CN114827890A - 基于一体式uwb基站的三维高精度定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法，所述方法包括：测量得到UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的电磁波的相位差，并将其作为基准相位差；将区域空间进行网格化划分，并将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置；根据预先建立的三维空间模型计算所述候选位置与所述两个天线的距离差，将所述距离差转换为相位差，并将其作为候选相位差；计算所述候选相位差与所述基准相位差的差值，并对所述差值进行排序；选取差值较小的设定数量的子区域重复进行空间划分计算所述差值，直到达到设定条件，将得到的差值最小的候选位置作为目标标签的位置。利用本发明方案，可以实现对目标标签的高精度定位。

Description

基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法

技术领域

本发明涉及空间定位领域，具体涉及一种基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法及装置。

背景技术

随着科技的不断进步，UWB(超宽带，ultra wide band)无线定位技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低，尤其是能提供非常精确的定位精度等优点，而成为未来无线定位技术的热点和首选。现有的二维定位系统主要包括至少3-4个UWB接收器(即UWB基站)和UWB标签。位置确定由UWB接收基站接收标签发射的UWB信号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，然后通过对得到的有效数据进行分析得到坐标的位置信息。相关基础定位算法有如TDOA(Time Difference ofArrival，到达时间差)、AOA(Angle of Arrival，到达角度)、TOF(Time of Flight，飞行时间)等。但是，在实际应用中，现有的技术方案由于至少布设3-4个UWB接收基站。特别是在三维定位需求下，需要在房顶与地面分别布设至少5个UWB接收基站，才能实现三维定位。现场施工需要耗费大量的人工、和时间成本，且接收基站自身成本也较高。

发明内容

本发明提供一种基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法及装置，以实现对目标标签的高精度定位。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法，所述方法包括：

测量得到UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的电磁波的相位差，并将其作为基准相位差；

将区域空间进行网格化划分，并将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置；

根据预先建立的三维空间模型计算所述候选位置与所述两个天线的距离差，将所述距离差转换为相位差，并将其作为候选相位差；

计算所述候选相位差与所述基准相位差的差值，并对所述差值进行排序；

选取差值较小的设定数量的子区域重复进行空间划分计算所述差值，直到达到设定条件，将得到的最小差值对应的候选位置作为目标标签的位置。

可选地，所述将区域空间进行网格化划分包括：

获取区域空间的边界信息；

根据所述边界信息对所述区域空间进行网络化划分，得到多个子区域。

可选地，所述方法还包括按照以下方式建立三维空间模型：

依据所述天线阵列中天线的位置建立所述天线阵列中每组天线的位置模型；

根据所述天线阵列中不同天线之间的位置关系，建立目标标签对应各天线的距离模型。

可选地，所述位置模型为：F(x,y,h,dis)＝0，其中，x,y分别表示目标标签位置的水平坐标，h表示所述空间高度，dis表示所述目标标签到达一组天线两端的距离差。

可选地，所述设定条件包括：重复次数达到设定值；或者任一所述差值小于设定阈值。

可选地，所述方法还包括：

如果所述最小差值对应的候选位置不在所述区域空间内，则选择距离所述差值最小的候选位置最近的区域边界作为目标标签的位置。

一种基于一体式UWB基站的三维高精度定位装置，所述装置包括：

测量模块，用于测量得到UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的电磁波的相位差，并将其作为基准相位差；

空间划分模块，用于将区域空间进行网格化划分，并将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置；

相位差计算模块，用于根据预先建立的三维空间模型计算所述候选位置与所述两个天线的距离差，将所述距离差转换为相位差，并将其作为候选相位差；

差值计算模块，用于计算所述候选相位差与所述基准相位差的差值，并对所述差值进行排序；

判断模块，用于判断是否达到设定条件；

选择模块，用于在所述判断模块确定未达到设定条件的情况下，选取差值较小的设定数量的子区域以重复进行空间划分计算所述差值；

输出模块，用于在所述判断模块确定达到设定条件的情况下，将所述差值计算模块得到的最小差值对应的候选位置作为目标标签的位置。

可选地，所述装置还包括三维模型建立模块，用于建立三维空间模型；所述三维模型建立模块包括：

位置模块建立单元，用于依据所述天线阵列中天线的位置建立所述天线阵列中每组天线的位置模型；

距离模块建立单元，用于根据所述天线阵列中不同天线之间的位置关系，建立目标标签对应各天线的距离模型。

可选地，所述位置模型为：F(x,y,h,dis)＝0，其中，x,y分别表示目标标签位置的水平坐标，h表示所述空间高度，dis表示所述目标标签到达一组天线两端的距离差。

