CN115002653A - 基于一体式uwb基站的轻量级二维高精度定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位方法，该方法包括：预先建立目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；获取目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差；根据所述三维空间位置模型及所述距离差，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息；对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签的实际位置。利用本发明方案，可以对监测目标实现轻量级快速定位。

Description

基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位方法

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基站的轻量级二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。

如图1所示，现有的二维定位系统或产品，主要包括至少3-4个UWB接收器(即UWB基站)和UWB标签。一般来说，会将分布式的多个UWB基站布设在定位区域的边界焦点(如房间的四个角落各布设1个UWB基站)，由UWB基站接收UWB标签发射的UWB信号，得到包含有效信息的信号，然后通过对得到的有效数据进行分析得到目标的位置信息。相关基础定位算法有如基于UWB的TDOA(时间到达差，time difference of arrival)、AOA(到达角度，angleof arrival)、TOF(飞行时间，time-of-flight))定位和测距技术等。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基站，现场施工需要耗费大量的人工和时间成本，且多个分布式UWB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基站的轻量级二维高精度定位方法及装置，以对监测目标实现轻量级快速定位。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位方法，所述方法包括：

预先建立目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

获取目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差；

根据所述三维空间位置模型及所述距离差，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息；

对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签的实际位置。

可选地，所述建立目标标签与天线阵列的三维空间位置模型包括：

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表示房间的高度，dis表示所述目标标签到达一组天线两端的距离差

可选地，所述获取目标标签与UWB基站阵列天线中每组天线中两个天线的距离差包括：

获取所述UWB基站阵列天线中每组天线中两个天线的电磁波；

确定两个电磁波的相位差；

根据所述相位差，计算得到所述目标标签到达所述两个天线的距离差。

可选地，所述根据所述相位差，计算得到所述目标标签到达所述两个天线的距离差包括：

按照以下公式计算所述目标标签到达所述两个天线的距离差diff：

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。

可选地，所述根据所述三维空间位置模型及所述距离差，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息包括：

根据所述距离差的正负值，确定目标标签相对于所述天线阵列的相对位置；

根据所述距离差的数值和所述相对位置，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息。

可选地，所述方法还包括：

判断所述目标标签的实际位置是否在设定的空间范围内；

如果不是，则将距离所述实际位置最近的空间边界作为所述目标标签的实际位置。

一种基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位装置，所述装置包括：

模型建立模块，用于预先建立目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

距离差获取模块，用于获取目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差；

相对位置确定模块，用于根据所述三维空间位置模型及所述距离差，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息；

实际位置确定模块，用于对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签的实际位置。

可选地，所述模型建立模块包括：

位置模型建立单元，用于建立所述天线阵列中每组天线的位置模型；

距离模型建立单元，用于根据所述天线阵列中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，所述装置还包括：

判断模块，用于判断所述目标标签的实际位置是否在设定的空间范围内；

修正模块，用于在所述目标标签的实际位置不在设定的空间范围内的情况下，将距离所述实际位置最近的空间边界作为所述目标标签的实际位置。

本发明实施例提供的基于一体式UWB基站的轻量级二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，通过获取被定位标签与一体式UWB基站中天线阵列(天线组数不小于3)的相位差值，构建无线电场强空间模型，并将该空间模型投影到二维平面坐标系，进而实现基于一体式UWB基站的二维高精度定位。

与现有的技术相比，本发明有如下的有益效果：

1)能够实现更好的定位效果，经过实验表明，该方案能够实现厘米级别的精确定位。

2)由于采用UWB技术，因此具有功耗低、抗多径效果好、安全性高、复杂度低等众多优点。

附图说明

图1是现有的二维定位系统的结构示意图；

图2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3是本发明基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位方法的流程图；

图4是本发明中高维空间中到达两个位置点的距离差为某个确定值的所有点的集合呈现的圆锥面的示意图；

图5是本发明基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位装置的结构示意图。

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轻量级二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，通过获取被定位标签与一体式UWB基站中天线阵列(天线组数不小于3)的相位差值，构建无线电场强空间模型，并将该空间模型投影到二维平面坐标系，进而实现基于一体式UWB基站的二维高精度定位。

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。

如图2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2中示出了两个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。

如图3所示，是本发明实施例基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位方法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤301，预先建立目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型。

需要说明的是，所述目标标签是指所述一体式UWB基站。

首先，在二维平面下，依据所述天线阵列中天线的位置建立每组天线的位置模型。该位置模型具体可以表示为：

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表示房间的高度，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。

