CN114980316B - 一种定位系统、方法和存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种定位系统、方法和存储介质，所述系统包括：至少一台基站和设置有超宽带（UWB）标签的设备；所述设备，用于发送UWB信号；所述至少一台基站中的每台基站，用于接收所述UWB信号，根据所述UWB信号确定所述设备与所述每台基站的方位参数；基于所述方位参数和所述设备与所述每台基站的距离定位所述设备。

Description

一种定位系统、方法和存储介质
技术领域
本申请涉及定位技术领域，尤其涉及一种定位系统、方法和存储介质。
背景技术
相关技术中，超宽带（Ultra Wideband，UWB）定位系统进行定位时，至少需要三个基站，这种方式存在成本高、部署复杂的问题。针对该问题，目前尚无有效解决方案。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种定位系统、方法和存储介质。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例的提供一种定位系统，所述系统包括：至少一台基站和设置有超宽带UWB标签的设备；
所述设备，用于发送UWB信号；
所述至少一台基站中的每台基站，用于接收所述UWB信号，根据所述UWB信号确定所述设备与所述每台基站的方位参数；基于所述方位参数和所述设备与所述每台基站的距离定位所述设备。
在上述方案中，所述方位参数包括第一夹角和/或第二夹角；所述每台基站包括UWB天线阵列、UWB信号鉴相器和处理器；所述UWB天线阵列和所述处理器分别与所述UWB信号鉴相器连接；
所述UWB天线阵列，用于接收所述UWB信号；
所述UWB信号鉴相器，用于基于所述UWB信号确定所述UWB天线阵列的相位参数；
所述处理器，用于根据所述相位参数确定所述设备与所述每台基站的第一夹角和/或第二夹角；基于所述第一夹角和/或第二夹角以及所述设备与所述每台基站的距离确定所述设备的坐标。
在上述方案中，所述UWB天线阵列包括至少三个天线阵元；所述三个天线阵元不在同一条直线上；所述至少三个天线阵元中的每个天线阵元分别与所述UWB信号鉴相器连接；
所述每个天线阵元，用于接收所述UWB信号；
所述UWB信号鉴相器，还用于根据所述UWB信号确定所述至少三个天线阵元对应的观测矢量；所述观测矢量中的元素表征所述至少三个天线阵元中每两个天线阵元分别接收所述UWB信号的相位差；
所述处理器，还用于根据所述观测矢量和预设矢量模板确定与所述观测矢量匹配度最高的矢量对应的理论方位角；将所述理论方位角作为所述第一夹角；和/或，根据所述理论方位角和预设夹角确定所述第二夹角。
在上述方案中，以所述每台基站为坐标原点，所述每台基站外壳表面法线为Z轴建立XYZ坐标系；所述第一夹角为所述设备与所述每台基站的距离在所述XYZ坐标系中XOY平面中的投影与X轴的夹角；所述第二夹角为所述设备与所述每台基站的距离与在所述XYZ坐标系中Z轴的夹角。
在上述方案中，所述设备的坐标包括设备的三维坐标；
所述处理器，还用于基于所述第一夹角和所述第二夹角以及所述设备与所述每台基站的距离确定所述设备的三维坐标。
在上述方案中，所述设备的坐标包括设备的二维坐标；
所述处理器，还用于获取所述每台基站与所述设备的高度差；基于所述第一夹角和所述高度差以及所述设备与所述每台基站的距离确定所述设备的二维坐标。
在上述方案中，所述三个天线阵元中任意两个天线阵元之间的间距至少有2个是小于或等于所述UWB信号的半波长。
在上述方案中，所述UWB信号鉴相器，还用于确定至少两对阵元中每对阵元接收到同一个所述UWB信号的角度；所述至少两对阵元为所述至少三个天线阵元中的任意两个天线阵元组成；
所述处理器，还用于根据所述角度和所述每对阵元中天线阵元的位置关系确定所述第一夹角和/或所述第二夹角。
在上述方案中，所述UWB信号鉴相器，还用于确定所述每对阵元接收到同一个所述UWB信号的相位差；根据所述相位差确定所述每对阵元接收到同一个所述UWB信号的角度。
本发明实施例的提供一种定位方法，应用于上述所述定位系统中；所述方法包括：
接收设置有超宽带UWB标签的设备发送的UWB信号；
根据所述UWB信号确定所述设备与自身的方位参数；
基于所述方位参数和所述设备与自身的距离定位所述设备。
在上述方案中，所述方位参数包括第一夹角和/或第二夹角；所述根据所述UWB信号确定所述设备与自身的方位参数，包括：
根据所述UWB信号确定所述设备与自身的第一夹角和/或第二夹角。
在上述方案中，所述基于所述方位参数和所述设备与自身的距离定位所述设备，还包括：
基于所述第一夹角和/或第二夹角以及所述设备与自身的距离确定所述设备的坐标。
在上述方案中，所述设备的坐标包括设备的三维坐标；所述方法还包括：