可选地，所述装置还包括：

位置纠偏模块，用于在所述最小差值对应的候选位置不在所述区域空间内，则选择距离所述差值最小的候选位置最近的区域边界作为目标标签的位置。

本发明实施例提供的基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法及装置，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置，将三维空间进行空间网格化的划分，将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置，对各候选位置根据预先建立的三维空间模型计算其与天线UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的距离差，并将其转换为相位差，与实际测量的两个天线的电磁波的相位差进行比较，根据比较结果逐渐缩小两者的误差，最终得到目标标签的位置。利用本发明方案，可以实现不同粒度的定位效果，最大程度上满足各种不同定位精度应用的需求。

附图说明

图1是本发明方法所基于的一体式UWB基站中多天线定位子板的结构框图；

图2是本发明基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法的流程图；

图3是本发明基于一体式UWB基站的三维高精度定位装置的一种结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

针对现有技术需要布设多个UWB基站需要耗费大量的人工和时间成本的问题，本发明实施例提供一种基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法及装置，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置，将三维空间进行空间网格化的划分，将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置，对各候选位置根据预先建立的三维空间模型计算其与天线UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的距离差，并将其转换为相位差，与实际测量的两个天线的电磁波的相位差进行比较，根据比较结果逐渐缩小两者的误差，最终得到目标标签的位置。

需要说明的是，所述一体式UWB基站是指具备至少三个多天线定位子板的UWB基站，也就是说，本发明中的一体式UWB基站的天线阵列具备至少三个天线定位子板。每个天线定位子板包括一组接收天线，每组接收天线中至少有两个接收天线。

如图1所示，是本发明方法所基于的一体式UWB基站中多天线定位子板的结构框图。其中，每个多天线定位子板包括UWB控制模块、以及分别与所述UWB控制模块信号连接的至少两个定位模块及接收天线。图1中示出了两个UWB定位模块及接收天线，分别为：与所述UWB控制模块信号连接的第一UWB定位模块和第二UWB定位模块、与所述第一UWB定位模块信号连接的第一接收天线、与所述第二UWB定位模块信号连接的第二接收天线。每两个独立的UWB定位模块接收目标标签发射的信号，用于相应的单个多天线定位子板对相位差的计算。

本发明实施例提供的基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法及装置，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置实现对目标标签的三维高精度定位。一体式UWB基站的优点在于：

1)低成本：将多个分布式UWB基站定位网络集中至单体UWB基站中，降低其在硬件、施工、管理方面的成本。

2)低功耗：一体式UWB基站采用相位差处理逻辑(即PDOA，Phase-Difference-of-Arrival)，与现有的TOF+AOA的单体基站对比，对被定位标签频繁测距而导致的高功耗有显著改善。

下面对本发明方案进行详细说明。为了便于描述，下面实施例中以每组接收天线中有两个接收天线举例说明，每组接收天线也可称为天线模组。

参照图2，图2是本发明基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法的流程图，包括以下步骤：

步骤201，测量得到UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的电磁波的相位差，并将其作为基准相位差。

具体地，可以通过UWB接收器接收所述两个天线的电磁波，并计算两个电磁波的相位差。具体计算方法可采用现有技术，对此本发明实施例不做限定。

步骤202，将区域空间进行网格化划分，并将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置。

具体地，获取区域空间的边界信息；根据所述边界信息对所述区域空间进行网络化划分，得到多个子区域。

比如，可以通过对接收点获取的天线组相位差的正负的区分，判断接收点真实位置位于天线的哪一侧，进而依据天线的分布对三维空间进行切割，获取真正需要查找的子区域。进一步地，通过天线的中心点坐标以及区域边界，可以确定子区域的边界数据。然后，在各个维度上依据其各自的尺度特征进行划分。对于划分之后的区间数据，对其进行三维层面的组合，从而形成一个个细粒度级别的三维空间子区域。

步骤203，根据预先建立的三维空间模型计算所述候选位置与所述两个天线的距离差，将所述距离差转换为相位差，并将其作为候选相位差。

所述三维空间模型的建立方式如下：

首先在二维平面下，依据所述天线阵列中天线的位置建立所述天线阵列中每组天线的位置模型；然后根据所述天线阵列中不同天线之间的位置关系，建立目标标签对应各天线的距离模型。

