CN115278517A - 一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法与定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法与定位系统，包括：基站根据合成波束宽度对覆盖范围分区，确定每个分区的离开角度对应的每个天线阵元对应的移相值，基站按规则循环选择分区配置好该分区各个天线的移相值并进行测向数据包广播，在基站分区范围内的终端接收识别译码测向数据包信号校验通过后获得基站MAC地址与所处基站分区的离开角信息，终端结合接收到的多个基站不同分区离开角信息、基站位置信息进行实时融合定位。本发明具有波束指向与协作通信广播离开角信息的技术特点，有利于构建离开角实时定位系统。

Description

一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法与定位系统

技术领域

本发明涉及协作通信定位技术领域，特别涉及一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法与定位系统。

背景技术

万物互联时代，不仅需要目标的时间、状态等信息，更需要目标的位置信息。本发明深入研究无线电协作通信定位技术，提出了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法，通过移相器控制基站阵列天线的波束方向，只有波束方向覆盖范围内的终端才能准确解调解码测向通讯协议获得阵列天线合成波束离开角与基站MAC地址。终端结合观测的多个基站波束离开角、空间位置等信息实现自身位置实时定位。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法与定位系统，具有波束指向与协作通信广播离开角信息的技术特点，有利于构建离开角实时定位系统。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明公开了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法，其特征在于，包括上以下步骤：

步骤S1：基站根据合成波束宽度对覆盖范围分区，确定每个分区的离开角度，同时结合天线阵列流形、载波波长确定每个分区对应的导向矢量，即：确定每个天线阵元对应的移相值；

步骤S2：基站按规则循环选择分区进行广播通信，先配置好该分区对应的各个天线的移相值，再将含有含基站MAC地址、测向数据包标识、该分区离开角以及校验标识的测向数据包信息经天线阵列广播出去；

步骤S3：在基站分区范围内的终端接收识别测向数据包信号，译码校验通过后获得基站MAC地址与所处基站分区的离开角信息；

步骤S4：终端结合接收到的多个基站不同分区离开角信息、基站位置信息以及合成波束宽度进行实时融合定位。

进一步的，所述步骤S1中包括以下步骤：

步骤S11：基站包含一个阵列天线，由N个天线阵元组成平面阵，依次编号1,2,...,N，各个阵元坐标表示为(x_i,y_i)，λ为载波波长；

俯仰角θ为信号入射方向与天线阵面的夹角；

方位角

为信号入射方向在天线阵面的投影与X轴的夹角；

步骤S12：根据合成波束宽度对基站覆盖范围分区，确定每个分区的离开角度；

步骤S13：获得分区的天线阵元移相值，俯仰角θ与方位角

对应的导向矢量

为：

其中，

则每个天线阵元对应的移相值为：

进一步的，所述步骤S2中包括以下步骤：

步骤S21：基站按选通规则循环选择分区进行广播；

步骤S22：某一分区被基站选中时，基站获得该分区离开角对应的移相值并对各个天线阵元进行配置；

步骤S23：基站按测向数据包通信协议，生成无线电信号由各个阵元同时广播。

进一步的，所述步骤S23中，基站与终端之间具有测向数据包通信协议，所述测向数据包通信协议中应至少包含如下信息：

用于终端识别基站的MAC地址；

用于终端识别测向数据包通信协议的标识码；

基站波束离开角信息；

用于终端校验通信是否出错的校验码。

进一步的，所述步骤S3中包括以下步骤：

步骤S31：终端接收基站各个天线广播的无线电信号，同一个基站的各天线信号同时到达终端；

步骤S32：终端实时译码接收信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包；

步骤S33：终端利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址。

进一步的，所述步骤S4中包括以下步骤：

步骤S41：终端接收到的多个基站不同分区离开角信息、基站MAC地址；

步骤S42：基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域；

步骤S43：将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

本发明还公开了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统，利用上述基于波束指向与协作通信的离开角定位方法进行定位，包括若干个基站和至少一个终端，其中：

每个所述基站由主控器、射频信号发生器、移相器以及天线阵列组成，其中：

所述主控器用于：

设置分区选取顺序，确定各个分区对应的各个天线阵元移相值；

控制所述射频信号发生器按测向数据包通信协议生成无线电射频信号；

控制所述移相器配置各个天线阵元移相值；

通过所述天线阵列的各阵元向空间辐射无线电信号；

所述终端由译码检测器、数据融合定位器以及接收天线组成，其中：

所述译码检测器用于通过所述接收天线接收译码基站辐射的测向数据包通信协议信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包，利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址；