基于所述第一夹角和所述第二夹角以及所述设备与自身的距离确定所述设备的三维坐标。
在上述方案中，所述设备的坐标包括设备的二维坐标；所述方法还包括：
获取所述设备与自身的高度差；基于所述第一夹角和所述高度差以及所述设备与自身的距离确定所述设备的二维坐标。
在上述方案中，所述设备与自身的距离基于所述UWB信号对应的飞行时间TOF确定。
本发明还提供一种存储介质，其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上述所述方法的任一步骤。
本发明实施例提供一种定位系统、方法和存储介质，所述系统包括：至少一台基站和设置有超宽带UWB标签的设备；所述设备，用于发送UWB信号；所述至少一台基站中的每台基站，用于接收所述UWB信号，根据所述UWB信号确定所述设备与所述每台基站的方位参数；基于所述方位参数和所述设备与所述每台基站的距离定位所述设备。采用本发明实施例的技术方案，通过至少一台基站中的每台基站接收设置有超宽带UWB标签的设备发送的UWB信号，根据所述UWB信号确定所述设备与所述每台基站的方位参数；基于所述方位参数和所述设备与所述每台基站的距离定位所述设备，实现了定位的准确性，并降低了基站的数量和成本。
附图说明
图1为相关技术中提供的一种车钥匙定位的基站部署示意图；
图2为本发明实施例提供的一种定位系统示意图；
图3为本发明实施例中的一种UWB车钥匙定位系统的示意图；
图4为本发明实施例中基站的结构示意图；
图5为本发明实施例基站与设备建立的三维坐标示意图；
图6为本发明实施例中基站的又一种结构示意图；
图7为本发明实施例一种定位方法的实现流程示意图；
图8为本发明实施例中通过UWB信号进行测距的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明的具体技术方案做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
相关技术中，UWB定位系统进行定位时，至少需要三个基站，例如，对车钥匙进行定位时，需要在车上安装5个传统UWB基站（车外4个+车内1个），如图1所示，图1为相关技术中提供的一种车钥匙定位的基站部署示意图；其中，车外4个安装在车辆前后翼子板4个角，车内安装1个，这种方式存在如下问题：
（1）成本高、部署复杂。
（2）这种方式只能定位出钥匙在车外的相对位置以及是否在车内的存在性检测，但无法精确定位出钥匙在车内的具体位置。
本发明实施例提供一种定位系统，图2为本发明实施例提供的一种定位系统示意图；如图2所示，所述系统100包括：至少一台基站101和设置有超宽带UWB标签的设备102；
所述设备102，用于发送UWB信号；
所述至少一台基站101中的每台基站，用于接收所述UWB信号，根据所述UWB信号确定所述设备与所述每台基站的方位参数；基于所述方位参数和所述设备与所述每台基站的距离定位所述设备102。
需要说明的是，所述设备102可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。作为一种示例，所述设备102可以是网络设备、终端设备、手持设备等；在实际应用中，所述设备102具体可以是实体钥匙，也可以是手机；所述实体钥匙可以是实体车钥匙。
所述至少一台基站101的设置位置可以根据实际情况进行确定，在此不做限定；作为一种示例，所述至少一台基站101的设置位置可以为设置于车上；具体可以描述为设置于车上的至少一台基站101。所述至少一台基站101的具体数量可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。作为一种示例，所述至少一台基站101的具体数量可以是一台、两台或更多台。在实际应用中，所述基站101可以为超宽带-到达角度(Ultra Wideband– Angle ofArrival，UWB-AOA)基站；假设所述至少一台基站101为设置于车上的至少一台基站101，所述一台基站101可以称为单台UWB-AOA基站，利用单台UWB-AOA基站即可定位出车钥匙在车内和车外的准确相对位置，实测效果很好。利用所述两台或更多台基站101可以减少信号覆盖盲区。所述基站101的设置位置可以包括车辆天窗控制器附近、内后视镜附近、前后阅读灯附近等。
所述设备102中UWB标签的数量可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。作为一种示例，所述UWB标签的数量可以设置为一个或多个。所述设备102中UWB标签可以发送UWB信号。
所述方位参数可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。作为一种示例，所述方位参数可以理解为立体或平面投影方向；在实际应用中，所述至少一台基站中的每台基站101均可以接收所述UWB信号，利用所述UWB信号可以测量所述设备与所述每台基站的立体或平面投影方向。
