射频信号；

所述射频移相器与所述第一主控器、射频信号发生器和射频开关连接，用于当各个射频通道长度不一致时补偿与各个天线相连的射频通道馈线相位；

所述射频开关与所述射频移相器和天线阵连接，用于根据循环电扫模式快速切换至对应天线；

所述天线阵与所述射频开关连接，用于辐射射频信号；

所述目标模块，用于接收处理所述基站模块发射的无线电信号获得基站广播信号离开角估计值并根据多个基站广播信号离开角估计值、基站空间位置进行目标模块融合定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于离开角估计的定位系统，其特征在于，所述射频信号发生器按照时分复用、频分复用模式单一或多种组合的方式生成射频信号，用于避免所述目标模块接收信号碰撞。

3.根据权利要求1所述的一种基于离开角估计的定位系统，其特征在于，所述目标模块包括天线、ADC、第二主控器、译码器、信号存储器和信号处理器，其中：

所述ADC与所述天线、译码器和信号存储器连接，用于将天线接收的射频模拟信号转换成基带数字信号并获得信号接收信号强度指示值；

所述第二主控器与所述译码器、信号存储器和信号处理器连接，用于控制所述译码器、信号存储器和信号处理器；

所述译码器与所述ADC和第二主控器连接，用于实时译码基带数字信号且实时检测是否有测向通信协议包的标识码并反馈至所述第二主控器；

所述信号存储器与所述ADC、第二主控器和信号处理器连接，用于存储基带数字信号且所述第二主控器在收到译码器的测向通信协议包反馈时控制所述信号存储器在特定时长后存储一段包含测向数据的信号；

所述信号处理器与所述第二主控器和信号存储器连接，用于：

基站广播信号离开角估计；

根据一段时间内的多个基站广播信号离开角估计值、基站空间位置进行目标模块融合定位。

4.根据权利要求3所述的一种基于离开角估计的定位系统，其特征在于，所述信号处理器包括估计基站广播信号离开角与估计目标模块空间位置；

为了估计基站广播信号离开角，所述信号处理器将接收到的单天线基带数字信号按照循环电扫时间间隔重新组织为多天线基带数字信号，利用阵列信号测向算法快速估计基站广播信号离开角；

为了估计目标模块空间位置，所述信号处理器根据目标定位实时性要求设置时间间隔进而通过多源异构传感器数据融合技术将时间间隔内信号处理器所有估计的基站广播信号离开角、基站空间位置进行融合从而得到目标模块空间位置的估计。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于离开角估计的定位系统，其特征在于，所述离开角基于各个基站天线阵坐标系确定，所述基站模块中各个基站的天线阵坐标系的X轴、Y轴、Z轴朝向存在不一致时通过相应的转换关系使得各个基站朝向一致，并基于转换关系修正离开角。

6.根据权利要求3或4所述的一种基于离开角估计的定位系统，其特征在于，所述信号处理器根据一段时间内的多个基站广播信号接收信号强度指示值参与目标模块融合定位，用于辅助提高定位精度。

7.根据权利要求3所述的一种基于离开角估计的定位系统，其特征在于，所述信号处理器中使用的基站空间位置通过基站广播信号传输、存储器读取或移动通信网络获取的方式获得。

8.根据权利要求1所述的一种基于离开角估计的定位系统，其特征在于，所述基站模块与目标模块之间具有测向通信协议，所述测向通信协议中应至少包含如下信息：

用于表明基站模块身份的唯一标识码；

用于目标模块识别测向通信协议包的标识码；

用于目标模块估计基站广播信号离开角的测向信息码。

9.根据权利要求8所述的一种基于离开角估计的定位系统，其特征在于，所述测向通信协议中还包括如下信息：

用于表明基站模块空间位置的信息码；或，

用于标记基站广播无线电信号时刻的时间戳。

10.一种基于离开角估计的定位方法，其特征在于，利用上述权利要求1-9中任意一种基于离开角估计的定位系统进行定位，包括以下步骤：

步骤1：基站模块根据测向通信协议经由天线阵向目标模块周期性广播无线信号；

步骤2：目标模块接收基站模块发射的无线信号，并估计无线信号的离开角；

步骤3：目标模块按照规则重新组合各个基站的离开角并结合对应基站的空间位置进行多基站融合定位。

11.根据权利要求10所述的一种基于离开角估计的定位方法，其特征在于，所述步骤2或步骤3中，所述离开角基于各个基站天线阵坐标系确定，所述基站模块中各个基站的天线阵坐标系的X轴、Y轴、Z轴朝向存在不一致时通过相应的转换关系使得各个基站朝向一致，并基于转换关系修正离开角。

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