CN114069205A - 一种基于可重构天线的室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可重构天线的室内定位系统，包括全向天线模块、定向天线模组、主控模块和终端，定向天线模组包括三个基站主板、三个切换控制单元、呈正n边形设置的反射板和n个基站天线，n个基站天线沿圆周方向等间距分布在反射板的外侧，三个切换控制单元与三个基站主板一一对应，基站主板通过切换控制单元与n个基站天线分别连接，主控模块通过切换控制单元控制基站主板与任意一个基站天线连接，全向天线模块位于反射板的中心位置，以全向天线模块为中心沿圆周方向划分n个相等的区域，n个区域与n个基站天线一一对应，每相邻的三个基站天线组成一个天线组，结合特定的计算方法获取终端所在的位置信息；优点是定位的精度较高。

Description

一种基于可重构天线的室内定位系统

技术领域

本发明属于定位技术领域，尤其是涉及一种基于可重构天线的室内定位系统。

背景技术

定位系统是以确定空间位置为目标而构成的相互关联的一个集合体或装置，当前室内定位系统采用的技术有超声波、红外、WIFI、蓝牙、5G和UWB等，除了超声波和红外，其它技术都是应用三点或多点定位，即需要布置大量的基站才能完成定位，终端需要与相邻三个或多个基站连接，通过算法实现定位。

以WIFI、蓝牙和5G为例，所用天线为全向天线，没有方向性，只能依靠功率计算终端与所有基站之间的距离，然后以基站为中心，距离为半径画圆，寻找所有圆的交叉点位置以实现定位。但是基于WIFI、蓝牙和5G通信协议的终端在不同时刻发送的检测信号的信号强度存在差异，基站在获取检测信号的过程中，由于多径、检测信号强度波动等问题，即便终端在同一地点发送检测信号，所有基站接收到的信号强度变化也很大，难以满足距离计算要求，最终只能看哪个基站获得的信号强度最强，就定位于该基站下方，即定位精度全靠基站的覆盖面积确定，无法定量计算。

以UWB为例，UWB是目前室内定位精度最高的技术，该技术采用TDOA定位方法，利用UWB技术测得定位标签相对于两个不同定位基站之间无线电信号传播的时间差，从而得出定位标签相对于四组定位基站的距离差，但是UWB所需的基站过多，每个基站的站址都需要精确标定，工程中存在较大的难处。另外，UWB还存在穿透力差和严重的多径问题，这也是当下UWB没有大范围应用的主要原因。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现单点定位的室内定位系统，定位的精度较高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于可重构天线的室内定位系统，包括全向天线模块、定向天线模组、主控模块和终端，所述的定向天线模组包括三个基站主板、三个切换控制单元、呈正n边形设置的反射板和n个基站天线，n为大于或等于4的整数，n个所述的基站天线沿圆周方向等间距分布在所述的反射板的外侧，三个所述的切换控制单元与三个所述的基站主板一一对应，所述的基站主板通过相对应的切换控制单元与n个所述的基站天线分别连接，所述的主控模块通过所述的切换控制单元控制相对应的基站主板与任意一个所述的基站天线连接，所述的全向天线模块位于所述的反射板的中心位置，以所述的全向天线模块为中心沿圆周方向划分n个相等的区域，n个所述的区域与n个所述的基站天线一一对应，且所述的基站天线位于相对应的区域的中心线上，每相邻的三个所述的基站天线组成一个天线组，通过以下步骤获取终端所在的位置信息：

S1、全向天线模块发送预设有第一初始信号强度信息的第一检测信号至终端；

S2、终端对接收到的第一检测信号进行处理得到包含有处理后的信号强度信息的终端反馈信息，终端发送终端反馈信息至全向天线模块，终端发送预设有第二初始信号强度信息的第二检测信号至n个天线组；

S3、全向天线模块将接收到的终端反馈信息发送至主控模块，主控模块通过三个切换控制单元控制n个天线组循环导通，每个天线组导通时，该天线组内的三个基站天线分别对接收到的第二检测信号进行处理得到包含有处理后的信号强度信息的单元反馈信息，然后将单元反馈信息通过三个基站主板发送至主控模块；

