CN115066015B - 一种低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统，包括超宽带基站以及与超宽带基站通过超宽带连接的超宽带标签；超宽带基站包括由至少三个基站超宽带天线组成的天线阵列、射频开关以及基站微处理器，基站超宽带天线以及基站微处理器分别与射频开关连接；将任一基站超宽带天线设为主天线，主天线与除它之外的任一基站超宽带天线组成至少两个的天线组；超宽带基站分别使用不同的天线组来接收超宽带标签发出的至少两次的信息，从而在每一次信息接收的过程中利用ToF技术来计算相对距离，在至少两次的信息接收的过程中通过AoA技术来计算相对角度，从而通过相对距离以及相对角度来进行定位。

Description

一种低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统
技术领域
本发明涉及定位系统领域，特别涉及一种低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统。
背景技术
在室内定位的使用场景中，超宽带（Ultra Wideband，UWB）定位系统具有精度高，功耗低等优点，因此室内定位场景的使用中相较于其它定位系统具有更大的优势。
而传统的超宽带定位系统，大多采用ToF或TDoA的方式来计算位置，这就要求在需要定位的区域内，至少部署4台基站。而基站在工作时，还需要将数据回传，这就需要每一台基站都能连接WiFi网络或有线网络。并且基站在部署完成后，还需要对每一台基站的位置坐标进行标定。这些前置条件和步骤，使得部署一套超宽带室内定位系统的难度大大增加。从而给一些家庭或个人用户带来了不便，从而对超宽带室内定位系统的大规模应用产生了一定的阻碍。
但如果采用ToF+AoA技术，则可以大大降低基站的数量。在需要定位的区域，例如一个房间，只需要在该房间房顶的中心位置，部署一台ToF+AoA基站即可。这样能够大大减少供电、联网以及标定的工作量。从而能够更加方便客户的使用。
ToF+AoA基站内部，为了能够在测量距离的同时一并测量角度，往往由多个超宽带天线组成阵列。市面上现有的ToF+AoA基站的设计，每个超宽带天线上都会有一个独立的射频接收通道，这样可以在接收超宽带信号时，同时采集每个天线上的相位，从而计算出AoA角度。但是这样的设计会使得ToF+AoA基站的成本较高。从而失去了ToF+AoA基站相对纯ToF或TDoA基站的优势。使得客户不得不在使用方便以及低成本中二选一。因此需要一种成本相比以往设计要更低且使用与以往一样方便的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种成本相比以往设计要更低且使用与以往一样方便的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统。
本发明提出一种低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统，
包括超宽带基站以及与所述超宽带基站通过超宽带连接的超宽带标签；
所述超宽带基站包括由至少三个基站超宽带天线组成的天线阵列、射频开关以及基站微处理器，所述基站超宽带天线以及所述基站微处理器分别与所述射频开关连接；
将任一所述基站超宽带天线设为主天线，所述主天线与除它之外的任一所述基站超宽带天线组成至少两个的天线组；
所述超宽带基站分别使用不同的所述天线组来接收所述超宽带标签发出的至少两次的信息，从而在每一次接收信息的过程中利用ToF技术来计算相对距离，在至少两次的通信中通过AoA技术来计算相对角度，从而通过所述相对距离以及所述相对角度来进行定位。
优选地，所述基站超宽带天线共有三个，且三个所述基站超宽带天线在所述超宽带基站上呈正三角形排布。
优选地，所述基站超宽带天线包括第一基站超宽带天线、第二基站超宽带天线以及第三基站超宽带天线，所述第一基站超宽带天线为主天线，所述射频开关包括第一射频开关以及第二射频开关，所述第二基站超宽带天线和所述第三基站超宽带天线与所述第二射频开关连接，所述第二射频开关分别与所述基站微处理器以及所述第一射频开关连接，所述第一基站超宽带天线与所述第一射频开关连接，所述第一射频开关与所述基站微处理器连接。
优选地，所述超宽带标签发送给所述超宽带基站的信号帧内包括扰频时间戳序列字段且所述扰频时间戳序列处在所述信号帧的中段，所述超宽带基站通过所述天线组中的任一基站超宽带天线接收所述信号帧的过程中接收到所述扰频时间戳序列后记录此时得到的相位φa，然后通过所述射频开关切换所述天线组内的另一所述基站超宽带天线来接收剩余的信号帧并得到此时的相位φb，将相位φb根据射频开关切换的时间dt，转换到与相位φa同一时刻，从而计算出两个基站超宽带天线的相位差φab。
优选地，将连续的至少两次的接收信息后计算出的不同天线组的相位差φab通过AoA技术来计算相对角度。
优选地，所述超宽带基站还包括基站数字收发机，所述基站微处理器通过所述基站数字收发机与所述射频开关连接后与所述基站超宽带天线连接。