所述设备102与所述每台基站101的距离可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。作为一种示例，所述设备102与所述每台基站101的距离可以通过飞行时间（Time OfFlight，TOF）进行确定。
基于所述方位参数和所述设备102与所述每台基站101的距离定位所述设备102可以理解为基于所述方位参数和所述设备与所述每台基站的距离确定所述设备102的坐标，所述坐标可以包括三维坐标或二维坐标。
为了方便理解，这里示例说明，假设所述至少一台基站101为设置在车上的一台UWB-AOA基站，所述设备102为UWB钥匙；如图3所示，图3为本发明实施例中的一种UWB车钥匙定位系统的示意图；r为UWB-AOA基站与UWB车钥匙之间的距离；φ为方位参数。
在实际应用中，UWB-AOA基站可以测量设置有UWB标签的设备102发射UWB信号的立体或平面投影方向，再通过TOF测量UWB-AOA基站到设置有UWB标签的设备的距离，单台UWB-AOA基站可确定设置有UWB标签的设备的立体或平面投影相对位置。基站数量可以从5减到1，大幅降低成本，更有利于普及到中低端车型；减少上车器件，简化车内线束，降低系统复杂度。
在本发明的一种可选实施例中，如图4所示，图4为本发明实施例中基站的结构示意图；所述方位参数包括第一夹角和/或第二夹角；所述每台基站101包括UWB天线阵列1011、UWB信号鉴相器1012和处理器1013；所述UWB天线阵列1011和所述处理器1013分别与所述UWB信号鉴相器1012连接；
所述UWB天线阵列1011，用于接收所述UWB信号；
所述UWB信号鉴相器1012，用于基于所述UWB信号确定所述UWB天线阵列1011的相位参数；
所述处理器1013，用于根据所述相位参数确定所述设备102与所述每台基站101的第一夹角和/或第二夹角；基于所述第一夹角和/或第二夹角以及所述设备102与所述每台基站101的距离确定所述设备102的坐标。
需要说明的是，所述处理器1013可以为任意的处理器，在此不做限定。作为一种示例，所述处理器1013可以为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。
所述第一夹角可以记为φ，也可以称为方位角；所述第一夹角可以表征所述设备102与所述每台基站的距离在平面的投影产生的夹角。所述第二夹角可以记为θ，也可以称为俯仰角；所述第二夹角可以表征所述设备102与所述每台基站101的距离与所述每台基站外壳表面的法线产生的夹角。在实际应用中，所述设备102与所述每台基站的距离可以理解为所述设备102与所述每台基站的连线，该连线的长度称为距离，所述设备102与所述每台基站的连线可以记为OT，OT的长度可以记为r。
在本发明的一种可选实施例中，所述UWB天线阵列1011包括至少三个天线阵元；所述三个天线阵元不在同一条直线上；所述至少三个天线阵元中的每个天线阵元分别与所述UWB信号鉴相器连接；
所述每个天线阵元，用于接收所述UWB信号；
所述UWB信号鉴相器1012，还用于根据所述UWB信号确定所述至少三个天线阵元对应的观测矢量；所述观测矢量中的元素表征所述至少三个天线阵元中每两个天线阵元分别接收所述UWB信号的相位差；
所述处理器1013，还用于根据所述观测矢量和预设矢量模板确定与所述观测矢量匹配度最高的矢量对应的理论方位角；将所述理论方位角作为所述第一夹角；和/或，根据所述理论方位角和预设夹角确定所述第二夹角。
需要说明的是，所述三个天线阵元可以为第一天线阵元、第二天线阵元和第三天线阵元，为了方便理解，所述第一天线阵元可以记为天线A、所述第二天线阵元可以记为天线B、所述第三天线阵元可以记为天线C。所述三个天线阵元可以根据实际情况进行排布，在此不做限定。作为一种示例，所述三个天线阵元可以排布成等边三角形（边长为d）或等腰直角三角形（直角边长为d），或其它排布类型。
根据所述UWB信号确定所述至少三个天线阵元对应的观测矢量可以理解为测量所述至少三个天线阵元中每个天线阵元分别接收所述UWB信号的相位，将每个天线阵元分别接收所述UWB信号的相位互相作差确定所述至少三个天线阵元对应的观测矢量。在实际应用中，所述基站也可以称为定位基站，所述UWB标签也可以称为定位标签。作为一种示例，定位基站接收定位标签发射的UWB信号，测量天线各阵元接收该信号的相位，将测量到的相位互相作差构造观测矢量。
为了方便理解，这里示例说明，将合适的天线阵元组合接收信号相位两两相减作为矢量的一个维度。n个阵元的天线阵列，对应的相位差矢量维度最多是
