CN113514794B - 基于aoa和tdoa的室内三维定位方法 - Google Patents

基于aoa和tdoa的室内三维定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113514794B
CN113514794B CN202110431436.6A CN202110431436A CN113514794B CN 113514794 B CN113514794 B CN 113514794B CN 202110431436 A CN202110431436 A CN 202110431436A CN 113514794 B CN113514794 B CN 113514794B
Authority
CN
China
Prior art keywords
base station
tdoa
tag card
aoa
tested
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110431436.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113514794A (zh
Inventor
刘思平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Jiaotong University
Original Assignee
Beijing Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Jiaotong University filed Critical Beijing Jiaotong University
Priority to CN202110431436.6A priority Critical patent/CN113514794B/zh
Publication of CN113514794A publication Critical patent/CN113514794A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113514794B publication Critical patent/CN113514794B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/04—Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0257—Hybrid positioning
    • G01S5/0258—Hybrid positioning by combining or switching between measurements derived from different systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/06—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于AOA和TDOA的室内三维定位方法，属于室内定位领域，具体包括按照预定位置设置TDOA基站和AOA基站；待测标签卡发送UWB信号；AOA基站接收到UWB信号，解析数据获得与待测标签卡的距离和Z轴与AOA基站和待测标签卡连线之间的角度；根据角度和距离，计算得到待测标签卡的位置点与AOA基站的高度差；根据高度差计算待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度；将三维空间中的时间差转为平面XOY上的时间差，并计算待测标签卡到达各TDOA基站的时间；根据TDOA原理和时间得到待测标签卡在XOY平面的二维坐标；根据二维坐标和待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度得到待测标签卡的空间坐标。通过本申请的处理方案，更加快速准确的传递信息。