优选地，所述超宽带标签包括标签超宽带天线、标签数字收发机以及标签微处理器，所述标签超宽带天线通过所述标签数字收发机与所述标签微处理器连接。
本发明的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统的有益效果为：
1、通过将ToF与AoA技术配合使用，从而使得能够使用单一数字收发机的超宽带基站对超宽带标签进行定位，从而能够实现成本相比以往设计要更低且使用与以往一样方便的设计目的。
2、通过设置三个基站超宽带天线，且三个基站超宽带天线在超宽带基站上呈正三角形排布，从而能够实现以最少的基站超宽带天线来实现设计目的。
附图说明
图1为本发明的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统的流程图。
图2为本发明的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统的基站超宽带天线的在超宽带基站上的分布图。
图3为本发明的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统的超宽带基站的结构示意图。
图4为本发明的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统的超宽带标签的结构示意图。
图中标号：1、第一基站超宽带天线，2、第二基站超宽带天线，3、第三基站超宽带天线，4、第一射频开关，5、第二射频开关，6、基站数字收发机，7、基站微处理器，8、标签超宽带天线，9、标签数字收发机，10、标签微处理器。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1至图4，提出本发明的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统的一实施例：
一种低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统，包括超宽带基站以及与超宽带基站通过超宽带连接的超宽带标签。
超宽带基站包括由三个基站超宽带天线组成的天线阵列、射频开关、基站数字收发机6以及基站微处理器7，基站超宽带天线包括第一基站超宽带天线1、第二基站超宽带天线2以及第三基站超宽带天线3，三个基站超宽带天线在超宽带基站上呈正三角形排布。第一基站超宽带天线1为主天线，射频开关包括第一射频开关4以及第二射频开关5，第二基站超宽带天线2和第三基站超宽带天线3与第二射频开关5连接，第二射频开关5分别与基站微处理器6以及第一射频开关4连接，第一基站超宽带天线1与第一射频开关4连接，第一射频开关4与基站微处理器7直接连接以及通过基站数字收发机6与基站微处理器7连接。第一基站超宽带天线1与第二基站超宽带天线2组成第一天线组，第一基站超宽带天线1与第三基站超宽带天线3组成第二天线组。
超宽带标签包括标签超宽带天线8、标签数字收发机9以及标签微处理器10，标签超宽带天线8通过标签数字收发机9与标签微处理器10连接。
定位的流程如下：
1）超宽带基站初始化，第一射频开关4打开与第一基站超宽带天线1连接的通道并关闭与第二射频开关5连接的通道，第二射频开关5打开与第二基站超宽带天线2连接的通道并关闭与第三超宽带天线3连接的通道，基站数字收发机6转换成接收的状态，此时启动了超宽带基站的第一天线组。
2）超宽带标签初始化，标签数字收发机9转换成发射的状态，并发射定位申请Poll帧，该帧采用IEEE802.15.4z标准，含有扰频时间戳序列（scrambled timestamp sequence）字段，在下文中将用缩写STS来进行代替。超宽带标签本地记录下Poll帧的发射时刻txpoll，在发射完成后，将标签数字收发机9转换成接收状态。
3）超宽带基站在第一基站超宽带天线11上接收到Poll帧，并且解析到扰频时间戳序列（STS），并且得到此时第一基站超宽带天线1上接收Poll帧的相位φ1，并立即切换第一射频开关4，关闭与第一基站超宽带天线1连接的通道，打开与第二射频开关5连接的通道，从而与第二基站超宽带天线2连接。并记录这个切换时间dt，切换完后，继续从扰频时间戳序列（STS）部分接收Poll帧的后半段信号。可以得到此时第二基站超宽带天线2上接收Poll帧扰频时间戳序列（STS）的相位φ2。然后将两个相位都转换到同一时刻，再计算出第一基站超宽带天线1和第二基站超宽带天线2的相位差φ12。
φ12=（φ2 – 2π * dt * c / λ）- φ1；
其中c是光速，λ是超宽带信号的波长。
4）超宽带基站完成接收Poll帧后，记录本地接收时刻rxpoll，在此时间基础上延迟一段时间，第一射频开关4打开与第一基站超宽带天线1连接的通道，关闭与第二射频开关5连接的通道，将基站数字收发机6转换成发射状态，准备在txresp时间利用第一基站超宽带天线1回复超宽带标签Resp帧，并把rxpoll和txresp两个时刻写入Resp帧协议中。超宽带基站完成发射Resp帧后，第二射频开关5关闭与第二基站超宽带天线2的通道，打开与第三基站超宽带天线3的通道。此时启动了超宽带基站的第二天线组。
