CN114205753B - 一种基于波束成形的uwb定位方法、装置及相关介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于波束成形的UWB定位方法、装置及相关介质，该方法包括：对UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元；通过UWB定位基站对目标标签进行连续定位；基于上一次定位结果，为当前定位过程计算UWB定位基站的波束成形角度；通过UWB定位基站发射信号，并记录发射时间，以及目标标签接收信号的接收时间；控制目标标签延迟发射应答信号，并将发射时间和接收时间一并发送至UWB定位基站；基于波束成形技术，控制UWB定位基站接收应答信号；基于发射时间、接收时间，对目标标签进行测距信息计算；对测距信息进行汇总，以对目标标签的当前位置进行位置结算处理，并作为当前定位结果。本发明可提高UWB定位精度，以及提高在复杂多径环境下的UWB定位性能。

Description

一种基于波束成形的UWB定位方法、装置及相关介质
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于波束成形的UWB定位方法、装置及相关介质。
背景技术
随着物联网等技术的发展，对于室内高精度定位技术的需求不断增加。UWB定位系统凭借其信号分辨率高、成本低、功耗低、穿透能力强等特点被广泛应用于室内定位系统中。然而，在复杂环境下，严重的多径干扰问题一直是限制UWB定位精度的主要问题之一。在诸如工作隔间众多的办公场所、金属反射严重的工业场景以及人流密集的商业中心这类场所，复杂多变的传播信道将会引起UWB系统定位性能的剧烈下降。在这类场景中，由于视线传播被阻塞或反射路径过多等原因，第一时间到达接收端的信号往往不是信号强度最强的一路，这直接导致了信号到达时间估计不准确的问题。
现有解决此类问题的方法主要分为两种。一是增加定位频次，通过大量的重复定位获取位置的平均估计，这显然是一种高成本的方案，而且在有较大阻塞物存在的情况下该方案并不能有效解决问题。二是在接收端使用更复杂的到达时间估计算法，这类算法包括反向搜索的方法以及利用信道先验信息的方法，这类方法将会极大程度上提升接收机的复杂度，而且大多处于研究阶段。目前最常用的到达时间估计方法多基于门限或选取一定时间区间内接收信号强度最强的时间点，如何在不增加接收端复杂度的情况下提升UWB定位系统在多径环境下的测距和定位性能成为本领域研究人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于波束成形的UWB定位方法、装置、计算机设备及存储介质，旨在提高UWB定位精度，以及提高在复杂多径环境下的UWB定位性能。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于波束成形的UWB定位方法，包括：
针对每一UWB定位基站，对UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元；
通过UWB定位基站对目标标签进行连续定位；
基于连续定位中的上一次定位结果，为当前定位过程计算UWB定位基站的波束成形角度；
基于波束成形技术，通过UWB定位基站发射信号，并记录对应的第一发射时间，以及目标标签接收信号对应的第一接收时间；
控制目标标签自第一接收时间延迟至第二发射时间时发射应答信号，并将第一发射时间和第一接收时间一并发送至UWB定位基站；
基于波束成形技术，控制UWB定位基站接收所述应答信号、第一发射时间和第一接收时间，并记录对应的第二接收时间；
基于所述第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间，对目标标签进行测距信息计算；
对每一UWB定位基站计算得到的测距信息进行汇总，以对目标标签的当前位置进行位置结算处理，并将位置结算处理结果作为当前定位结果。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于波束成形的UWB定位装置，包括：
装配单元，用于针对每一UWB定位基站，对UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元；
连续定位单元，用于通过UWB定位基站对目标标签进行连续定位；
角度计算单元，用于基于连续定位中的上一次定位结果，为当前定位过程计算UWB定位基站的波束成形角度；
第一发射单元，用于基于波束成形技术，通过UWB定位基站发射信号，并记录对应的第一发射时间，以及目标标签接收信号对应的第一接收时间；