S4、主控模块根据终端反馈信息与预设的第一初始信号强度信息获取终端与全向天线模块之间的距离；定义天线组内位于中间位置的基站天线为主天线，天线组内位于两侧位置的基站天线为副天线，主控模块在所有主天线的单元反馈信息中提取数值最大的信号强度信息并记为P1，再提取与P1相邻的两个副天线的信号强度信息并记为P2和P3，P2和P3满足：P2≥P3，主控模块通过计算P2/P3获得信号强度比；

S5、利用查表法在信号强度比与方位角关系查找表中查找与所述的步骤S4中得到的信号强度比对应的方位角记为α，终端所在的方位为与P1相对应的基站天线所在的区域的中心线向与P2相对应的基站天线所在的方向偏转α角；

S6、由主控模块根据全向天线模块预设的位置信息、终端与全向天线模块之间的距离、与P1相对应的基站天线预设的位置信息、与P2相对应的基站天线预设的位置信息以及方位角获取终端所在的位置信息，最终完成对终端的定位；

其中，信号强度比与方位角关系查找表为在已知终端所在的方位角的前提下，根据步骤S1至步骤S4获得与该终端相对应的信号强度比，然后将信号强度比与方位角关系录入到主控模块。

将所述的终端与所述的全向天线模块之间的距离记为D，D满足：

其中，LBF为第一检测信号预设的第一初始信号强度减去终端反馈信息包含的处理后的信号强度得到的信号损耗，X为传输修正值，F为第一检测信号的频率。

所述的切换控制单元包括具有一个第一输入端和n个第一输出端的第一切换控制开关，所述的第一输入端与相对应的基站主板连接，n个所述的第一输出端与n个所述的基站天线一一对应，所述的第一输出端与相对应的基站天线连接，所述的第一切换控制开关的控制端与所述的主控模块连接，所述的主控模块用于控制所述的第一切换控制开关的第一输入端与任意一个所述的第一输出端连通。

所述的切换控制单元包括第二切换控制开关和三个第三切换控制开关，所述的第二切换控制开关具有一个第二输入端和三个第二输出端，所述的第三切换控制开关具有一个第三输入端和多个第三输出端，所述的第三输出端的总数量与所述的基站天线的数量相等且一一对应，所述的第二输入端与相对应的基站主板连接，三个所述的第二输出端与三个所述的第三输入端一一对应，所述的第二输出端与相对应的第三输入端连接，所述的第三输出端与相对应的基站天线连接，所述的第二切换控制开关的控制端、所述的第三切换控制开关的控制端分别与所述的主控模块连接，所述的主控模块用于控制所述的第二切换控制开关的第二输入端与任意一个所述的第二输出端连通，以及控制所述的第三切换控制开关的第三输入端与任意一个所述的第三输出端连通。该结构中，考虑到市面上的单个切换控制开关的输出端数量有限，当基站天线的数量较多时，单个切换控制开关的输出端难以满足需求，因此将切换控制开关进行组合以满足需求，灵活性较好。

与现有技术相比，本发明的优点在于

1、由于终端在不同时刻发射的信号强度不同，且无法提前知道，故基站天线接收到的第二检测信号的信号强度无法直接用于计算距离，而全向天线模块能够采用外接功放的方式解决发送固定功率的检测信号的问题，由全向天线模块发送预设有第一信号强度信息的第一检测信号至终端，终端对接收到的第一检测信号进行处理得到包含有处理后的信号强度信息的终端反馈信息，再由终端发送终端反馈信息至主控模块，最后由主控模块根据终端反馈信息与预设的第一初始信号强度信息获取终端与全向天线模块之间的距离，精确度较高；

2、通过预设信号强度比与方位角关系查找表，主控模块在所有主天线的单元反馈信息中提取数值最大的信号强度信息并记为P1，再提取与P1相邻的两个副天线的信号强度信息并记为P2和P3，然后通过计算P2/P3获得信号强度比，利用查找表查找与该信号强度比相对应的方位角记为α，终端所在的方位即为与P1相对应的基站天线所在的区域的中心线向与P2相对应的基站天线所在的方向偏转α角，结合距离能够准确的获得终端所在的位置，定位的精确度较高；