所述数据融合定位器用于基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域，将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

本发明还公开了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统，利用上述基于波束指向与协作通信的离开角定位方法进行定位，包括若干个基站和至少一个终端，其中：

每个所述基站由主控器、射频信号发生器、移相值库、移相器以及天线阵列组成，其中：

所述移相值库用于存储各个分区对应的阵元移相值，便于主控器通过查表方式快速获取移相值；

所述主控器用于：

设置分区选取顺序，从所述移相值库中选择各个分区对应的阵元移相值；

控制所述射频信号发生器按测向数据包通信协议生成无线电射频信号；

控制所述移相器配置各个天线阵元移相值；

通过所述天线阵列的各阵元向空间辐射无线电信号；

所述终端由译码检测器、数据融合定位器以及接收天线组成，其中：

所述译码检测器用于通过所述接收天线接收译码基站辐射的测向数据包通信协议信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包，利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址；

所述数据融合定位器用于基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域，将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

本发明还公开了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统，利用上述基于波束指向与协作通信的离开角定位方法进行定位，包括若干个基站和至少一个终端，其中：

每个所述基站由主控器、射频信号发生器、移相器、射频开关以及天线阵列组成，其中：

所述主控器用于：

设置分区选取顺序，确定各个分区对应的各个天线阵元移相值；

控制所述射频信号发生器按测向数据包通信协议生成无线电射频信号；

控制所述射频开关选通天线阵元；

控制所述移相器配置各个天线阵元移相值；

通过所述天线阵列的各阵元向空间辐射无线电信号；

所述终端由译码检测器、数据融合定位器以及接收天线组成，其中：

所述译码检测器用于通过所述接收天线接收译码基站辐射的测向数据包通信协议信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包，利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址；

所述数据融合定位器用于基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域，将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有具有波束指向与协作通信广播离开角信息的技术特点，有利于构建离开角实时定位系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为本发明一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中举例的平面阵阵列天线俯视图；

图3为本发明一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统的第一模块示意图；

图4为本发明一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统的第二模块示意图；

图5为本发明一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统的第三模块示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明公开了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法，包括上以下步骤：

步骤S1：基站根据合成波束宽度对覆盖范围分区，确定每个分区的离开角度(俯仰角与方位角)，同时结合天线阵列流形、载波波长确定每个分区对应的导向矢量，即：确定每个天线阵元对应的移相值；

步骤S2：基站按规则循环选择分区进行广播通信，先配置好该分区对应的各个天线的移相值，再将含有含基站MAC地址、测向数据包标识、该分区离开角以及校验标识的测向数据包信息经天线阵列广播出去；