第二发射单元，用于控制目标标签自第一接收时间延迟至第二发射时间时发射应答信号，并将第一发射时间和第一接收时间一并发送至UWB定位基站；
接收单元，用于基于波束成形技术，控制UWB定位基站接收所述应答信号、第一发射时间和第一接收时间，并记录对应的第二接收时间；
测距计算单元，用于基于所述第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间，对目标标签进行测距信息计算；
位置结算单元，用于对每一UWB定位基站计算得到的测距信息进行汇总，以对目标标签的当前位置进行位置结算处理，并将位置结算处理结果作为当前定位结果。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的基于波束成形的UWB定位方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的基于波束成形的UWB定位方法。
本发明实施例提供了一种基于波束成形的UWB定位方法、装置、计算机设备及存储介质，该方法包括：针对每一UWB定位基站，对UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元；通过UWB定位基站对目标标签进行连续定位；基于连续定位中的上一次定位结果，为当前定位过程计算UWB定位基站的波束成形角度；基于波束成形技术，通过UWB定位基站发射信号，并记录对应的第一发射时间，以及目标标签接收信号对应的第一接收时间；控制目标标签自第一接收时间延迟至第二发射时间时发射应答信号，并将第一发射时间和第一接收时间一并发送至UWB定位基站；基于波束成形技术，控制UWB定位基站接收所述应答信号、第一发射时间和第一接收时间，并记录对应的第二接收时间；基于所述第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间，对目标标签进行测距信息计算；对每一UWB定位基站计算得到的测距信息进行汇总，以对目标标签的当前位置进行位置结算处理，并将位置结算处理结果作为当前定位结果。本发明实施例通过波束成形技术增强UWB的定位性能，同时通过建立UWB定位和UWB波束成形之间的正反馈，达到提高UWB定位精度，以及提高在复杂多径环境下的UWB定位性能的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于波束成形的UWB定位方法的流程示意图；
图2为本发明实例提供的一种基于波束成形的UWB定位方法的整体流程图；
图3为本发明实例提供的一种基于波束成形的UWB定位方法的反馈示意图图；
图4为本发明实例提供的一种基于波束成形的UWB定位方法中波束成形角度示意图；
图5为本发明实例提供的一种基于波束成形的UWB定位方法中UWB波束成形示意图；
图6为本发明实例提供的一种基于波束成形的UWB定位方法中测距信息示意图；
图7为不同定位算法的仿真结果图；
图8为不同天线数量下的仿真结果图；
图9为本发明实施例提供的一种基于波束成形的UWB定位装置的示意性框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
下面请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于波束成形的UWB定位方法的流程示意图，具体包括：步骤S101～S108。
S101、针对每一UWB定位基站，对UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元；
S102、通过UWB定位基站对目标标签进行连续定位；
S103、基于连续定位中的上一次定位结果，为当前定位过程计算UWB定位基站的波束成形角度；
S104、基于波束成形技术，通过UWB定位基站发射信号，并记录对应的第一发射时间，以及目标标签接收信号对应的第一接收时间；
S105、控制目标标签自第一接收时间延迟至第二发射时间时发射应答信号，并将第一发射时间和第一接收时间一并发送至UWB定位基站；
S106、基于波束成形技术，控制UWB定位基站接收所述应答信号、第一发射时间和第一接收时间，并记录对应的第二接收时间；
S107、基于所述第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间，对目标标签进行测距信息计算；
S108、对每一UWB定位基站计算得到的测距信息进行汇总，以对目标标签的当前位置进行位置结算处理，并将位置结算处理结果作为当前定位结果。