Figure 587821DEST_PATH_IMAGE001
。设第i个阵元接收到的信号相位为Φi，假设i为1,2,3；利用上所有阵元相位差组合时，参照以下公式（1）所述：
Figure 351509DEST_PATH_IMAGE002
（1）
所述预设矢量模板、所述理论方位角和所述预设夹角均可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。所述理论方位角可以记为φ0；所述预设夹角也可以称为参考俯仰角，可以记为θ0。作为一种示例，可以选定一个参考俯仰角θ0，通过仿真或实测得到标签位于不同方位角时各天线阵元接收信号的相位差矢量作为所述预设矢量模板。在实际应用中，所述预设矢量模板可以包括理论方位角φ0和接收信号相位差矢量
Figure 30752DEST_PATH_IMAGE003
，理论方位角φ0和接收信号相位差矢量
Figure 727443DEST_PATH_IMAGE003
存在映射关系；为了方便理解，这里示例说明，所述预设矢量模板如表一所示，表一为预设矢量模板的示意图。
表一
Figure 466729DEST_PATH_IMAGE004
根据所述观测矢量和预设矢量模板确定与所述观测矢量匹配度最高的矢量对应的理论方位角可以理解为将所述观测矢量与所述预设矢量模板中的接收信号相位差矢量
Figure 514451DEST_PATH_IMAGE003
进行匹配，得到与所述观测矢量匹配度最高的接收信号相位差矢量；再根据与所述观测矢量匹配度最高的接收信号相位差矢量在所述预设矢量模板中确定与所述观测矢量匹配度最高的矢量对应的理论方位角。即在上表第二列中找到最相似的一个对应的理论方位角。
根据所述理论方位角和预设夹角确定所述第二夹角主要考虑到从预设矢量模板中搜索得到的与观测矢量匹配得最好的矢量与观测矢量之间的差异是由观测时俯仰角与参考俯仰角θ0不同引起的，利用这种区别可以计算得到俯仰角θ。在实际应用中，俯仰角θ并不是必须的，但如果知道准确的俯仰角θ可以提高定位精度。
在本发明的一种可选实施例中，以所述每台基站101为坐标原点，所述每台基站的外壳表面法线为Z轴建立XYZ坐标系；所述第一夹角为所述设备102与所述每台基站101的连线在所述XYZ坐标系中XOY平面中的投影与X轴的夹角；所述第二夹角为所述设备102与所述每台基站101的距离与在所述XYZ坐标系中Z轴的夹角。
为了方便理解，这里示例说明，如图5所示，图5为本发明实施例基站与设备建立的三维坐标示意图；以UWB基站中心为原点O，基站外壳表面法线为z轴建立三维直角坐标系；所述设备102的位置为T，OT长度r，OT在xOy平面上的投影OT’与Ox夹角为第一夹角，也称为方位角，记为φ，OT与Oz夹角为第二夹角，也称为俯仰角，记为θ。
在本发明的一种可选实施例中，所述设备102的坐标包括所述设备102的三维坐标；
所述处理器，还用于基于所述第一夹角和所述第二夹角以及所述设备102与所述每台基站101的距离确定所述设备102的三维坐标。
需要说明的是，所述设备102的三维坐标可以记为(x,y,z)；所述第一夹角记为φ；所述第二夹角记为θ；所述设备102与所述每台基站101的距离记为r。所述设备102的三维坐标(x,y,z)的计算过程可参照如下公式（2）：
x=r sinθcosφ
y=r sinθsinφ
z=r cosθ （2）
在本发明的一种可选实施例中，所述设备102的坐标包括所述设备102的二维坐标；
所述处理器，还用于获取所述每台基站101与所述设备102的高度差；基于所述第一夹角和所述高度差以及所述设备102与所述每台基站101的距离确定所述设备102的二维坐标。
需要说明的是，所述每台基站101与所述设备102的高度差可以根据实际情况进行确定，也可以是预设的阈值，在此不做限定。
所述每台基站101与所述设备102的高度差可以记为Z；所述设备102的二维坐标可以记为(x,y,)；所述第一夹角记为φ；所述设备102与所述每台基站101的距离记为r。所述设备102的二维坐标(x,y)的计算过程可参照如下公式（3）：
Figure 547785DEST_PATH_IMAGE005
Figure 630141DEST_PATH_IMAGE006
（3）
本实施例，主要考虑到假设所述设备102为UWB车钥匙的情况下，所述UWB车钥匙在日常使用中离地高度变化不大，那么UWB车钥匙与UWB-AOA基站的高度差z变化也不大。已知z时，近似求解平面坐标（x,y）。
在本发明的一种可选实施例中，所述三个天线阵元中任意两个天线阵元之间的间距至少有2个是小于或等于所述UWB信号的半波长。
需要说明的是，所述UWB信号的波长可以记为λ；所述UWB信号的半波长可以记为
Figure 274749DEST_PATH_IMAGE007