3、将相邻的三个基站天线组成一个天线组，主控模块通过三个切换控制单元控制n个天线组循环导通，能够大大降低产品功耗。

附图说明

图1为实施例一中基于可重构天线的室内定位系统的结构示意图一；

图2为实施例一中基于可重构天线的室内定位系统的结构示意图二；

图3为本发明的连接示意图；

图4为本发明中切换控制单元的结构示意图一；

图5为本发明中切换控制单元的结构示意图二；

图6为实施例五中基于可重构天线的室内定位系统的结构示意图。

图中：1、全向天线模块；2、定向天线模组；21、基站主板；22、切换控制单元；221、第一切换控制开关；2211、第一输入端；2212、第一输出端；222、第二切换控制开关；2221、第二输入端；2222、第二输出端；223、第三切换控制开关；2231、第三输入端；2232、第三出输端；23、反射板；24、基站天线；3、主控模块；31、CPU；32、管理平台；4、终端。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1-3所示，一种基于可重构天线的室内定位系统，包括全向天线模块1、定向天线模组2、主控模块3和终端4，定向天线模组2包括三个基站主板21、三个切换控制单元22、呈正n边形设置的反射板23和n个基站天线24，n为大于或等于4的整数，n个基站天线24沿圆周方向等间距分布在反射板23的外侧，三个基站主板21与三个切换控制单元22一一对应，基站主板21通过相对应的切换控制单元22与n个基站天线24分别连接，主控模块3通过切换控制单元22控制相对应的基站主板21与任意一个基站天线24连接，全向天线模块1位于反射板23的中心位置，以全向天线模块1为中心沿圆周方向划分n个相等的区域，n个区域与n个基站天线24一一对应，且基站天线24位于相对应的区域的中心线上，每相邻的三个基站天线24组成一个天线组，通过以下步骤获取终端4所在的位置信息：

S1、全向天线模块1发送预设有第一初始信号强度信息的第一检测信号至终端4；

S2、终端4对接收到的第一检测信号进行处理得到包含有处理后的信号强度信息的终端反馈信息，终端4发送终端反馈信息至全向天线模块1，终端4发送预设有第二初始信号强度信息的第二检测信号至n个天线组；

S3、全向天线模块1将接收到的终端反馈信息发送至主控模块3，主控模块3通过三个切换控制单元22控制n个天线组循环导通，每个天线组导通时，该天线组内的三个基站天线24分别对接收到的第二检测信号进行处理得到包含有处理后的信号强度信息的单元反馈信息，然后将单元反馈信息通过三个基站主板21发送至主控模块3；

S4、主控模块3根据终端反馈信息与预设的第一初始信号强度信息获取终端4与全向天线模块1之间的距离；定义天线组内位于中间位置的基站天线24为主天线，天线组内位于两侧位置的基站天线24为副天线，主控模块3在所有主天线的单元反馈信息中提取数值最大的信号强度信息并记为P1，再提取与P1相邻的两个副天线的信号强度信息并记为P2和P3，P2和P3满足：P2≥P3，主控模块3通过计算P2/P3获得信号强度比；

S5、利用查表法在信号强度比与方位角关系查找表中查找与步骤S4中得到的信号强度比对应的方位角记为α，终端4所在的方位为与P1相对应的基站天线24所在的区域的中心线向与P2相对应的基站天线24所在的方向偏转α角；

S6、由主控模块3根据全向天线模块1预设的位置信息、终端4与全向天线模块1之间的距离、与P1相对应的基站天线24预设的位置信息、与P2相对应的基站天线24预设的位置信息以及方位角获取终端4所在的位置信息，最终完成对终端4的定位；

其中，信号强度比与方位角关系查找表为在已知终端4所在的方位角的前提下，根据步骤S1至步骤S4获得与该终端4相对应的信号强度比，然后将信号强度比与方位角关系录入到主控模块3。