其次，可以依据天线之间的位置关系，建立所述目标标签与各组天线的距离模型，其表达式如公式(2)所示。

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。

步骤302，获取目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差。

对于UWB天线阵列，其中每组天线中的各天线都相当于一个无线电发射源。通过接收设备，可以获取不同发射源到达目标标签的电磁波之间的相位差，也就是说，接收UWB基站阵列天线中每组天线中两个天线的电磁波，确定两个电磁波的相位差，进而可以根据该相位差计算得到目标标签到达所述两个天线的距离差。

依据光学以及电磁学的相关原理，可以按照以下公式计算目标标签到达所述两个天线的距离差diff：

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，比如FCC允许美国境内的UWB设备使用3.1GHz至10.6GHz的频率带宽；欧洲委员会的决定划分出了3.4GHz-4.8GHz和6GHz-8.5GHz给UWB标签。

通过计算得到的距离差，可以将原始的利用UWB接收器的定位问题转换为高维空间上到达两个位置点的距离差等于某个确定值的空间几何问题。依据单叶双曲面数学理论，可以得出满足该条件(即到达两个位置点的距离差等于某个确定值)的所有点的集合是一个空间双曲圆锥面，如图4所示。

需要说明的是，根据上面的转换结果得到的距离差也可以通过相位差来反映，因为上面的计算影响的只是量化的尺度，并不会影响结果的正负值。

进一步地，通过结合实际的情景分析，可以依据目标标签到天线阵列中每组天线中各天线的距离确定目标标签位于双曲圆锥面的哪一面，从而可以减少计算的次数，提高计算效率。

依据实验发现，目标标签获取的相位差，在距离天线阵列不同位置有着不同的渐变尺度。因此，为了使其能够更加精确地描述空间上的位置信息，还可进一步对阈值大于一定范围内的相位差进行合适的缩放处理，即通过归一化计算确保相位差值的合理性。对于处理之后的相位差数据，使其变换后能够尽可能地反映空间位置转换的规律，从而可以更好地描述其所处的空间状态，最终使得该相位差值与空间上的位置点形成一一对应的关系。

步骤303，根据所述三维空间位置模型及所述距离差，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息。

具体地，可以根据所述距离差的正负值，确定所述目标标签相对于所述天线阵列的相对位置；然后根据所述距离差的数值和所述相对位置，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息。

需要说明的是，为了简化中间过程中相对坐标信息的表示，可以分别建立对应各组天线自己的独立坐标系。相应地，得到的目标标签对应各组天线的相对坐标信息也是在各自天线坐标系中的坐标，该坐标为二维坐标。

步骤304，对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签的实际位置。

由于在步骤303中得到的目标标签对应各组天线的相对坐标信息是在各自天线坐标系中的坐标，因此还需要根据这些坐标确定所需要的所述目标标签在全局坐标系中的坐标。具体地，可以依据天线的位置以及摆放角度进行相对应的二维空间坐标系的平移和旋转变换，从而得到最终的位置坐标，该坐标即为所述目标标签的实际位置。

进一步地，考虑到由于传输、障碍物阻挡等因素的影响，在某些极端情况下，计算的结果可能会超出房间的范围。因此，对于计算出得到的所述目标标签的实际位置，还可以判断在是否在设定的空间范围内，如果不是，则将距离所述实际位置最近的空间(比如房间)边界作为所述目标标签的实际位置。

本发明实施例提供的基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位方法，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置，通过获取被定位标签与一体式UWB基站中天线阵列(天线组数不小于3)的相位差值，构建无线电场强空间模型，并将该空间模型投影到二维平面坐标系，进而实现基于一体式UWB基站的二维高精度定位。

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。

下面进一步举例说明发明方案。

输入包含区间的边界数据，用来确定目标标签的边界信息；目标标签距离天线阵列的垂直高度h；天线阵列各条天线中心点的位置坐标；UWB基站的相位值。

步骤1，假设1号天线模组的天线两端接收到信号的相位差为-60，并依据公式(1)计算得到信号到达天线两端的距离差。所述1号天线模组是指一组天线，天线两端是指一个天线模组中的两条天线。

步骤2，预先建立目标标签与天线阵列的三维空间位置模型。

具体地，根据1号天线的中心点坐标、以及1号天线的长度和摆放角度，可以确定1号天线两端的坐标。然后依据上面计算出来的到天线两端的距离差，就可以得到目标标签的实际位置关于1号天线的一个位置方程。对目标标签在天线阵列所在的面做投影，并对天线做垂线。垂足到达天线正极的水平距离记为x，垂线的长度记为y。这样我们得到的公式为公式(2)。