；所述三个天线阵元中任意两个天线阵元之间的间距至少有2个是小于或等于所述UWB信号的半波长可以理解为所述三个天线阵元中任意两个天线阵元之间的间距至少有2个是小于或等于
Figure 481871DEST_PATH_IMAGE007
。
在本发明的一种可选实施例中，所述UWB信号鉴相器1012，还用于确定至少两对阵元中每对阵元接收到同一个所述UWB信号的角度；所述至少两对阵元为所述至少三个天线阵元中的任意两个天线阵元组成；
所述处理器，还用于根据所述角度和所述每对阵元中天线阵元的位置关系确定所述第一夹角和/或所述第二夹角。
本实施例中，所述至少三个天线阵元中的任意两个天线阵元可以组成一对阵元；需要确定至少两对阵元中每对阵元接收到同一个所述UWB信号的角度，该角度可以记为σ。即分别测量同一个UWB信号到达至少2对阵元的σ。在实际应用中，该2对阵元可能有共享某个共同的天线阵元，也可能没有共享某个共同的天线阵元。
根据所述角度和所述每对阵元中天线阵元的位置关系确定所述第一夹角和/或所述第二夹角可以理解为根据至少2个σ和所述每对阵元中天线阵元的位置关系确定所述第一夹角和/或所述第二夹角。
在本发明的一种可选实施例中，所述UWB信号鉴相器，还用于确定所述每对阵元接收到同一个所述UWB信号的相位差；根据所述相位差确定所述每对阵元接收到同一个所述UWB信号的角度。
需要说明的是，所述相位差可以记为
Figure 237337DEST_PATH_IMAGE008
；为了方便理解，这里以通过第一阵元和第二阵元两个天线阵元组成一对阵元推导角度σ进行示例说明，所述第一阵元可以记为阵元A，所述第二阵元可以记为阵元B。
同一个UWB信号分别到达阵元A和阵元B的距离差参照下面公式（4）：
Figure 829992DEST_PATH_IMAGE009
（4）
式（4）中，p为同一个UWB信号分别到达阵元A和阵元B的距离差；d为阵元A和阵元B的间距；σ为对阵元接收到同一个所述UWB信号的角度。
UWB信号波长表示参照下面公式（5）：
Figure 645502DEST_PATH_IMAGE010
（5）
式（5）中，
Figure 605499DEST_PATH_IMAGE011
为UWB信号波长；c为光速；f是所述UWB信号载波频率。
那么同一个UWB信号到达2个天线阵元的相位差参照下面公式（6）、（7）：
Figure 164656DEST_PATH_IMAGE012
（6）
即：
Figure 877397DEST_PATH_IMAGE013
（7）
所以：
Figure 598228DEST_PATH_IMAGE014
（8）
即：
Figure 777012DEST_PATH_IMAGE015
（9）
为了方便理解，这里示例三种应用实施例。
应用实施例一
在本应用实施例中：
第一步：定位基站接收定位标签发射的UWB信号，测量天线各阵元接收该信号的相位，将测量到的相位互相作差构造观测矢量。
第二步：选定一个参考俯仰角θ0，通过仿真或实测得到标签位于不同方位角时各天线阵元接收信号的相位差矢量作为模板。该模板可以参照前面表一。
第三步：在相位差矢量模板中搜索观测矢量的最佳匹配和对应的方位角φ，即在表一第二列中找到最相似的一行。
第四步：将合适的阵元组合接收信号相位两两相减作为矢量的一个维度。n个阵元的天线阵列，对应的相位差矢量维度最多是
Figure 874281DEST_PATH_IMAGE001
。设第i个阵元接收到的信号相位为Φi，假设i为1,2,3；利用上所有阵元相位差组合时，参照前面公式（1）所示。
第五步：从相位差矢量模板中搜索得到的与观测矢量匹配得最好的矢量与观测矢量之间的差异是由观测时俯仰角与参考俯仰角θ0不同引起的，利用这种区别可以计算得到俯仰角θ。在有些情况下，俯仰角θ并不是必须的，但如果知道准确的俯仰角θ可以提高定位精度。
应用实施例二
在本应用实施例中，可以结合图6进行理解，图6为本发明实施例中基站的又一种结构示意图。
第一步：在图6中，A、B、C代表UWB-AOA基站天线阵列中3个不在同一条直线上的天线阵元，实际可能还有第4个阵元D，甚至更多的阵元E、F…。
第二步：通过测量2个阵元接收到同一个UWB信号的相位差，可以计算出UWB信号相对这2个阵元的角度σ。
第三步：以通过A、B两个天线阵元推导角度σ为例，推导公式参照前面公式（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）。
第四步：分别测量UWB信号到达至少2对阵元的σ（该2对阵元可能有共享，也可能没有共享某个共同的天线阵元）。
第五步：通过至少2个σ和彼此几何关系，可进一步求得UWB标签相对于UWB-AOA基站的立体或平面投影方向。
应用实施例三
在本应用实施例中：
第一步：测距过程。