本实施例中，n取4、5、6、7、8、9或10。

本实施例中，终端4采用常规的天线信号收发终端。

本实施例中，全向天线模块1包括单极化天线、功放器和基站主板。

本实施例中，主控模块3包括CPU31和管理平台32，全向天线模块1、定向天线模组2分别与CPU31电连接，CPU31通过网络与管理平台32连接，由管理平台32发送控制指令至CPU31以控制全向天线模块1和定向天线模组2运行，CPU31接收终端反馈信息和所有的单元反馈信息，CPU31根据终端反馈信息与预设的第一初始信号强度信息获取终端4与全向天线模块1之间的距离信息，并在所有主天线的单元反馈信息中提取数值最大的信号强度信息并记为P1，再提取与P1相邻的两个副天线的信号强度信息并记为P2和P3，然后通过计算P2/P3获得信号强度比，利用查找表查找与该信号强度比相对应的方位角信息，接着CPU31发送终端4与全向天线模块1之间的距离信息和方位角信息至管理平台32，由管理平台32根据全向天线模块1预设的位置信息、终端4与全向天线模块1之间的距离、与P1相对应的基站天线24预设的位置信息、与P2相对应的基站天线24预设的位置信息以及方位角获取终端4所在的位置信息，并将终端4所在的位置信息呈现到地图上供人们查看，其中，全向天线模块1预设的位置信息、所有基站天线24预设的位置信息为在安装完本室内定位系统时由工作人员根据实际环境进行标定。

当采用本室内定位系统同时对多个终端4进行定位时，由终端4发送的终端反馈信息和第二检测信号均包含有与该终端4相对应的ID，以便于主控模块3识别并区分不同的终端4。

实施例二：其余部分与实施例一相同，其不同之处在于将终端4与全向天线模块1之间的距离记为D，D满足：

其中，LBF为第一检测信号预设的第一初始信号强度减去终端反馈信息包含的处理后的信号强度得到的信号损耗，X为传输修正值，F为第一检测信号的频率。

实施例三：如图2和图4所示，其余部分与实施例一相同，其不同之处在于切换控制单元22包括具有一个第一输入端2211和n个第一输出端2212的第一切换控制开关221，第一输入端2211与相对应的基站主板21连接，n个第一输出端2212与n个基站天线24一一对应，第一输出端2212与相对应的基站天线24连接，第一切换控制开关221的控制端与主控模块3连接，主控模块3用于控制第一切换控制开关221的第一输入端2211与任意一个第一输出端2212连通。

实施例四：如图2和图5所示，其余部分与实施例一相同，其不同之处在于切换控制单元22包括第二切换控制开关222和三个第三切换控制开关223，第二切换控制开关222具有一个第二输入端2221和三个第二输出端2222，第三切换控制开关223具有一个第三输入端2231和多个第三输出端，第三输出端的总数量与基站天线24的数量相等且一一对应，第二输入端2221与相对应的基站主板21连接，三个第二输出端2222与三个第三输入端2231一一对应，第二输出端2222与相对应的第三输入端2231连接，第三输出端与相对应的基站天线24连接，第二切换控制开关222的控制端、第三切换控制开关223的控制端分别与主控模块3连接，主控模块3用于控制第二切换控制开关222的第二输入端2221与任意一个第二输出端2222连通，以及控制第三切换控制开关223的第三输入端2231与任意一个第三输出端连通。

实施例五：如图6所示，其余部分与实施例一相同，其不同之处在于n取∞，此时反射板23呈环形设置。

在实际使用时，若P2=P3，则α=0°，终端4位于与P1相对应的基站天线24所在的区域的中心线上。

本发明的室内定位系统，结合自适应算法和圆极化天线，能够解决室内多径问题，进一步提高室内定位精度。

Claims (4)

1.一种基于可重构天线的室内定位系统，其特征在于包括全向天线模块、定向天线模组、主控模块和终端，所述的定向天线模组包括三个基站主板、三个切换控制单元、呈正n边形设置的反射板和n个基站天线，n为大于或等于4的整数，n个所述的基站天线沿圆周方向等间距分布在所述的反射板的外侧，三个所述的切换控制单元与三个所述的基站主板一一对应，所述的基站主板通过相对应的切换控制单元与n个所述的基站天线分别连接，所述的主控模块通过所述的切换控制单元控制相对应的基站主板与任意一个所述的基站天线连接，所述的全向天线模块位于所述的反射板的中心位置，以所述的全向天线模块为中心沿圆周方向划分n个相等的区域，n个所述的区域与n个所述的基站天线一一对应，且所述的基站天线位于相对应的区域的中心线上，每相邻的三个所述的基站天线组成一个天线组，通过以下步骤获取终端所在的位置信息：