每组天线的位置模型可以表示为：

F(x,y,h,dis)＝0 (1)

其中，x,y分别表示所述目标标签位置的水平坐标，h表示空间高度，dis表示所述目标标签到达一组天线两端的距离差。

对于每组天线，都有唯一的一组公式(1)与之对应。

目标标签与各组天线的距离模型可以表示为：

G(x_i，y_i,x_j,y_j)＝0 (2)

其中，x,y分别表示所述目标标签位置的水平坐标，i,j分别表示一组天线中两个不同的天线。

根据上述公式(1)和(2)，可以获取到对应于不同天线阵列下，目标标签的相对位置信息。具体地，依据上述公式(1)，可以根据天线阵列的不同天线建立属于各自的关于目标标签位置坐标的空间高维非线性方程组。然后利用公式(2)，建立不同天线间目标标签位置坐标之间的联系。这样，通过解非线性方程组，就可以获得目标标签的位置坐标信息。

依据光学以及电磁学的相关原理，可以按照以下公式将所述距离差转换为相位差：

其中，p表示所述相位差，360表示一个相位的一个周期范围，c表示光速3.0*10^8m/s，fc表示所述电磁波频率。

步骤204，计算所述候选相位差与所述基准相位差的差值，并对所述差值进行排序。

对所述差值的排序可以依据各差值的大小，依次从小到大、或者从大到小进行排序，对此不做限定。

步骤205，判断是否满足设定条件；如果是，则执行步骤206；否则，执行步骤207。

步骤206，将得到的差值最小的候选位置作为目标标签的位置。

步骤207，选取差值较小的设定数量的子区域作为当前区域空间；然后返回步骤202。

需要说明的是，所述设定条件可以是重复次数达到设定值；或者任一所述差值小于设定阈值。

所述重复次数是指对区域空间进行粒度由大到小的网络化划分的重复次数。在实际应用中，可以根据定位的精度要求，确定首次网络化划分的粒度。在每次完成上述步骤202至步骤205的过程后，可以不用再选取全部的区域空间重复上述过程，而是只选取最有可能的部分空间(即差值较小的子区域)进行更细粒度的划分，进而使确定的目标标签的位置更准确。

由于划分得到的子区域可能存在空间上的不规则性。因此在进行三维网格化划分之后，部分子区域不在实际的范围之内，从而影响结果的精确性。为此，在本发明方法另一实施例中，还可以对确定的目标标签的位置进行纠偏处理，具体地，如果所述最小差值对应的候选位置不在所述区域空间内，则选择距离所述差值最小的候选位置最近的区域边界作为目标标签的位置。

本发明实施例提供的基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置，将三维空间进行空间网格化的划分，将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置，对各候选位置根据预先建立的三维空间模型计算其与天线UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的距离差，并将其转换为相位差，与实际测量的两个天线的电磁波的相位差进行比较，根据比较结果逐渐缩小两者的误差，最终得到目标标签的位置。利用本发明方案，可以实现不同粒度的定位效果，最大程度上满足各种不同定位精度应用的需求。

相应地，本发明实施例还提供一种基于一体式UWB基站的三维高精度定位装置，如图3所示，是该装置的一种结构示意图。

在该实施例中，所述装置包括以下各模块：

测量模块301，用于测量得到UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的电磁波的相位差，并将其作为基准相位差；

空间划分模块302，用于将区域空间进行网格化划分，并将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置；