基站天线阵列和待定位标签，通过UWB信号进行实时测距，精度可达到10cm。因为基站和标签的时钟并不同步，所以实际常通过双向测距（Two-Way Ranging，TWR）算法进行，得到距离r。
第二步：计算定位坐标(x,y,z)，参照前面公式（2）。（球坐标系和直角坐标系转换）。
如果假设UWB车钥匙在日常使用中离地高度变化不大，那么UWB车钥匙与UWB-AOA基站的高度差z变化也不大。已知z时，有一种近似求解平面坐标（x,y），把变化的r sinθ替换成固定的
Figure 972687DEST_PATH_IMAGE016
，参照前面公式（3）。
实际可以只求得UWB标签（车钥匙）的二维坐标（x,y），即可满足绝大多数场景对UWB车钥匙的位置需求。
本发明实施例提供的定位系统，其中，通过至少一台基站中的每台基站接收设置有超宽带UWB标签的设备发送的UWB信号，根据所述UWB信号确定所述设备与所述每台基站的方位参数；基于所述方位参数和所述设备与所述每台基站的距离定位所述设备，实现了定位的准确性，并降低了基站的数量和成本。
基于上述的定位系统100，本发明还提供一种定位方法，应用于上述所述的定位系统100中，图7为本发明实施例一种定位方法的实现流程示意图，如图7所示，所述方法包括：
步骤S201，接收设置有超宽带UWB标签的设备发送的UWB信号。
步骤S202，根据所述UWB信号确定所述设备与自身的方位参数。
步骤S203，基于所述方位参数和所述设备与自身的距离定位所述设备。
需要说明的是，本实施例的执行主语可以是基站。所述设备可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。作为一种示例，所述设备可以是网络设备、终端设备、手持设备等；在实际应用中，所述设备具体可以是实体钥匙，也可以是手机；所述实体钥匙可以是实体车钥匙。
所述方位参数可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。作为一种示例，所述方位参数可以理解为立体或平面投影方向；在实际应用中，基站均可以接收所述UWB信号，利用所述UWB信号可以测量所述设备与所述每台基站的立体或平面投影方向。
所述设备与自身的距离可以为所述设备与所述基站的距离，该距离可以根据实际情况进行确定，在此不做限定。作为一种示例，所述设备与所述基站的距离可以通过飞行时间（Time Of Flight，TOF）进行确定。
基于所述方位参数和所述设备与所述基站的距离定位所述设备可以理解为基于所述方位参数和所述设备与所述基站的距离确定所述设备的坐标，所述坐标可以包括三维坐标或二维坐标。
在本发明的一种可选实施例中，所述方位参数包括第一夹角和/或第二夹角；所述根据所述UWB信号确定所述设备与自身的方位参数，包括：
根据所述UWB信号确定所述设备与自身的第一夹角和/或第二夹角。
需要说明的是，所述第一夹角可以记为φ，也可以称为方位角；所述第一夹角可以表征所述设备与所述基站的距离在平面的投影产生的夹角。所述第二夹角可以记为θ，也可以称为俯仰角；所述第二夹角可以表征所述设备与所述基站的距离与所述基站外壳表面的法线产生的夹角。在实际应用中，所述设备与所述基站的距离可以理解为所述设备与所述基站的连线，该连线的长度称为距离，所述设备与所述基站的连线可以记为OT，OT的长度可以记为r。
在本发明的一种可选实施例中，所述基于所述方位参数和所述设备与自身的距离定位所述设备，还包括：
基于所述第一夹角和/或第二夹角以及所述设备与自身的距离确定所述设备的坐标。
需要说明的是，所述设备的坐标可以包括三维坐标或二维坐标；所述三维坐标可以记为(x,y,z)；所述二维坐标(x,y)。
在本发明的一种可选实施例中，所述设备的坐标包括所述设备的三维坐标；所述方法还包括：
基于所述第一夹角和所述第二夹角以及所述设备与自身的距离确定所述设备的三维坐标。
需要说明的是，所述设备的三维坐标可以记为(x,y,z)；所述第一夹角记为φ；所述第二夹角记为θ；所述设备与所述基站的距离记为r。所述设备的三维坐标(x,y,z)的计算过程可参照前面公式（2）。
在本发明的一种可选实施例中，所述设备的坐标包括所述设备的二维坐标；所述方法还包括：
获取所述设备与基站的高度差；基于所述第一夹角和所述高度差以及所述设备与自身的距离确定所述设备的二维坐标。
需要说明的是，所述基站与所述设备的高度差可以根据实际情况进行确定，也可以是预设的阈值，在此不做限定。
所述基站与所述设备的高度差可以记为Z；所述设备102的二维坐标可以记为(x,y,)；所述第一夹角记为φ；所述设备与所述基站的距离记为r。所述设备102的二维坐标(x,y)的计算过程可参照前面公式（3）。
在本发明的一种可选实施例中，所述设备与自身的距离基于所述UWB信号对应的飞行时间TOF确定。