本实施例中，结合图2，当需要进行UWB定位时，进入步骤S201，在步骤S201中，第一次定位由于没有位置的先验知识，无法计算UWB波束成形角度，因此首次定位后得到一个粗略的定位结果。然后，进入步骤S202，根据最近一次定位结果计算UWB定位基站的波束成形角度(最近一次定位结果既可以指步骤S201又可以指步骤S208的输出)。然后，进入步骤S203，UWB定位基站进行波束成形发射，并记录发射时间t1(即第一发射时间)。需要强调的是，波束成形系统并不需要对每个脉冲都使用波束成形发射，只需要对用于确定定位时间戳的脉冲进行波束成形发射，用于数据传输的脉冲并不需要进行加强，这保证了系统依然是低功耗的。然后，进入步骤S204，目标标签接收UWB定位基站发送的信号并记录到达时间戳t2(即第一接收时间)，由于完全对准的波束成形发射信号会同时到达接收端，使接收到的直接路径信号得到大幅度增强，从而使测得的该路径对应的到达时刻t2更加准确。然后，进入步骤S205，延迟一段时间后，在t3时刻(即第二发射时间)，目标标签发射应答信号并打包t2和t3两个时刻到数据包后一起发送给UWB定位基站。然后，进入步骤S206，UWB定位基站通过UWB波束成形接收目标标签所发送的应答信号，并记录到达时间戳t4(即第二接收时间)，和之前相同，UWB波束成形使t4更接近直接路径到达时刻。自此，波束成形显著增强了t2和t4时刻相比真实到达时间的精度，由于t1和t3时刻仅由本地时钟记录不涉及测量飞行时间，因此飞行时间也会更加准确,飞行时间乘以光速获得更准确的测距信息。然后，进入步骤S207，所有UWB定位基站重复步骤S202到步骤S204的测距过程，直到所有UWB定位基站完成一轮测距。然后，进入步骤S208，所有UWB定位基站将测距信息打包发送给中央处理模块进行位置信息的结算，结算结果返回给用户，以使用户获知当前位置。
进一步的，返回步骤S202。位置结算结果返回给各个UWB定位基站用于下一次波束成形角度的计算，开始新一轮测距和定位。
由于物体位置并不一定是固定的，因此一般情况下，在完成一次定位后，依旧会按照一定的定位频率不断输出后续定位的测量结果。在上述步骤S202到步骤S208的循环中，波束成形技术和UWB定位技术不断相互增强，从而获得定位系统准确度的大幅度提升。需要提到的是，这种提升会随着天线阵列单元的数目增多而增加，但对于实际的系统设计需要对性能、成本和功耗进行进一步的权衡。
现有技术提出的使用UWB定位信息作为5G基站波束成形方向的方案,这与本实施例内容关系不大。具体来说，在现有技术中，UWB定位和5G基站波束成形是两个相互独立的单元，5G基站用于通信，UWB系统用于定位并提供波束成形角度。但是，5G基站的波束成形效果并不会对UWB定位系统有任何提升，或者说，不仅限于UWB，任意的定位系统(如：GPS，WiFi,蓝牙等)都可以为5G基站提供波束成形角度，这里的波束成形增益体现在5G用户信号更好。与之相反，本实施例中的UWB定位基站自身装配天线阵列，通过波束成形技术增强UWB的定位性能，并通过本实施例中基于位置的波束成形设计建立UWB定位和UWB波束成形之间的正反馈。即UWB定位越准，UWB波束成形方向越准；UWB波束成形方向越准，UWB定位越准。总结来说，本实施例通过设计的UWB定位系统和UWB波束成形之间的正反馈循环，增强现有UWB系统的定位准确度，保证了UWB信号波束成形的有效性。
如图3所示，UWB定位基站使用定位信息计算波束成形的发射角度，对准的波束成形发射将会有效增强定位系统的定位性能，并最终形成UWB定位和波束成形之间的正反馈循环，即定位越准确波束成形方向越准确，也即是，波束成形方向越准确定位越准确。本实施例通过对UWB定位系统和UWB波束成形技术的联合设计，在模块301和模块302之间构成正反馈循环，以此提高了现有UWB定位系统在复杂多径环境下的定位性能。
具体地，为了保证方案的可行性，本实施例UWB波束成形技术放置于UWB定位基站端。对现有的UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元，使之可以向各种角度发射UWB波束。需要说明的是，装配了阵列天线和延迟单元的UWB定位基站既可进行波束成形发射，也可进行波束成形接收。这样做的目的是，一方面可以降低定位标签的复杂度，即定位标签不需要额外装配UWB波束成形所需的阵列天线和延迟单元，另一方面可以扩展该发明的应用环境，即使该发明可以应用于任何定位结算算法中，如ToA、TDoA等。