相位差计算模块303，用于根据预先建立的三维空间模型计算所述候选位置与所述两个天线的距离差，将所述距离差转换为相位差，并将其作为候选相位差；

差值计算模块304，用于计算所述候选相位差与所述基准相位差的差值，并对所述差值进行排序；

判断模块305，用于判断是否达到设定条件；

选择模块306，用于在所述判断模块305确定未达到设定条件的情况下，选取差值较小的设定数量的子区域以重复进行空间划分计算所述差值；

输出模块307，用于在所述判断模块305确定达到设定条件的情况下，将所述差值计算模块得到的最小差值对应的候选位置作为目标标签的位置。

需要说明的是，所述三维空间模型可以由相应的三维模型建立模块来构建，所述三维模型建立模块可以作为本发明装置的一部分，也可以独立于本发明装置，对此本发明不做限定。

在所述三维模型建立模块的一种具体结构中，该三维模型建立模块可以包括以下各单元：

位置模块建立单元，用于依据所述天线阵列中天线的位置建立所述天线阵列中每组天线的位置模型；

距离模块建立单元，用于根据所述天线阵列中不同天线之间的位置关系，建立目标标签对应各天线的距离模型。

所述位置模型和所述距离模型可参见前面方法实施例中的描述，在此不再赘述。

由于划分得到的子区域可能存在空间上的不规则性。因此在进行三维网格化划分之后，部分子区域不在实际的范围之内，从而影响结果的精确性。为此，在本发明装置另一实施例中，还可以包括：位置纠偏模块(未图示)，用于在所述最小差值对应的候选位置不在所述区域空间内，则选择距离所述差值最小的候选位置最近的区域边界作为目标标签的位置。

本发明实施例提供的基于一体式UWB基站的三维高精度定位装置，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置，将三维空间进行空间网格化的划分，将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置，对各候选位置根据预先建立的三维空间模型计算其与天线UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的距离差，并将其转换为相位差，与实际测量的两个天线的电磁波的相位差进行比较，根据比较结果逐渐缩小两者的误差，最终得到目标标签的位置。利用本发明方案，可以实现不同粒度的定位效果，最大程度上满足各种不同定位精度应用的需求。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。而且，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块和单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个网络单元上，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于一体式UWB基站的三维高精度定位方法，其特征在于，所述方法包括：

测量得到UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的电磁波的相位差，并将其作为基准相位差；

将区域空间进行网格化划分，并将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置；

根据预先建立的三维空间模型计算所述候选位置与所述两个天线的距离差，将所述距离差转换为相位差，并将其作为候选相位差；

计算所述候选相位差与所述基准相位差的差值，并对所述差值进行排序；

选取差值较小的设定数量的子区域重复进行空间划分计算所述差值，直到达到设定条件，将得到的最小差值对应的候选位置作为目标标签的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将区域空间进行网格化划分包括：

获取区域空间的边界信息；

根据所述边界信息对所述区域空间进行网络化划分，得到多个子区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括按照以下方式建立三维空间模型：

依据所述天线阵列中天线的位置建立所述天线阵列中每组天线的位置模型；

根据所述天线阵列中不同天线之间的位置关系，建立目标标签对应各天线的距离模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述位置模型为：F(x,y,h,dis)＝0，其中，x,y分别表示目标标签位置的水平坐标，h表示所述空间高度，dis表示所述目标标签到达一组天线两端的距离差。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定条件包括：重复次数达到设定值；或者任一所述差值小于设定阈值。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

如果所述最小差值对应的候选位置不在所述区域空间内，则选择距离所述差值最小的候选位置最近的区域边界作为目标标签的位置。

7.一种基于一体式UWB基站的三维高精度定位装置，其特征在于，所述装置包括：

测量模块，用于测量得到UWB基站天线阵列中一组天线中两个天线的电磁波的相位差，并将其作为基准相位差；

空间划分模块，用于将区域空间进行网格化划分，并将划分得到的各子区域作为目标标签的候选位置；

相位差计算模块，用于根据预先建立的三维空间模型计算所述候选位置与所述两个天线的距离差，将所述距离差转换为相位差，并将其作为候选相位差；

差值计算模块，用于计算所述候选相位差与所述基准相位差的差值，并对所述差值进行排序；

判断模块，用于判断是否达到设定条件；

选择模块，用于在所述判断模块确定未达到设定条件的情况下，选取差值较小的设定数量的子区域以重复进行空间划分计算所述差值；

输出模块，用于在所述判断模块确定达到设定条件的情况下，将所述差值计算模块得到的最小差值对应的候选位置作为目标标签的位置。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括三维模型建立模块，用于建立三维空间模型；所述三维模型建立模块包括：

位置模块建立单元，用于依据所述天线阵列中天线的位置建立所述天线阵列中每组天线的位置模型；

距离模块建立单元，用于根据所述天线阵列中不同天线之间的位置关系，建立目标标签对应各天线的距离模型。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述位置模型为：F(x,y,h,dis)＝0，其中，x,y分别表示目标标签位置的水平坐标，h表示所述空间高度，dis表示所述目标标签到达一组天线两端的距离差。

10.根据权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

位置纠偏模块，用于在所述最小差值对应的候选位置不在所述区域空间内，则选择距离所述差值最小的候选位置最近的区域边界作为目标标签的位置。

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