为了方便理解，这里示例说明，如图8所示，图8为本发明实施例中通过UWB信号进行测距的示意图；T prop 是UWB标签与UWB基站之间收发UWB信号的飞行时间。
所述UWB标签与所述UWB基站之间的距离参照公式（10）：
Figure 598841DEST_PATH_IMAGE017
Figure 533430DEST_PATH_IMAGE018
(10)
式（10）中，所述UWB信号的传输速度等于光速c。
本发明实施例中，UWB基站和设备通过UWB信号进行实时测距，精度可达到10cm。因为UWB基站和设备的时钟并不同步，所以实际通过TWR算法进行。
本发明实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序处理器被处理器执行时实现上述方法实施例的步骤，而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例上述系统中的方法步骤如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read Only Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。结合本发明实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成前述方法的步骤。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种定位系统，其特征在于，所述系统包括：设置于车上的至少一台基站和设置有超宽带UWB标签的设备；
所述设备，用于发送UWB信号；
所述至少一台基站中的每台基站，用于接收所述UWB信号，根据所述UWB信号确定所述设备与所述每台基站的方位参数；基于所述方位参数和所述设备与所述每台基站的距离定位所述设备；
其中，所述方位参数包括第一夹角和/或第二夹角；所述每台基站包括UWB天线阵列、UWB信号鉴相器和处理器；所述UWB天线阵列和所述处理器分别与所述UWB信号鉴相器连接；
所述UWB天线阵列，用于接收所述UWB信号；
所述UWB信号鉴相器，用于基于所述UWB信号确定所述UWB天线阵列的相位参数；
所述处理器，用于根据所述相位参数确定所述设备与所述每台基站的第一夹角和/或第二夹角；基于所述第一夹角和/或第二夹角以及所述设备与所述每台基站的距离确定所述设备的坐标；
所述UWB天线阵列包括至少三个天线阵元；所述三个天线阵元不在同一条直线上；所述至少三个天线阵元中的每个天线阵元分别与所述UWB信号鉴相器连接；
所述每个天线阵元，用于接收所述UWB信号；
所述UWB信号鉴相器，还用于根据所述UWB信号确定所述至少三个天线阵元对应的观测矢量；所述观测矢量中的元素表征所述至少三个天线阵元中每两个天线阵元分别接收所述UWB信号的相位差；
所述处理器，还用于根据所述观测矢量和预设矢量模板确定与所述观测矢量匹配度最高的矢量对应的理论方位角；将所述理论方位角作为所述第一夹角；和/或，根据所述理论方位角和预设夹角确定所述第二夹角；
所述设备的坐标包括所述设备的二维坐标；
所述处理器，还用于获取所述每台基站与所述设备的高度差；基于所述第一夹角和所述高度差以及所述设备与所述每台基站的距离确定所述设备的二维坐标。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，以所述每台基站为坐标原点，所述每台基站的外壳表面法线为Z轴建立XYZ坐标系；所述第一夹角为所述设备与所述每台基站的距离在所述XYZ坐标系中XOY平面中的投影与X轴的夹角; 所述第二夹角为所述设备与所述每台基站的距离与所述XYZ坐标系中Z轴的夹角。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述设备的坐标包括所述设备的三维坐标；
所述处理器，还用于基于所述第一夹角和所述第二夹角以及所述设备与所述每台基站的距离确定所述设备的三维坐标。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三个天线阵元中任意两个天线阵元之间的间距至少有2个是小于或等于所述UWB信号的半波长。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述UWB信号鉴相器，还用于确定至少两对阵元中每对阵元接收到同一个所述UWB信号的角度；所述至少两对阵元为所述至少三个天线阵元中的任意两个天线阵元组成；
所述处理器，还用于根据所述角度和所述每对阵元中天线阵元的位置关系确定所述第一夹角和/或所述第二夹角。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述UWB信号鉴相器，还用于确定所述每对阵元接收到同一个所述UWB信号的相位差；根据所述相位差确定所述每对阵元接收到同一个所述UWB信号的角度。