同样，对于另外的天线，也可以得出相类似的公式。

对于不同的天线，将会得到不同的x与y。然后，利用天线的位置信息，得到不同的x,y之间的表达式。然后通过解方程，就可以获取不同的x,y信息。

步骤3，由于建立的是空间关系，所以上面的处理中，得到的x,y表示的是距离信息。因此，需要通过前面的相位信息判断其位于天线的哪一侧。如果相位差大于0，表示的是目标标签位于天线的正侧，小于0表示位于天线的负侧。这样就可以得到一个目标标签相对于天线的位置信息。

步骤4，根据上面得到的相对坐标，然后利用空间坐标系的转换方式，带入天线的中心点坐标，然后就可以得到目标标签最终的位置信息。

例如，计算的1号天线的相对坐标为x＝-0.5，而1号天线的坐标为2.5。那么目标标签的横坐标的位置即为x＝2。

进一步地，由于相位值测量的误差，可能导致计算的结果溢出所限定的区域。因此，对于这部分的数据，可以对该位置点进行处理，选择其距离最近的一个边界点返回。

例如最后的计算出的目标标签的位置为(-1，-1)，而房间的真实区域为(0，0)，(0，5)，(5，0)，(5，5)。那么可将目标标签的位置修正为(0，0)。

相应地，本发明实施例还提供一种基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位装置，如图5所示，该装置包括以下各模块：

模型建立模块501，用于预先建立目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

距离差获取模块502，用于获取目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差；

相对位置确定模块503，用于根据所述三维空间位置模型及所述距离差，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息；

实际位置确定模块504，用于对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签的实际位置。

其中，所述模型建立模块501具体可以包括以下各单元：

位置模型建立单元，用于建立所述天线阵列中每组天线的位置模型；

距离模型建立单元，用于根据所述天线阵列中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。

上述各模块的功能实现可以参照前面本发明方法实施例中的描述，在此不再赘述。

进一步地，考虑到由于传输、障碍物阻挡等因素的影响，在某些极端情况下，计算的结果可能会超出房间的范围。因此，在本发明基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位装置另一实施例中，还可包括以下各模块：

判断模块，用于判断所述目标标签的实际位置是否在设定的空间范围内；

修正模块，用于在所述目标标签的实际位置不在设定的空间范围内的情况下，将距离所述实际位置最近的空间边界作为所述目标标签的实际位置。

本发明实施例提供的基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位装置，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置，通过获取被定位标签与一体式UWB基站中天线阵列(天线组数不小于3)的相位差值，构建无线电场强空间模型，并将该空间模型投影到二维平面坐标系，进而实现基于一体式UWB基站的二维高精度定位。

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基站的轻量级二维高精度定位方法，其特征在于，所述方法包括：

预先建立目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

获取目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差；

根据所述三维空间位置模型及所述距离差，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息；

对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签的实际位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立目标标签与天线阵列的三维空间位置模型包括：

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。

3.根据权利要求2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表示房间的高度，dis表示所述目标标签到达一组天线两端的距离差。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标标签与UWB基站阵列天线中每组天线中两个天线的距离差包括：

获取所述UWB基站阵列天线中每组天线中两个天线的电磁波；

确定两个电磁波的相位差；

根据所述相位差，计算得到所述目标标签到达所述两个天线的距离差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述相位差，计算得到所述目标标签到达所述两个天线的距离差包括：

按照以下公式计算所述目标标签到达所述两个天线的距离差diff：

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。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维空间位置模型及所述距离差，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息包括：

根据所述距离差的正负值，确定目标标签相对于所述天线阵列的相对位置；

根据所述距离差的数值和所述相对位置，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

判断所述目标标签的实际位置是否在设定的空间范围内；

如果不是，则将距离所述实际位置最近的空间边界作为所述目标标签的实际位置。

8.一种基于一体式UWB基站的轻量级二维高精度定位装置，其特征在于，所述装置包括：

模型建立模块，用于预先建立目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

距离差获取模块，用于获取目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差；

相对位置确定模块，用于根据所述三维空间位置模型及所述距离差，确定所述目标标签对应各组天线的相对坐标信息；

实际位置确定模块，用于对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签的实际位置。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述模型建立模块包括：

位置模型建立单元，用于建立所述天线阵列中每组天线的位置模型；

距离模型建立单元，用于根据所述天线阵列中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。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

判断模块，用于判断所述目标标签的实际位置是否在设定的空间范围内；

修正模块，用于在所述目标标签的实际位置不在设定的空间范围内的情况下，将距离所述实际位置最近的空间边界作为所述目标标签的实际位置。

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