Description

基于AOA和TDOA的室内三维定位方法
技术领域
本发明涉及室内定位领域，具体涉及一种基于AOA和TDOA的室内三维定位方法。
背景技术
在传统的AOA(Angle Of Arrival，到达角度)和TDOA(Time Difference OfArrival，到达时间差)三维定位，待测标签需同时发射无线射频信号和超声波信号，基站接收信号后会记录信号到达时间，并根据信号不同速度计算出两点间的距离。
由于待测标签同时发射两种信号，存在一定的时间差，且超声波信号的速度的数量级与无线射频信号的速度数量级上差别太大，导致由速度计算距离时，会不容易区分距离的变化。
发明内容
因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种有效防止不同信号的速度差异带来的计算误差，可以更加快速准确的传递信息的基于AOA和TDOA的室内三维定位方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于AOA和TDOA的室内三维定位方法，包括：按照预定位置设置TDOA基站和AOA基站；待测标签卡发送UWB信号；AOA基站接收到UWB信号，解析数据获得与所述待测标签卡的距离和Z轴与AOA基站和所述待测标签卡连线之间的角度；根据角度和距离，计算得到所述待测标签卡的位置点与AOA基站的高度差；根据高度差计算所述待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度；将三维空间中的时间差转为平面XOY上的时间差，并计算所述待测标签卡到达各所述TDOA基站的时间；根据TDOA原理和时间得到所述待测标签卡在XOY平面的二维坐标；根据所述二维坐标和所述待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度得到所述待测标签卡的空间坐标。
在其中一个实施例中，所述按照预定位置设置TDOA基站和AOA基站包括：将三个TDOA基站设置在在同一水平面XOY上，AOA基站的双天线构成的直线平行于Z轴，AOA基站的双天线之间的距离为半个波长。
在其中一个实施例中，所述将三维空间中的时间差转为平面XOY上的时间差，并计算所述待测标签卡到达各所述TDOA基站的时间，包括：UWB信号从所述待测标签卡到TDOA基站的时间为Tpa，已知高度h，将其转为时间为T＝h/c，则平面时间Tp’a可根据Tpa和T计算得到，
与现有技术相比，本发明的优点在于：对标签节点和接收基站都要求采用UWB信号进行无线传输，不需要考虑不同信号的速度得差异，且只需要通过AOA获取一个角度信息，降低节点的运行功耗，实现低功耗，可有效防止不同信号的速度差异带来的计算误差，可以更加快速准确的传递信息。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。
图1是本发明的实施例中基站和标签卡在三维空间内的部署示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。
本申请实施例提供一种基于AOA和TDOA的室内三维定位方法，包括：
1)按照预定位置设置TDOA基站和AOA基站。
2)待测标签卡发送UWB(Ultra Wide Band，超宽带)信号。
3)AOA基站接收到UWB信号，解析数据获得与待测标签卡的距离和Z轴与AOA基站和待测标签卡连线之间的角度。AOA基站解析数据获得角度α和与标签卡P的距离d，距离d是由无线信号传播速度c乘以无线信号在空中的传播时间得到，即
4)根据角度和距离，计算得到待测标签卡的位置点与AOA基站的高度差。高度差l＝cos(α)*d。
5)根据高度差计算待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度。高度d＝za-高度差l。其中，za为AOA基站的Z坐标；待测标签卡的z坐标为d。
6)将三维空间中的时间差转为平面XOY上的时间差，并计算待测标签卡到达各TDOA基站的时间。在其中一个实施例中，将三维空间中的时间差转为平面XOY上的时间差，并计算待测标签卡到达各TDOA基站的时间，包括：UWB信号从待测标签卡到TDOA基站的时间为Tpa，已知高度h，将其转为时间为T＝h/c，则平面时间Tp’a可根据Tpa和T计算得到，以标签卡P到TDOA基站A的转化为例进行说明，标签卡到A基站的时间为Tpa，已知高度h，将其转为时间为T＝h/c，则平面时间Tp’a可根据Tpa和T计算得到，同理可得到在XOY平面上标签卡到其他两个TDOA基站的时间。
7)根据TDOA原理和时间得到待测标签卡在XOY平面的二维坐标。根据TDOA原理，可以得到如下方程组：
其中(xi,yi)(i＝1,2，3)为TDOA基站在XOY平面的二维坐标，(x,y)为待测标签卡在XOY平面的二维坐标。
8)根据二维坐标和待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度得到待测标签卡的空间坐标。根据第7步求得(x,y)和第5步求得z合并构成了标签卡在空间中的坐标(x,y,z)。
如图1所示，在其中一个实施例中，将三个TDOA基站设置在在同一水平面XOY上，AOA基站的双天线构成的直线平行于Z轴，AOA基站的双天线之间的距离为半个波长。三个TDOA基站A、B、C在同一水平面XOY上，AOA基站的双天线a1和a2构成的直线平行于Z轴，AOA基站的双天线之间的距离为半个波长λ/2，三维空间内待测标签卡的位置为P点，所有基站(TDOA基站和AOA基站)的三维坐标都已知。
上述基于AOA和TDOA的室内三维定位方法，对标签节点和接收基站都要求采用UWB信号进行无线传输，不需要考虑不同信号的速度得差异，且只需要通过AOA获取一个角度信息，降低节点的运行功耗，实现低功耗，可有效防止不同信号的速度差异带来的计算误差，可以更加快速准确的传递信息。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于AOA和TDOA的室内三维定位方法，其特征在于，包括：
按照预定位置设置TDOA基站和AOA基站，包括：将三个TDOA基站设置在同一水平面XOY上，AOA基站的双天线构成的直线平行于Z轴，AOA基站的双天线之间的距离为半个波长；
待测标签卡发送UWB信号；
AOA基站接收到信号，解析数据获得与所述待测标签卡的距离和Z轴与AOA基站和所述待测标签卡连线之间的角度；
根据角度和距离，计算得到所述待测标签卡的位置点与AOA基站的高度差；
根据高度差计算所述待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度；
将三维空间中的时间差转为平面XOY上的时间差，并计算所述待测标签卡到达各所述TDOA基站的时间，包括：UWB信号从所述待测标签卡到TDOA基站的时间为Tpa，已知高度h，将其转为时间为T＝h/c，则平面时间Tp’a可根据Tpa和T计算得到，其中，c为无线信号传播速度；
根据TDOA原理和时间得到所述待测标签卡在XOY平面的二维坐标；
根据所述二维坐标和所述待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度得到所述待测标签卡的空间坐标。
CN202110431436.6A 2021-04-21 2021-04-21 基于aoa和tdoa的室内三维定位方法 Active CN113514794B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110431436.6A CN113514794B (zh) 2021-04-21 2021-04-21 基于aoa和tdoa的室内三维定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110431436.6A CN113514794B (zh) 2021-04-21 2021-04-21 基于aoa和tdoa的室内三维定位方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113514794A CN113514794A (zh) 2021-10-19
CN113514794B true CN113514794B (zh) 2023-11-14