7.一种定位方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述的定位系统中；所述方法包括：
接收设置有超宽带UWB标签的设备发送的UWB信号；
根据所述UWB信号确定所述设备与自身的方位参数；
基于所述方位参数和所述设备与自身的距离定位所述设备；
其中，所述方位参数包括第一夹角和/或第二夹角；所述根据所述UWB信号确定所述设备与自身的方位参数，包括：
根据所述UWB信号确定所述设备与自身的第一夹角和/或第二夹角；
所述基于所述方位参数和所述设备与自身的距离定位所述设备，还包括：
基于所述第一夹角和/或第二夹角以及所述设备与自身的距离确定所述设备的坐标；
所述设备的坐标包括所述设备的二维坐标；所述方法还包括：
获取所述设备与基站的高度差；基于所述第一夹角和所述高度差以及所述设备与自身的距离确定所述设备的二维坐标。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述设备的坐标包括所述设备的三维坐标；所述方法还包括：
基于所述第一夹角和所述第二夹角以及所述设备与自身的距离确定所述设备的三维坐标。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述设备与自身的距离基于所述UWB信号对应的飞行时间TOF确定。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求7至9任一项所述方法的步骤。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114980316B (zh) * 2022-07-26 2022-10-28 北京全迹科技有限公司 一种定位系统、方法和存储介质
CN117991184A (zh) * 2022-10-31 2024-05-07 清研智行(北京)科技有限公司 智能钥匙的定位方法、装置、系统、电子设备及介质
CN115550841B (zh) * 2022-11-25 2023-02-24 深圳华云时空技术有限公司 一种基于uwb的测向定位方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108051778A (zh) * 2017-12-04 2018-05-18 吴运法 定位设备及方法
CN109212471B (zh) * 2018-07-04 2023-12-15 北京全迹科技有限公司 一种定位基站、系统和方法
KR102644144B1 (ko) * 2018-10-31 2024-03-07 주식회사 아모텍 차량용 uwb 정밀 위치 추정 방법 및 시스템
CN110768681B (zh) * 2019-09-29 2021-07-02 深圳市微能信息科技有限公司 一种基于uwb通信的定位电路、定位系统及定位方法
CN111707987B (zh) * 2020-06-23 2023-11-07 杭州中芯微电子有限公司 一种基于单基站的定位系统及其方法
CN112399334A (zh) * 2020-10-20 2021-02-23 北京嘀嘀无限科技发展有限公司 基于超宽带的定位方法、装置、电子设备和可读存储介质
CN112261669A (zh) * 2020-10-20 2021-01-22 Oppo广东移动通信有限公司 网络波束定向控制方法及装置、可读介质和电子设备
CN114384465A (zh) * 2020-10-20 2022-04-22 Oppo广东移动通信有限公司 方位角确定方法及装置
CN114697894A (zh) * 2020-12-31 2022-07-01 华为技术有限公司 一种室内定位方法、终端以及系统
CN113382473B (zh) * 2021-06-10 2023-03-24 杭州海康威视数字技术股份有限公司 定位方法、装置、系统、设备及存储介质
CN113949987B (zh) * 2021-09-08 2024-05-31 深圳市微能信息科技有限公司 一种定位方法、装置、基站和可读存储介质
CN114222365B (zh) * 2021-12-24 2024-03-05 杭州海康威视数字技术股份有限公司 一种基于单基站的超宽带定位方法、装置、计算单元、系统
CN114980316B (zh) * 2022-07-26 2022-10-28 北京全迹科技有限公司 一种定位系统、方法和存储介质

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