需要特别说明的是，为了结合具体实列，本实施例使用如图5所示的双向到达时间测距方案作为UWB定位中的测距方案，这并不是说其他测距方案不兼容，相反的由于本实施例的UWB波束成形技术可以同时应用于发射和接收过程，因此本发明对于任何测距方案和位置结算方案都是适用的。
在一实施例中，所述步骤S102包括：
采用ToA定位算法对目标标签进行首次定位。
在这里，当进行首次定位时，可以采用ToA定位算法，也可以采用TDoA等定位算法。
在一实施例中，所述步骤S103包括：
获取UWB定位基站的位置坐标(x1,y1)，以及上一次定位结果所对应的定位坐标
Figure BDA0003492420410000071
按照下式计算得到UWB定位基站的波束成形角度θ1：
Figure BDA0003492420410000072
本实施例中，将上一次定位的定位结果作为下一次波束成形的方向。这里需要注意的是，本实施例是根据上一次的定位结果来计算波束成形角度的。这样做的好处是，通过本实施例的联合设计，在UWB波束成形技术和UWB定位技术之间构建了正反馈激励，简单来说，准确的定位信息将会给波束成形系统提供准确的波束成形角度，也即是，准确的波束成形角度将会进一步增加定位系统的定位准确度。两个过程相互激励，从而使定位信息更加准确，获得高精度的、增强型UWB定位系统。
举例来说，如图4所示，在计算波束成形角度时，将UWB定位基站布置在4个已知位置(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)，且所有天线阵列与x轴方向水平，则根据上一次的定位结果
Figure BDA0003492420410000081
可知，UWB定位基站1的波束成形角度θ1为/>
Figure BDA0003492420410000082
类似，可计算出其他三个基站的波束成形角度θ2、θ3、θ4。
在一实施例中，所述步骤S104包括：
通过对不同天线发射单元进行等间隔延迟实现波束成形效果；
按照下式计算得到所述UWB定位基站发射的信号s(t)：
Figure BDA0003492420410000083
其中，w(t)代表UWB脉冲信号，N天线阵元数目，l为天线阵元间隔，θ为波束成形发射方向。
传统UWB接收机将接收信号的峰值最大值判定为信号到达时刻，但是在多径环境下，直射信号并不一定是最大峰值，这直接导致了测距不准确。为了解决这个问题，本实施例引入UWB波束成形增大直达径的信号强度，从而提高第一接收时间的测量精准度，因而需要给传统单天线的UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元。
相比于窄带波束成形系统通过移相器实现波束指向，UWB波束成形系统通过对不同天线发射单元进行等间隔延迟实现波束成形效果。由延迟项
Figure BDA0003492420410000084
可知,该延迟与天线单元间隔以及波束成形发射角度相关。具体而言，如图5所示，发射UWB定位基站以及接收用户移动站分别为模块501和模块502。假设发射基站模块301装配天线阵元数目为N间隔为l的均匀线阵，每个发射单元对应一个延迟单元，波束成形发射方向为θ,则UWB天线阵列发射信号可表示为：
Figure BDA0003492420410000085
其中，w(t)代表UWB脉冲信号，在此将天线单元之间的距离设置为二分之一波长以上，从而不同天线发射的信号将会通过不相关或弱相关的信道到达接收端，需要说明的是，对于UWB阵列天线即使天线单元阵列间隔大于二分之一波长也不会导致天线方向图中过大的副瓣效应，这是由UWB信号的固有性质决定的。
进一步的，在一实施例中，所述基于波束成形的UWB定位方法还包括：
按照下式对所述目标标签接收到的信号进行计算：
Figure BDA0003492420410000091
式中，θ0为目标标签相对发射天线阵列的角度，n(t)为加性高斯白噪声，hi(t)为第i根天线发射信号所经过的信道冲激响应，ail和τil分别为信道的增益和延迟。
对于以上发射信号，假设接收端相对发射天线阵列的角度为θ0，则接收端接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0003492420410000092
其中，n(t)为加性高斯白噪声，hi(t)为第i根天线发射信号所经过的信道冲激响应，可建模为：
Figure BDA0003492420410000093
其中，ail和τil分别为信道的增益和延迟。需要说明的是，τi1即为每根天线发射信号经过直接信道到达接收端所对应的延迟。在发射波束成形方向θ与定位标签相对天线阵列的角度θ0完全相同时，即发射波束完全对准定位标签，在接收端，模块502接收到的信号可以重写为：