S1、全向天线模块发送预设有第一初始信号强度信息的第一检测信号至终端；

S2、终端对接收到的第一检测信号进行处理得到包含有处理后的信号强度信息的终端反馈信息，终端发送终端反馈信息至全向天线模块，终端发送预设有第二初始信号强度信息的第二检测信号至n个天线组；

S3、全向天线模块将接收到的终端反馈信息发送至主控模块，主控模块通过三个切换控制单元控制n个天线组循环导通，每个天线组导通时，该天线组内的三个基站天线分别对接收到的第二检测信号进行处理得到包含有处理后的信号强度信息的单元反馈信息，然后将单元反馈信息通过三个基站主板发送至主控模块；

S4、主控模块根据终端反馈信息与预设的第一初始信号强度信息获取终端与全向天线模块之间的距离；定义天线组内位于中间位置的基站天线为主天线，天线组内位于两侧位置的基站天线为副天线，主控模块在所有主天线的单元反馈信息中提取数值最大的信号强度信息并记为P1，再提取与P1相邻的两个副天线的信号强度信息并记为P2和P3，P2和P3满足：P2≥P3，主控模块通过计算P2/P3获得信号强度比；

S5、利用查表法在信号强度比与方位角关系查找表中查找与所述的步骤S4中得到的信号强度比对应的方位角记为α，终端所在的方位为与P1相对应的基站天线所在的区域的中心线向与P2相对应的基站天线所在的方向偏转α角；

S6、由主控模块根据全向天线模块预设的位置信息、终端与全向天线模块之间的距离、与P1相对应的基站天线预设的位置信息、与P2相对应的基站天线预设的位置信息以及方位角获取终端所在的位置信息，最终完成对终端的定位；

其中，信号强度比与方位角关系查找表为在已知终端所在的方位角的前提下，根据步骤S1至步骤S4获得与该终端相对应的信号强度比，然后将信号强度比与方位角关系录入到主控模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于可重构天线的室内定位系统，其特征在于将所述的终端与所述的全向天线模块之间的距离记为D，D满足：

其中，LBF为第一检测信号预设的第一初始信号强度减去终端反馈信息包含的处理后的信号强度得到的信号损耗，X为传输修正值，F为第一检测信号的频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于可重构天线的室内定位系统，其特征在于所述的切换控制单元包括具有一个第一输入端和n个第一输出端的第一切换控制开关，所述的第一输入端与相对应的基站主板连接，n个所述的第一输出端与n个所述的基站天线一一对应，所述的第一输出端与相对应的基站天线连接，所述的第一切换控制开关的控制端与所述的主控模块连接，所述的主控模块用于控制所述的第一切换控制开关的第一输入端与任意一个所述的第一输出端连通。

4.根据权利要求1所述的一种基于可重构天线的室内定位系统，其特征在于所述的切换控制单元包括第二切换控制开关和三个第三切换控制开关，所述的第二切换控制开关具有一个第二输入端和三个第二输出端，所述的第三切换控制开关具有一个第三输入端和多个第三输出端，所述的第三输出端的总数量与所述的基站天线的数量相等且一一对应，所述的第二输入端与相对应的基站主板连接，三个所述的第二输出端与三个所述的第三输入端一一对应，所述的第二输出端与相对应的第三输入端连接，所述的第三输出端与相对应的基站天线连接，所述的第二切换控制开关的控制端、所述的第三切换控制开关的控制端分别与所述的主控模块连接，所述的主控模块用于控制所述的第二切换控制开关的第二输入端与任意一个所述的第二输出端连通，以及控制所述的第三切换控制开关的第三输入端与任意一个所述的第三输出端连通。

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