步骤S3：在基站分区范围内的终端接收识别测向数据包信号，译码校验通过后获得基站MAC地址与所处基站分区的离开角信息；

步骤S4：终端结合接收到的多个基站不同分区离开角信息、基站位置信息以及合成波束宽度进行实时融合定位。

进一步的，所述步骤S1中包括以下步骤：

步骤S11：基站包含一个阵列天线，如图2所示，由5个天线阵元组成平面阵，依次编号1,2,...,5，各个阵元坐标表示为(x_i,y_i)，λ为载波波长；

俯仰角θ为信号入射方向与天线阵面的夹角；

方位角

为信号入射方向在天线阵面的投影与X轴的夹角；

步骤S12：根据合成波束宽度对基站覆盖范围分区，确定每个分区的离开角度(俯仰角与方位角)；

步骤S13：获得分区的天线阵元移相值，俯仰角θ与方位角

对应的导向矢量

为：

其中，

则每个天线阵元对应的移相值为：

可选实施例中，提前建立离开角移相值库，通过查表方式获取移相值，从而减少运算复杂度。

进一步的，所述步骤S2中包括以下步骤：

步骤S21：基站按选通规则循环选择分区进行广播；

步骤S22：某一分区被基站选中时，基站获得该分区离开角对应的移相值并对各个天线阵元进行配置；

步骤S23：基站按测向数据包通信协议，生成无线电信号由各个阵元同时广播。

进一步的，所述步骤S23中，基站与终端之间具有测向数据包通信协议，所述测向数据包通信协议中应至少包含如下信息：

用于终端识别基站的MAC地址；

用于终端识别测向数据包通信协议的标识码；

基站波束离开角信息；

用于终端校验通信是否出错的校验码。

进一步的，所述步骤S3中包括以下步骤：

步骤S31：终端接收基站各个天线广播的无线电信号，同一个基站的各天线信号同时到达终端；

步骤S32：终端实时译码接收信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包；

步骤S33：终端利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址。

进一步的，所述步骤S4中包括以下步骤：

步骤S41：终端接收到的多个基站不同分区离开角信息、基站MAC地址；

步骤S42：基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域；

步骤S43：将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

实施例二

如图3所示，本发明还公开了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统，利用上述离开角定位方法进行定位，包括若干个基站和至少一个终端，其中：

每个所述基站由主控器、射频信号发生器、移相器以及天线阵列组成，其中：

所述主控器用于：

设置分区选取顺序，确定各个分区对应的各个天线阵元移相值；

控制所述射频信号发生器按测向数据包通信协议生成无线电射频信号；

控制所述移相器配置各个天线阵元移相值；

通过所述天线阵列的各阵元向空间辐射无线电信号；

所述终端由译码检测器、数据融合定位器以及接收天线组成，其中：

所述译码检测器用于通过所述接收天线接收译码基站辐射的测向数据包通信协议信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包，利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址；

所述数据融合定位器用于基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域，将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

实施例三

如图4所示，本发明还公开了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统，利用上述离开角定位方法进行定位，包括若干个基站和至少一个终端，其中：

每个所述基站由主控器、射频信号发生器、移相值库、移相器以及天线阵列组成，其中：

所述移相值库用于存储各个分区对应的阵元移相值，便于主控器通过查表方式快速获取移相值；

所述主控器用于：

设置分区选取顺序，从所述移相值库中选择各个分区对应的阵元移相值；

控制所述射频信号发生器按测向数据包通信协议生成无线电射频信号；

控制所述移相器配置各个天线阵元移相值；

通过所述天线阵列的各阵元向空间辐射无线电信号；

所述终端由译码检测器、数据融合定位器以及接收天线组成，其中：

所述译码检测器用于通过所述接收天线接收译码基站辐射的测向数据包通信协议信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包，利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址；

所述数据融合定位器用于基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域，将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

实施例四

如图5所示，本发明还公开了一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统，利用上述离开角定位方法进行定位，包括若干个基站和至少一个终端，其中：

每个所述基站由主控器、射频信号发生器、移相器、射频开关以及天线阵列组成，其中：

所述主控器用于：

设置分区选取顺序，确定各个分区对应的各个天线阵元移相值；

控制所述射频信号发生器按测向数据包通信协议生成无线电射频信号；

控制所述射频开关选通天线阵元；

控制所述移相器配置各个天线阵元移相值；

通过所述天线阵列的各阵元向空间辐射无线电信号；

所述终端由译码检测器、数据融合定位器以及接收天线组成，其中：

所述译码检测器用于通过所述接收天线接收译码基站辐射的测向数据包通信协议信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包，利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址；

所述数据融合定位器用于基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域，将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法，其特征在于，包括上以下步骤：

步骤S1：基站根据合成波束宽度对覆盖范围分区，确定每个分区的离开角度，同时结合天线阵列流形、载波波长确定每个分区对应的导向矢量，即：确定每个天线阵元对应的移相值；

步骤S2：基站按规则循环选择分区进行广播通信，先配置好该分区对应的各个天线的移相值，再将含有含基站MAC地址、测向数据包标识、该分区离开角以及校验标识的测向数据包信息经天线阵列广播出去；

步骤S3：在基站分区范围内的终端接收识别测向数据包信号，译码校验通过后获得基站MAC地址与所处基站分区的离开角信息；

步骤S4：终端结合接收到的多个基站不同分区离开角信息、基站位置信息以及合成波束宽度进行实时融合定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法，其特征在于，所述步骤S1中包括以下步骤：

步骤S11：基站包含一个阵列天线，由N个天线阵元组成平面阵，依次编号1,2,...,N，各个阵元坐标表示为(x_i,y_i)，λ为载波波长；

俯仰角θ为信号入射方向与天线阵面的夹角；

方位角

为信号入射方向在天线阵面的投影与X轴的夹角；

步骤S12：根据合成波束宽度对基站覆盖范围分区，确定每个分区的离开角度；

步骤S13：获得分区的天线阵元移相值，俯仰角θ与方位角

对应的导向矢量

为：

其中，

则每个天线阵元对应的移相值为：

3.根据权利要求1所述的一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法，其特征在于，所述步骤S2中包括以下步骤：