Figure BDA0003492420410000094
即，每根天线发射的信号经由波束成形引入的延迟和信道延迟后，到达接收端的直接信号的时刻相同，这使得这些信号在接收端可以进行叠加和增强。并且，由于信道多径路程不相同的原因，多径信号到达的时刻并不是完全相同，导致多径信号无法完美叠加，从而导致了直接信号相比于多径信号有更为明显的波束成形增益。该波束成形增益将会在极大程度上增大直接信号的幅值，从而使传统的UWB接收机更容易检测到直射信号的到达。以上过程为UWB发射波束成形过程，由于互易性，UWB接收波束成形只是UWB发射波束成形的过程反转，这里不再详述。
在一实施例中，所述步骤S107包括：
按照下式计算信号从所述UWB定位基站发射至所述目标标签接收之间的目标时间tf：
Figure BDA0003492420410000095
式中，t1，t2，t3，t4分别为第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间；
按照下式计算所述UWB定位基站和目标标签之间的测距信息d：
d＝c·tf
式中，c为电磁波在真空中的传播速度。
本实施例中，结合图6，首先，基站A(即UWB定位基站)向标签B(即目标标签)发射信号，基站A记录下发射时间点t1(即第一发射时间)，标签B接收到基站的发射信号并记录到达时刻t2(即第一接收时间)，延迟固定时间后，标签B向基站A发射应答信号，并记录发射时间t3(即第二发射时间)，标签B在发送应答信号时，将t2和时刻t3打包一同发送给基站A。此时，基站A获得了t1，t2，t3，t4(即第二接收时间四个时刻，根据以下公式获得信号从基站A发射到标签B接收的时间：
Figure BDA0003492420410000101
飞行时间乘电磁波的传播速度得到飞行距离，即基站A和标签B之间的距离：
d＝c·tf
在一实施例中，所述步骤S108包括：
基于每一UWB定位基站计算得到的测距信息，构建UWB定位基站和目标标签之间的距离方程组；
通过最小二乘法对所述距离方程组进行求解，并将求解结果作为目标标签的定位坐标。
举例来说，假设UWB定位基站数量为4，通过4次上述过程可获得目标标签和4个UWB定位基站之间距离。建立方程组：
Figure BDA0003492420410000102
将上述方程组线性化并重写为矩阵形式：
AΘ＝B
其中
Figure BDA0003492420410000111
Figure BDA0003492420410000112
Figure BDA0003492420410000113
解方程的最小二乘的解即可得到定位坐标：
Figure BDA0003492420410000114
由上可知，飞行时间测量越准，测距越准。由上述公式可知，测距越准，定位越准。而在计算飞行时间时，t1是固定的，即只需测量t2。最终，只要t2测得准确，定位就准确，故本实施例保证t2时刻的测量精准度，并由此设计了联合UWB波束成形和UWB定位方案。
在一具体实施例中，为了表明本发明实施例提供的基于波束成形的UWB定位方法的性能，在UWB802.15.4a信道环境下对所提出的算法进行了性能仿真，在仿真中，4个UWB定位基站分别被设置在(0,0)、(0,40)、(40,40)和(40,0)四个位置，本仿真在四个基站围成的区域内随机撒点生成标签位置，并进行两次定位，第一次定位由于没有先验信息不使用波束成形，第二次定位使用第一次定位的结果计算波束成形角度，之后进行基于波束成形的定位并记录定位误差。在仿真中，为了评估算法性能，进行10000次随机撒点，并与经典UWB定位算法进行对比，使用累积分布误差作为性能的衡量标准。由图7可知，相比于经典的UWB定位算法，本发明实施例所提出的基于波束成形的UWB定位方法具有整体更低的定位误差。图8仿真了不同天线数量下，随着天线数量增加，本发明实施例所提出的基于波束成形的UWB定位方法的性能也随之提高，当然，在实际部署中需要考虑成本与定位性能之间的权衡。
图9为本发明实施例提供的一种基于波束成形的UWB定位装置900的示意性框图，该装置900包括：
装配单元901，用于针对每一UWB定位基站，对UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元；
连续定位单元902，用于通过UWB定位基站对目标标签进行连续定位；
角度计算单元903，用于基于连续定位中的上一次定位结果，为当前定位过程计算UWB定位基站的波束成形角度；
第一发射单元904，用于基于波束成形技术，通过UWB定位基站发射信号，并记录对应的第一发射时间，以及目标标签接收信号对应的第一接收时间；