Family

ID=78061543

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110431436.6A Active CN113514794B (zh) 2021-04-21 2021-04-21 基于aoa和tdoa的室内三维定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113514794B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11846717B2 (en) * 2021-11-30 2023-12-19 Meta Platforms Technologies, Llc Systems and methods of angle-of-arrival determination in wireless devices
CN114007261B (zh) * 2022-01-05 2022-06-10 华清科盛(北京)信息技术有限公司 一种基于uwb定位系统的航吊吊钩三维定位方法及系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107271957A (zh) * 2017-06-20 2017-10-20 南京理工大学 基于tdoa和toa的室内三维定位方法
CN107770859A (zh) * 2017-09-21 2018-03-06 天津大学 一种考虑基站位置误差的tdoa‑aoa定位方法
CN109387808A (zh) * 2017-08-08 2019-02-26 深圳市润安科技发展有限公司 一种定位待测点的方法及装置
CN109901106A (zh) * 2019-04-02 2019-06-18 北京理工大学 一种tdoa/aoa混合定位方法
CN110412507A (zh) * 2019-08-01 2019-11-05 常熟瑞特电气股份有限公司 基于uwb的室内定位系统
CN110636436A (zh) * 2019-08-26 2019-12-31 浙江万胜智能科技股份有限公司 基于改进chan算法的三维uwb室内定位方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8208939B2 (en) * 2007-02-05 2012-06-26 Aeroscout Ltd. Dual bandwidth time difference of arrival (TDOA) system
CN105607034A (zh) * 2015-12-23 2016-05-25 北京凌宇智控科技有限公司 一种三维空间检测系统、定位方法及系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107271957A (zh) * 2017-06-20 2017-10-20 南京理工大学 基于tdoa和toa的室内三维定位方法
CN109387808A (zh) * 2017-08-08 2019-02-26 深圳市润安科技发展有限公司 一种定位待测点的方法及装置
CN107770859A (zh) * 2017-09-21 2018-03-06 天津大学 一种考虑基站位置误差的tdoa‑aoa定位方法
CN109901106A (zh) * 2019-04-02 2019-06-18 北京理工大学 一种tdoa/aoa混合定位方法
CN110412507A (zh) * 2019-08-01 2019-11-05 常熟瑞特电气股份有限公司 基于uwb的室内定位系统
CN110636436A (zh) * 2019-08-26 2019-12-31 浙江万胜智能科技股份有限公司 基于改进chan算法的三维uwb室内定位方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113514794A (zh) 2021-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109212471B (zh) 一种定位基站、系统和方法
CN110099354B (zh) 一种结合tdoa与tof的超宽带通信二维定位方法
CN113514794B (zh) 基于aoa和tdoa的室内三维定位方法
CN106793087B (zh) 一种基于aoa和pdoa的阵列天线室内定位方法
CN207217787U (zh) 蓝牙天线阵列及短距无线定位系统
CN107566065A (zh) 基于uwb的tof定位方法
CN109001675B (zh) 一种基于相位差测量距离差的定位方法
CN105137391B (zh) 基于tdoa的css精确定位方法
CN106714300A (zh) UWB和ZigBee综合精确定位系统及其工作方法
CN105467358A (zh) 一种室内定位方法及装置
CN110187333B (zh) 一种基于合成孔径雷达技术的rfid标签定位方法
CN102395196A (zh) 一种基于标校点的定位方法和装置
Fokin et al. Location accuracy of radio emission sources for beamforming in ultra-dense radio networks
CN111757256A (zh) 室内定位方法及装置
CN102970749B (zh) 多基站逐次逼近定位方法
CN110636436A (zh) 基于改进chan算法的三维uwb室内定位方法
CN111432468A (zh) 一种aoa蓝牙定位基站自校准方法及系统
CN110045329A (zh) 一种两基站二维定位方法
CN112797984A (zh) 基于超宽带和远距离无线通信技术的室内高精度定位系统
CN101707805B (zh) 移动终端多基站频移综合定位方法
CN110888108B (zh) 一种基于rfid与相位校准的定位方法
CN104683949B (zh) 一种应用于无线Mesh网中基于天线阵列的混合自定位方法
CN203416427U (zh) 基于ZigBee技术的自组网定位系统
Wei et al. Joint positioning technique based on TOF and TDOA
CN112799014A (zh) 基于椭球交汇的超宽带定位系统、方法、无线终端及服务器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant