CN114208220A - 使用uwb天线的位置测量装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提出了一种使用UWB天线的位置测量装置，该位置测量装置基于从多个UWB天线接收的UWB信号来区分位于室内的测量目标和位于室外的测量目标。所提出的位置测量装置包括：第一UWB天线；第二UWB天线；第三UWB天线；输出从第一UWB天线接收的信号以及从第二UWB天线和第三UWB天线中的至少一个UWB天线接收的UWB信号的信号处理模块；以及基于信号处理模块输出的UWB信号对测量目标的位置进行测量的位置测量模块。

Description

使用UWB天线的位置测量装置
技术领域
本公开涉及用于接收超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)信号的UWB天线模块，以及使用从UWB天线模块接收的信号来对测量目标的位置进行测量的位置测量装置。
背景技术
随着近年来各种通信技术的发展，车辆通过反映位置信息来向驾驶员提供各种便捷功能。换言之，车辆通过通信来测量诸如驾驶员与车辆之间的距离、驾驶员位置以及车辆位置之类的位置信息，并使用所测量的位置信息向驾驶员提供各种便捷功能。
例如，车辆提供以下功能：使用驾驶员位置和车辆位置引导驾驶员通往停放车辆的路径；或者使用驾驶员与车辆之间的距离，当驾驶员接近车辆时打开车门且当驾驶员远离车辆时锁定车门。
传统车辆已经使用低频(Low Frequency，LF)或射频(Radio Frequency，RF)通信来测量驾驶员和位置信息。
近来，已经开发了使用UWB通信来测量位置信息的技术并将其应用于各个领域，并且正在进行将使用UWB通信的位置测量技术应用于车辆的研究。
UWB通信可以通过脉冲信号提供高精度的无线定位和通信功能。UWB通信使用约3.1GHz至10.6GHz的频带，其传输距离约10m至1km。UWB通信具有几纳秒脉冲的出色的时间分辨率，从而有利于测量距离，并且由于其占空比低可以实现低功耗。因此，正在将UWB通信应用于需要低速的、基于位置识别的应用服务的位置测量领域以及精度为大约+/-10cm的位置测量领域。
然而，由于天线性能会根据UWB天线模块的方向性和周围环境而具有很大的变化，因此，UWB通信存在无法在特定条件下测量位置信息的问题。换言之，UWB天线模块的问题在于，由于在特定方向上车辆金属部件或人体的影响引起的信号损失和多径衰落会导致定位误差和偏差。
例如，存在以下问题：如果将UWB天线模块置于装有遥控钥匙的人的后兜中，或者当人与车辆之间存在另一车辆时，会由于特定方向上的车辆金属部件或人体的影响而导致信号损失和多径衰落，从而导致通过UWB通信测得的位置信息出现误差或偏差。
发明内容
技术问题
鉴于上述情况，提出了本公开。本公开的目的是提供一种使用UWB天线的位置测量装置，其基于从多个UWB天线接收的UWB信号来区分位于室内的测量目标和位于室外的测量目标。
此外，本公开的另一个目的是提供一种使用UWB天线的位置测量装置，其基于测量目标的位置，使用从多个UWB天线中的一些天线接收的信号来对测量目标的位置进行测量。
解决方案
为了实现上述目的，根据本公开的示例性实施例的使用UWB天线的位置测量装置包括：第一UWB天线，被配置成向位于测量目标的UWB标签发送UWB信号或从UWB标签接收UWB信号；第二UWB天线，被配置成接收从UWB标签输出的UWB信号；第三UWB天线，被配置成接收从UWB标签输出的UWB信号；信号处理模块，被配置成输出从第一UWB天线接收的信号以及从第二UWB天线和第三UWB天线中的至少一个UWB天线接收的UWB信号；以及位置测量模块，被配置为基于从信号处理模块输出的UWB信号来对测量目标的位置进行测量。
位置测量模块可以包括：发射端、第一接收端和第二接收端。信号处理模块可以包括：第一开关，被配置成响应于位置测量模块的控制信号，将第一UWB天线切换到发射端或第二接收端，以在第一UWB天线与位置测量模块之间形成发射路径或接收路径。此时，当从位置测量模块接收到发射信号时，第一开关可以切换到发射端，以在第一UWB天线与位置测量模块之间形成发射路径；当从位置测量模块接收到接收信号时，第一开关可以切换到第二接收端，以在第一UWB天线和位置测量模块之间形成接收路径。
信号处理模块还可以包括：组合器，被配置成将从第二UWB天线接收的UWB信号与从第三UWB天线接收的UWB信号进行合并，以生成合并的UWB信号，并将该合并的UWB信号发送到第一接收端；或第二开关，被配置成响应于位置测量模块的控制信号，将第一接收端切换到第二UWB天线或第三UWB天线。
信号处理模块可以包括：功率放大器，被配置成对从位置测量模块输出的UWB信号进行放大；第一低噪声放大器，被配置成对从第一UWB天线接收的UWB信号进行放大；第一开关，被配置成响应于位置测量模块的控制信号，将第一UWB天线切换到功率放大器或第一低噪声放大器；以及第三开关，被配置成响应于位置测量模块的控制信号，将第一低噪声放大器切换到位置测量模块的第二接收端，以及将功率放大器切换到位置测量模块的发射端。信号处理模块还可以包括：第二低噪声放大器，被配置成对从第二UWB天线或第三UWB天线接收的UWB信号进行放大，并将放大后的UWB信号发送到位置测量模块的第二接收端；以及第二开关，被配置成响应于位置测量模块的控制信号，将第二UWB天线或第三UWB天线切换到第二低噪声放大器。
本发明的有益效果
根据本公开，使用UWB天线的位置测量装置可以区分室内测量目标和室外测量目标，并基于测量目标的位置来使用多个UWB天线中的一些天线对测量目标的位置进行测量，从而不仅精确测量位于室外的测量目标的位置，而且精确测量位于室内的测量目标的位置。
此外，使用UWB天线的位置测量装置可以通过合并器来合并从多个UWB天线接收的信号，从而输出增益增加的UWB信号。
此外，使用UWB天线的位置测量装置可以使用增益增加的UWB信号对测量目标的位置进行测量，因此，与切换方法相比，可以提取出准确的定位数据。
此外，使用UWB天线的位置测量装置可以将不同类型或相同类型的UWB天线布置成彼此间隔，因此，与传统的UWB定位技术相比，提高了定位数据的准确性。
附图说明
图1是说明根据本公开的示例性实施例的使用UWB天线的位置测量装置的示意图。
图2和图3是说明在根据本公开的示例性实施例的使用UWB天线的位置测量装置中设置多个UWB天线的示例图。
图4是说明根据本公开的第一示例性实施例的使用UWB天线的位置测量装置的配置图。
图5至图7是说明图4的UWB天线的示意图。
图8是说明图4的组合器的示意图。
图9是说明根据本公开的第二示例性实施例的使用UWB天线的位置测量装置的配置图。
图10是说明根据本公开的第二示例性实施例的使用UWB天线的位置测量装置的改进示例图。
具体实施方式
在下文中，为了具体说明本公开以便本公开所属领域的技术人员能够容易地实施本公开的技术精神，将参考附图来描述本公开的最优选示例性实施例。首先，应当理解，在对各图的组件附加附图标记时，即使在不同的附图中，相同的组件尽可能使用相同的附图标记来表示。此外，在描述本公开时，如果确定相关已知的配置或功能的详细描述会模糊本公开的主旨，则将省略其详细描述。
参考图1，根据本公开的示例性实施例的使用UWB天线120的位置测量装置100(以下称为位置测量装置)被配置成包括多个UWB天线120、信号处理模块140以及位置测量模块160。
对于位置测量装置100来说，在定位时，信号的群延迟和保真度(输出信号和输入信号之间的频率比)的特性很重要。因此，为了防止信号延迟，位置测量装置100中设置有多个UWB天线120。此时，多个UWB天线120可以相互平行设置，也可以垂直设置，或者无方向性和有方向性地组合或单独配置。如果多个UWB天线120有方向性地配置，则一些UWB天线可以被布置为指向室内，而其他UWB天线可以被布置为指向室外。
多个UWB天线120可以采用平版偶极子天线(Lithographic Dipole Antenna，LDA)、芯片天线、柔性印刷电路板(Flexible Printed Circuit Board，FPCB)或封装天线(Antenna in Package，AiP)的形式。此时，根据环境和特性，多个UWB天线120可以配置为相同天线的形式或配置为异构天线的形式。
对多个UWB天线120进行排布以及布置，以接收UWB标签10的UWB信号。信号处理模块140对从多个UWB天线120接收的多个UWB信号中的某些信号进行切换或合并并将这些信号发送到位置测量模块160。位置测量模块160使用由信号处理模块140切换或合并的UWB信号来对测量目标(即，UWB标签10)的位置进行测量。为此，信号处理模块140可以被配置为包括开关、合并器等。
例如，参考图2和图3，将信号处理模块140安装在车辆中以测量车辆外部的测量目标的位置。位置测量装置100连接到安装在车辆中的多个UWB天线120a到120d并且基于从多个UWB天线120a到120d接收的UWB信号来对测量目标的位置进行测量。
位置测量装置100通过与车辆对应的遥控钥匙12的UWB通信来测量作为测量目标的驾驶员的位置。此时，位置测量装置100作为UWB锚点进行操作，遥控钥匙12作为UWB标签10操作，位置测量装置100通过与遥控钥匙12进行通信来测量遥控钥匙12的位置，并将测量到的遥控钥匙12的位置设置为测量目标的位置。
作为另一示例，位置测量装置100安装在门锁上，并且通过与智能钥匙进行UWB通信来测量位于室内或室外的作为测量目标的人的位置。此时，位置测量装置100测量智能钥匙的位置，并将测量到的智能钥匙的位置设置为作为测量目标的人的位置。
在下文中，为了便于描述本公开的示例性实施例，将位置测量装置100安装在车辆中的情况作为示例进行描述，但是位置测量装置100不限于此，并且还可适用于安装了门锁的建筑等。
此外，根据本公开的示例性实施例，为了便于描述本公开，描述了位置测量装置100包括例如第一UWB天线121、第二UWB天线122和第三UWB天线123，但是，位置测量装置100并不限于此，其还可以被配置为包括四个或更多个UWB天线120。
参考图4，根据本公开的第一示例性实施例的位置测量装置100被配置为包括第一UWB天线121、第二UWB天线122、第三UWB天线123、开关141、组合器142和位置测量模块160。这里，开关141和组合器142包括在图1的信号处理模块140中。
基于开关141的操作，第一UWB天线121作为发射天线和接收天线之一进行操作。当以发射天线操作时，第一UWB天线121将通过开关141从位置测量模块160接收的UWB信号发送到UWB标签10。当以接收天线操作时，第一UWB天线121接收从UWB标签10输出的UWB信号，并通过开关141将接收的UWB信号发送到位置测量模块160。
第二UWB天线122和第三UWB天线123以接收天线操作。第二UWB天线122和第三UWB天线123接收从UWB标签10输出的UWB信号并将其发送到组合器142。此时，第二UWB天线122和第三UWB天线123可以从UWB标签10接收相同的UWB信号或接收具有不同频率的UWB信号。
参考图5，第一UWB天线121、第二UWB天线122和第三UWB天线123可以被配置成包括辐射方向图124、滤波器125、低噪声放大器(Low-Noise Amplifier，LNA)126以及移相器127。
天线分集可以被分类为空间分集法、频率分集法、时间分集法以及极化分集法。
参考图6，空间分集法是使用空间上分离的两个或更多个天线的方法。
空间分集法是通过将两个或更多个天线彼此间隔地安装在衰落相关性较低的位置来选择和接收最佳信号以改善衰落效应的方法。
频率分集法是在频率不同时使用不同的接收电场的衰落状态的方法。频率分集法是在两个或更多个频率中随着频率间隔增加而衰落相关性减小的方法。
时间分集法通过以一定时间间隔等来重复发送相同信息的方法来实现。时间分集法使用交织等来防止在某个时间段集中发生的突发错误。
参考图7，极化分集法是在极化不同时使用不同的衰落状态的方法。极化分集法通过分别发射和接收两种极化(垂直极化、水平极化)来改善衰落效应。
根据本公开的示例性实施例的位置测量装置100包括以上述分集天线方法中的一种方法操作的多个UWB天线120。
开关141响应于位置测量模块160的控制信号来执行切换操作。开关141从位置测量模块160接收发射信号和接收信号之一作为控制信号。开关141响应于位置测量模块160的控制信号，在第一UWB天线121和位置测量模块160之间形成发射路径或接收路径。
当接收到发射信号时，开关141切换到位置测量模块160的发射端(Tx)，以在第一UWB天线121与位置测量模块160之间形成发射路径。当接收到接收信号时，开关141切换到位置测量模块160的第二接收端(Rx2)，以在第一UWB天线121与位置测量模块160之间形成接收路径。
组合器142从第二UWB天线122和第三UWB天线123接收UWB信号。组合器142将接收的UWB信号进行合并以产生合并的UWB信号，并将所产生的该合并的UWB信号发送到位置测量模块160。此时，组合器142与位置测量模块160的第一接收端(Rx1)连接，并通过第一接收端(Rx1)向位置测量模块160发送合并的UWB信号。
组合器142合并从多个UWB天线120(例如，第二UWB天线122和第三UWB天线123)接收的UWB信号。组合器142使用等增益合并方法和最大比合并方法之一来合并多个UWB信号。
等增益合并方法是使用具有固定相位的合并电路来对所有相应的UWB信号求和的方法。最大比合并方法是将多个输入UWB信号叠加以获得最佳性能并在合并它们之前进行同步的方法。
参考图8，等增益合并方法和最大比合并方法由两根天线和一个组合器142(即，合并器)组成。因此，合并器将从两个UWB天线120a、120b接收的信号进行合并。
根据本公开的第一示例性实施例的位置测量装置100使用多个UWB天线120和组合器142以等增益合并方法和最大比合并方法来接收和合并信号。
根据本公开的第一示例性实施例，已经描述了第二UWB天线122和第三UWB天线123连接到组合器142作为示例，但是本公开不限于此，并且也可以将三个或更多个UWB天线120连接到组合器142。此时，考虑到UWB标签10和位置测量装置100(即，UWB锚点)之间的邻近环境，将连接到组合器142的UWB天线120的位置和方向布置在最佳位置。
位置测量模块160控制开关141以设置第一UWB天线121的模式。换句话说，位置测量模块160向开关141发送控制信号，以使第一UWB天线121以发射模式或接收模式进行操作。此时，位置测量模块160将发射信号和接收信号之一作为控制信号发送到开关141。因此，当接收到发射信号时，开关141切换到位置测量模块160的发射端(Tx)，以在第一UWB天线121与位置测量模块160之间形成发射路径；当接收到接收信号时，该开关切换到位置测量模块160的第二接收端(Rx2)，以在第一UWB天线121和位置测量模块160之间形成接收路径。
位置测量模块160基于从第一UWB天线121接收的UWB信号和从组合器142接收的合并的UWB信号来对测量目标的位置进行测量。位置测量模块160被配置成包括UWB芯片组，并通过单独或并行使用诸如双向测距(TWR)或到达角(AOA)之类的使用信号来测量位置的方法来对测量目标的位置进行测量。
参考图9，根据本公开的第二示例性实施例的位置测量装置100被配置成包括第一UWB天线121、第二UWB天线122、第三UWB天线123、第一开关143、第二开关144和位置测量模块160。
第一UWB天线121基于第一开关143的操作以发送天线和接收天线之一进行操作。当以发射天线操作时，第一UWB天线121将通过第一开关143从位置测量模块160接收的UWB信号发送到UWB标签10。当以接收天线操作时，第一UWB天线121接收从UWB标签10输出的UWB信号，并通过第一开关143将接收的UWB信号发送到位置测量模块160。
第二UWB天线122和第三UWB天线123以接收天线操作。第二UWB天线122和第三UWB天线123接收从UWB标签10输出的UWB信号并将其发送到第二开关144。此时，第二UWB天线122和第三UWB天线123可以从UWB标签10接收相同的UWB信号或接收具有不同频率的UWB信号。
第一开关143响应于位置测量模块160的控制信号来执行切换操作。第一开关143从位置测量模块160接收发射信号和接收信号之一作为控制信号。第一开关143响应于位置测量模块160的控制信号，在第一UWB天线121和位置测量模块160之间形成发射路径或接收路径。
当接收到发射信号时，第一开关143切换至位置测量模块160的发射端(Tx)，以在第一UWB天线121与位置测量模块160之间形成发射路径。当接收到接收信号时，第一开关143切换至位置测量模块160的第二接收端(Rx2)，以在第一UWB天线121与位置测量模块160之间形成接收路径。
第二开关144使用天线切换方法和选择性合并方法之一来将多个UWB信号之一发送到位置测量模块160。天线切换方法是通过将天线切换到多个UWB天线120中具有良好接收状态的天线来接收UWB信号的方法。选择性合并方法是通过比较在任意给定时间接收到的所有不同的UWB信号来选择最佳信号的方法。为此，天线切换方法和选择性合并方法由两个天线和一个开关(即，第二开关144)组成，以根据信号状态将开关切换(改变)至两个天线之一，并通过切换后的天线接收信号。
第二开关144响应于位置测量模块160的控制信号切换到第二UWB天线122和第三UWB天线123之一。第二开关144接收第一选择信号和第二选择信号之一作为控制信号。第二开关144响应于位置测量模块160的控制信号，在第二UWB天线122和第三UWB天线123之一与位置测量模块160之间形成接收路径。
当接收到第一选择信号时，第二开关144切换到第二UWB天线122，以在第二UWB天线122与位置测量模块160的第二接收端(Rx2)之间形成接收路径。当接收到第二选择信号时，第二开关144在第三UWB天线123与位置测量模块160的第二接收端(Rx2)之间形成接收路径。第二开关144通过切换操作形成的接收路径向位置测量模块160的第二接收端(Rx2)发送从第二UWB天线122或第三UWB天线123接收的UWB信号。
位置测量模块160控制第一开关143以便设置第一UWB天线121的模式。换言之，位置测量模块160向第一开关143发送控制信号以使在第一UWB天线121以发射模式或接收模式进行操作。此时，位置测量模块160将发射信号和接收信号之一作为控制信号发送到第一开关143。因此，当接收到发射信号时，第一开关143切换到位置测量模块160的发射端(Tx)，以在第一UWB天线121与位置测量模块160之间形成发射路径；当接收到接收信号时，第一开关143切换到位置测量模块160的第二接收端(Rx2)，以在第一UWB天线121和位置测量模块160之间形成接收路径。
位置测量模块160控制第二开关144选择UWB天线120。换句话说，位置测量模块160向第二开关144发送控制信号，以便在第二UWB天线122和第三UWB天线123之一与位置测量模块160之间形成接收路径。此时，位置测量模块160将第一选择信号和第二选择信号之一作为控制信号发送到第二开关144。这里，位置测量模块160可以对从第二UWB天线122和第三UWB天线123接收的UWB信号进行信道脉冲响应(Channel Impulse Response，CIR)分析，并基于分析结果选择第二UWB天线122和第三UWB天线123之一。
因此，当接收到第一选择信号时，第二开关144切换到第二UWB天线122，以在第二UWB天线122和位置测量模块160之间形成接收路径；当接收到第二选择信号时，第二开关144切换到第三UWB天线123，以在第三UWB天线123与位置测量模块160之间形成接收路径。
位置测量模块160基于从第一UWB天线121接收的UWB信号和从第二开关144接收的UWB信号来对测量目标的位置进行测量。位置测量模块160被配置成包括UWB芯片组，并通过单独或并行使用诸如TWR或AOA之类的使用信号来测量位置的方法来对测量目标的位置进行测量。
例如，位置测量模块160通过i)使用经第一UWB天线121接收的UWB信号的TWR距离测量以及ii)使用第一UWB天线121的UWB信号和经第二开关144输入的UWB信号(即通过第二UWB天线122或第三UWB天线123接收的UWB信号)的AOA方向测量来对测量目标的位置进行测量。
同时，参照图10，根据本发明示例性实施例的位置测量装置100还可以被配置成还包括：位于第一开关143和位置测量模块160之间的功率放大器145、第一低噪声放大器146、第三开关147以及位于第二开关144和位置测量模块160之间的第二低噪声放大器148。