第二发射单元905，用于控制目标标签自第一接收时间延迟至第二发射时间时发射应答信号，并将第一发射时间和第一接收时间一并发送至UWB定位基站；
接收单元906，用于基于波束成形技术，控制UWB定位基站接收所述应答信号、第一发射时间和第一接收时间，并记录对应的第二接收时间；
测距计算单元907，用于基于所述第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间，对目标标签进行测距信息计算；
位置结算单元908，用于对每一UWB定位基站计算得到的测距信息进行汇总，以对目标标签的当前位置进行位置结算处理，并将位置结算处理结果作为当前定位结果。
在一实施例中，所述连续定位单元902包括：
ToA定位单元，用于采用ToA定位算法对目标标签进行首次定位。
在一实施例中，所述角度计算单元903包括：
坐标获取单元，用于获取UWB定位基站的位置坐标(x1,y1)，以及上一次定位结果所对应的定位坐标
Figure BDA0003492420410000121
按照下式计算得到UWB定位基站的波束成形角度θ1：
Figure BDA0003492420410000122
在一实施例中，所述第一发射单元904包括：
延迟发射单元，用于通过对不同天线发射单元进行等间隔延迟实现波束成形效果；
发射信号计算单元，用于按照下式计算得到所述UWB定位基站发射的信号s(t)：
Figure BDA0003492420410000123
其中，w(t)代表UWB脉冲信号，N天线阵元数目，l为天线阵元间隔，θ为波束成形发射方向。
在一实施例中，所述基于波束成形的UWB定位装置900还包括：
接收信号计算单元，用于按照下式对所述目标标签接收到的信号进行计算：
Figure BDA0003492420410000131
式中，θ0为目标标签相对发射天线阵列的角度，n(t)为加性高斯白噪声，hi(t)为第i根天线发射信号所经过的信道冲激响应，ail和τil分别为信道的增益和延迟。
在一实施例中，所述测距计算单元907包括：
时间计算单元，用于按照下式计算信号从所述UWB定位基站发射至所述目标标签接收之间的目标时间tf：
Figure BDA0003492420410000132
式中，t1，t2，t3，t4分别为第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间；
测距信息单元，用于按照下式计算所述UWB定位基站和目标标签之间的测距信息d：
d＝c·tf
式中，c为电磁波在真空中的传播速度。
在一实施例中，所述位置结算单元908包括：
方程组构建单元，用于基于每一UWB定位基站计算得到的测距信息，构建UWB定位基站和目标标签之间的距离方程组；
最小二程求解单元，用于通过最小二乘法对所述距离方程组进行求解，并将求解结果作为目标标签的定位坐标。
由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，可以包括存储器和处理器，存储器中存有计算机程序，处理器调用存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然计算机设备还可以包括各种网络接口，电源等组件。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.一种基于波束成形的UWB定位方法，其特征在于，包括：
针对每一UWB定位基站，对UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元；
通过UWB定位基站对目标标签进行连续定位；
基于连续定位中的上一次定位结果，为当前定位过程计算UWB定位基站的波束成形角度；基于波束成形技术，通过UWB定位基站发射信号，并记录对应的第一发射时间，以及目标标签接收信号对应的第一接收时间；
控制目标标签自第一接收时间延迟至第二发射时间时发射应答信号，并将第一发射时间和第一接收时间一并发送至UWB定位基站；
基于波束成形技术，控制UWB定位基站接收所述应答信号、第一发射时间和第一接收时间，并记录对应的第二接收时间；
基于所述第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间，对目标标签进行测距信息计算；
对每一UWB定位基站计算得到的测距信息进行汇总，以对目标标签的当前位置进行位置结算处理，并将位置结算处理结果作为当前定位结果；
所述基于所述第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间，对目标标签进行测距信息计算，包括：
按照下式计算信号从所述UWB定位基站发射至所述目标标签接收之间的目标时间tf：
Figure FDA0004227182550000011
式中，t1，t2，t3，t4分别为第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间；
按照下式计算所述UWB定位基站和目标标签之间的测距信息d：
d＝c·tf
式中，c为电磁波在真空中的传播速度。
2.根据权利要求1所述的基于波束成形的UWB定位方法，其特征在于，所述通过UWB定位基站对目标标签进行连续定位，包括：
采用ToA定位算法对目标标签进行首次定位。
3.根据权利要求1所述的基于波束成形的UWB定位方法，其特征在于，所述基于连续定位中的上一次定位结果，为当前定位过程计算UWB定位基站的波束成形角度，包括：
获取UWB定位基站的位置坐标(x1,y1)，以及上一次定位结果所对应的定位坐标
Figure FDA0004227182550000024
按照下式计算得到UWB定位基站的波束成形角度θ1：
Figure FDA0004227182550000021
4.根据权利要求1所述的基于波束成形的UWB定位方法，其特征在于，所述基于波束成形技术，通过UWB定位基站发射信号，包括：
通过对不同天线发射单元进行等间隔延迟实现波束成形效果；
按照下式计算得到所述UWB定位基站发射的信号s(t)：
Figure FDA0004227182550000022
其中，w(t)代表UWB脉冲信号，N天线阵元数目，l为天线阵元间隔，θ为波束成形发射方向。
5.根据权利要求4所述的基于波束成形的UWB定位方法，其特征在于，还包括：
按照下式对所述目标标签接收到的信号进行计算：
Figure FDA0004227182550000023
式中，θ0为目标标签相对发射天线阵列的角度，n(t)为加性高斯白噪声，hi(t)为第i根天线发射信号所经过的信道冲激响应，ail和τil分别为信道的增益和延迟。
6.根据权利要求1所述的基于波束成形的UWB定位方法，其特征在于，所述对每一UWB定位基站计算得到的测距信息进行汇总，以对目标标签的当前位置进行位置结算处理，包括：
基于每一UWB定位基站计算得到的测距信息，构建UWB定位基站和目标标签之间的距离方程组；
通过最小二乘法对所述距离方程组进行求解，并将求解结果作为目标标签的定位坐标。
7.一种基于波束成形的UWB定位装置，其特征在于，包括：
装配单元，用于针对每一UWB定位基站，对UWB定位基站装配天线阵列和延迟控制单元；
连续定位单元，用于通过UWB定位基站对目标标签进行连续定位；
角度计算单元，用于基于连续定位中的上一次定位结果，为当前定位过程计算UWB定位基站的波束成形角度；
第一发射单元，用于基于波束成形技术，通过UWB定位基站发射信号，并记录对应的第一发射时间，以及目标标签接收信号对应的第一接收时间；
第二发射单元，用于控制目标标签自第一接收时间延迟至第二发射时间时发射应答信号，并将第一发射时间和第一接收时间一并发送至UWB定位基站；
接收单元，用于基于波束成形技术，控制UWB定位基站接收所述应答信号、第一发射时间和第一接收时间，并记录对应的第二接收时间；
测距计算单元，用于基于所述第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间，对目标标签进行测距信息计算；
位置结算单元，用于对每一UWB定位基站计算得到的测距信息进行汇总，以对目标标签的当前位置进行位置结算处理，并将位置结算处理结果作为当前定位结果；
所述测距计算单元包括：
时间计算单元，用于按照下式计算信号从所述UWB定位基站发射至所述目标标签接收之间的目标时间tf：
Figure FDA0004227182550000031
式中，t1，t2，t3，t4分别为第一发射时间、第一接收时间、第二发射时间和第二接收时间；
测距信息单元，用于按照下式计算所述UWB定位基站和目标标签之间的测距信息d：
d＝c·tf
式中，c为电磁波在真空中的传播速度。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的基于波束成形的UWB定位方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的基于波束成形的UWB定位方法。
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