5）超宽带标签接收到Resp帧后，解析协议中的rxpoll和txresp，并记录本地接收时刻rxresp，和超宽带基站的频偏R。根据SS-TWR计算超宽带标签所在处与超宽带基站之间的距离。
d = (rxresp - txpoll - (txresp - rxpoll) * (1 - R)) * c / 2；
其中 c为光速。
超宽带标签将计算出来的与超宽带基站之间的距离d写入Final协议，将标签数字收发机9转换为发送状态，并向超宽带基站发射含有时间戳序列的Final帧。
6）超宽带基站在第一基站超宽带天线1上接收到Final帧，并且解析到扰频时间戳序列（STS），并且得到此时第一超宽带天线1上接收Final帧扰频时间戳序列（STS）的相位φ1，立即切换第一射频开关4，关闭第一射频开关4第一基站超宽带天线1的通道，打开与第二射频开关5连接的通道，从而与第三基站超宽带天线3连接。并记录这个切换时间dt，切换完后，继续从扰频时间戳序列（STS）部分接收Final帧的后半段信号。可以得到此时第三基站超宽带天线3上接收Final帧扰频时间戳序列（STS）的相位φ3。这里需要将两个相位都转换到同一时刻，再计算出第一基站超宽带天线1和第三基站超宽带天线3的相位差φ13。
φ13=（φ3 – 2π * dt * c / λ）- φ1；
其中c是光速，λ是超宽带信号的波长。
7）超宽带基站解析Final协议，得到和超宽带标签之间的距离d，由于超宽带标签从发射Poll帧到发射Final帧之间的时间非常短，可以近似认为超宽低标签没有移动，由此通过公式计算出AoA的角度。
θ = arctan2（√3 * φ12, 2 * φ13 - φ12）；
设超宽带基站的坐标为（Xanchor， Yanchor），
进一步，通过公式：
Xtag = Xanchor* cosθ；
Ytag = Yanchor* sinθ；
计算得到标签的坐标（Xtag，Ytag）。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统，其特征在于，
包括超宽带基站以及与所述超宽带基站通过超宽带连接的超宽带标签；
所述超宽带基站包括由至少三个基站超宽带天线组成的天线阵列、射频开关以及基站微处理器，所述基站超宽带天线以及所述基站微处理器分别与所述射频开关连接；
将任一所述基站超宽带天线设为主天线，所述主天线与除它之外的任一所述基站超宽带天线组成至少两个的天线组；
所述超宽带基站分别使用不同的所述天线组来接收所述超宽带标签发出的至少两次的信息，从而在每一次接收信息的过程中利用ToF技术来计算相对距离，在至少两次的通信中通过AoA技术来计算相对角度，从而通过所述相对距离以及所述相对角度来进行定位；
所述基站超宽带天线共有三个，且三个所述基站超宽带天线在所述超宽带基站上呈正三角形排布；
所述基站超宽带天线包括第一基站超宽带天线、第二基站超宽带天线以及第三基站超宽带天线，所述第一基站超宽带天线为主天线，所述射频开关包括第一射频开关以及第二射频开关，所述第二基站超宽带天线和所述第三基站超宽带天线与所述第二射频开关连接，所述第二射频开关分别与所述基站微处理器以及所述第一射频开关连接，所述第一基站超宽带天线与所述第一射频开关连接，所述第一射频开关与所述基站微处理器连接；
所述超宽带标签发送给所述超宽带基站的信号帧内包括扰频时间戳序列(STS)字段且所述扰频时间戳序列(STS)处在所述信号帧的中段，所述超宽带基站通过所述天线组中的任一基站超宽带天线接收所述信号帧的过程中接收到所述扰频时间戳序列(STS)后记录此时得到的相位
Figure FDA0003900755760000011
然后通过所述射频开关切换所述天线组内的另一所述基站超宽带天线来接收剩余的信号帧并得到此时的相位
Figure FDA0003900755760000012
将相位
Figure FDA0003900755760000013
根据射频开关切换的时间dt，转换到与相位
Figure FDA0003900755760000014
同一时刻，从而计算出两个基站超宽带天线的相位差
Figure FDA0003900755760000015
2.根据权利要求1所述的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统，其特征在于，将连续的至少两次的接收信息后计算出的不同天线组的相位差
Figure FDA0003900755760000021
通过AoA技术来计算相对角度。
3.根据权利要求1所述的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统，其特征在于，所述超宽带基站还包括基站数字收发机，所述基站微处理器通过所述基站数字收发机与所述射频开关连接后与所述基站超宽带天线连接。
4.根据权利要求1所述的低成本超宽带ToF与AoA组合定位系统，其特征在于，所述超宽带标签包括标签超宽带天线、标签数字收发机以及标签微处理器，所述标签超宽带天线通过所述标签数字收发机与所述标签微处理器连接。
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