功率放大器145对从位置测量模块160输出的UWB信号进行放大。第一低噪声放大器146对从第一UWB天线121接收的UWB信号进行放大。第一开关143响应于位置测量模块160的控制信号将第一UWB天线121切换到功率放大器145和第一低噪声放大器146之一。第三开关147响应于位置测量模块160的控制信号将第一低噪声放大器146切换到位置测量模块160的第二接收端(Rx2)，以及将功率放大器145切换到位置测量模块160的发射端(Tx)。第二低噪声放大器148对从第二UWB天线122和第三UWB天线123之一接收的UWB信号进行放大，并将其发送到位置测量模块160的第二接收端(Rx2)。第二开关144响应于位置测量模块160的控制信号，将第二UWB天线122和第三UWB天线123之一切换到第二低噪声放大器148。
尽管已经描述了本公开的上述优选示例性实施例，但是可以以各种形式修改上述实施例，并且应当理解，本领域的技术人员可以在不脱离本公开的权利要求的情况下进行各种改变和修改。

Claims (8)

1.一种位置测量装置，包括：
第一UWB天线，被配置成向位于测量目标的UWB标签发送UWB信号或从所述UWB标签接收UWB信号；
第二UWB天线，被配置成接收从所述UWB标签输出的UWB信号；
第三UWB天线，被配置成接收从所述UWB标签输出的UWB信号；
信号处理模块，被配置成输出从所述第一UWB天线接收的UWB信号以及从所述第二UWB天线和所述第三UWB天线中的至少一个UWB天线接收的UWB信号；以及
位置测量模块，被配置成基于从所述信号处理模块输出的UWB信号来对所述测量目标的位置进行测量。
2.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中，
所述位置测量模块包括：发射端、第一接收端和第二接收端；以及
所述信号处理模块包括：第一开关，被配置成响应于所述位置测量模块的控制信号，将所述第一UWB天线切换到所述发射端或所述第二接收端，以在所述第一UWB天线与所述位置测量模块之间形成发射路径或接收路径。
3.根据权利要求2所述的位置测量装置，其中，
当从所述位置测量模块接收到发射信号时，所述第一开关切换到所述发射端，以在所述第一UWB天线与所述位置测量模块之间形成所述发射路径。
4.根据权利要求2所述的位置测量装置，其中，
当从所述位置测量模块接收到接收信号时，所述第一开关切换到所述第二接收端，以在所述第一UWB天线与所述位置测量模块之间形成所述接收路径。
5.根据权利要求2所述的位置测量装置，其中，
所述信号处理模块包括：组合器，被配置成将从所述第二UWB天线接收的UWB信号与从所述第三UWB天线接收的UWB信号进行合并，以生成合并的UWB信号，并将所述合并的UWB信号发送到所述第一接收端。
6.根据权利要求2所述的位置测量装置，其中，
所述信号处理模块还包括：第二开关，被配置成响应于所述位置测量模块的控制信号，将所述第一接收端切换到所述第二UWB天线或所述第三UWB天线。
7.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中，
所述信号处理模块包括：
功率放大器，被配置成对从所述位置测量模块输出的UWB信号进行放大；
第一低噪声放大器，被配置成对从所述第一UWB天线接收的UWB信号进行放大；
第一开关，被配置成响应于所述位置测量模块的控制信号，将所述第一UWB天线切换到所述功率放大器或所述第一低噪声放大器；以及
第三开关，被配置成响应于所述位置测量模块的控制信号，将所述第一低噪声放大器切换到所述位置测量模块的第二接收端，以及将所述功率放大器切换到所述位置测量模块的发射端。
8.根据权利要求7所述的位置测量装置，其中，
所述信号处理模块还包括：
第二低噪声放大器，被配置成对从所述第二UWB天线或所述第三UWB天线接收的UWB信号进行放大，并将放大后的UWB信号发送到所述位置测量模块的第二接收端；以及
第二开关，被配置成响应于所述位置测量模块的控制信号，将所述第二UWB天线或所述第三UWB天线切换到所述第二低噪声放大器。
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