步骤S21：基站按选通规则循环选择分区进行广播；

步骤S22：某一分区被基站选中时，基站获得该分区离开角对应的移相值并对各个天线阵元进行配置；

步骤S23：基站按测向数据包通信协议，生成无线电信号由各个阵元同时广播。

4.根据权利要求3所述的一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法，其特征在于，所述步骤S23中，基站与终端之间具有测向数据包通信协议，所述测向数据包通信协议中应至少包含如下信息：

用于终端识别基站的MAC地址；

用于终端识别测向数据包通信协议的标识码；

基站波束离开角信息；

用于终端校验通信是否出错的校验码。

5.根据权利要求1所述的一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法，其特征在于，所述步骤S3中包括以下步骤：

步骤S31：终端接收基站各个天线广播的无线电信号，同一个基站的各天线信号同时到达终端；

步骤S32：终端实时译码接收信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包；

步骤S33：终端利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址。

6.根据权利要求1所述的一种基于波束指向与协作通信的离开角定位方法，其特征在于，所述步骤S4中包括以下步骤：

步骤S41：终端接收到的多个基站不同分区离开角信息、基站MAC地址；

步骤S42：基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域；

步骤S43：将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

7.一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统，其特征在于，利用上述权利要求1-6中基于波束指向与协作通信的离开角定位方法进行定位，包括若干个基站和至少一个终端，其中：

每个所述基站由主控器、射频信号发生器、移相器以及天线阵列组成，其中：

所述主控器用于：

设置分区选取顺序，确定各个分区对应的各个天线阵元移相值；

控制所述射频信号发生器按测向数据包通信协议生成无线电射频信号；

控制所述移相器配置各个天线阵元移相值；

通过所述天线阵列的各阵元向空间辐射无线电信号；

所述终端由译码检测器、数据融合定位器以及接收天线组成，其中：

所述译码检测器用于通过所述接收天线接收译码基站辐射的测向数据包通信协议信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包，利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址；

所述数据融合定位器用于基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域，将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

8.一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统，其特征在于，利用上述权利要求1-6中基于波束指向与协作通信的离开角定位方法进行定位，包括若干个基站和至少一个终端，其中：

每个所述基站由主控器、射频信号发生器、移相值库、移相器以及天线阵列组成，其中：

所述移相值库用于存储各个分区对应的阵元移相值，便于主控器通过查表方式快速获取移相值；

所述主控器用于：

设置分区选取顺序，从所述移相值库中选择各个分区对应的阵元移相值；

控制所述射频信号发生器按测向数据包通信协议生成无线电射频信号；

控制所述移相器配置各个天线阵元移相值；

通过所述天线阵列的各阵元向空间辐射无线电信号；

所述终端由译码检测器、数据融合定位器以及接收天线组成，其中：

所述译码检测器用于通过所述接收天线接收译码基站辐射的测向数据包通信协议信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包，利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址；

所述数据融合定位器用于基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域，将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

9.一种基于波束指向与协作通信的离开角定位系统，其特征在于，利用上述权利要求1-6中基于波束指向与协作通信的离开角定位方法进行定位，包括若干个基站和至少一个终端，其中：

每个所述基站由主控器、射频信号发生器、移相器、射频开关以及天线阵列组成，其中：

所述主控器用于：

设置分区选取顺序，确定各个分区对应的各个天线阵元移相值；

控制所述射频信号发生器按测向数据包通信协议生成无线电射频信号；

控制所述射频开关选通天线阵元；

控制所述移相器配置各个天线阵元移相值；

通过所述天线阵列的各阵元向空间辐射无线电信号；

所述终端由译码检测器、数据融合定位器以及接收天线组成，其中：

所述译码检测器用于通过所述接收天线接收译码基站辐射的测向数据包通信协议信号，根据是否检测到测向数据包标识码判定接收信号是否是测向数据包，利用校验码对译码信息进行校验比对，从校验通过的译码信息中提取基站分区离开角信息与基站MAC地址；

所述数据融合定位器用于基于观测的单个基站波束离开角度信息、基站位置信息以及合成波束宽度初步确定终端在该基站覆盖范围下可能的区域，将各个基站初步确定的区域进行交叠，形成终端位置的实时融合定位估计。

Images