CN116962963A - 基于一体式uwb基站的三维轻量化定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一体式UWB基站的三维轻量化定位方法，所述方法包括：对空间高度进行量化处理，得到多个不同空间高度；建立对应一定空间高度的目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；根据所述三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标；根据所述目标标签在每个空间高度上的位置确定所述目标标签的第一位置。利用本发明方案，可以对目标标签实现高精度定位。

Description

基于一体式UWB基站的三维轻量化定位方法

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基站的三维轻量化定位方法及装置。

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基站的三维轻量化定位方法及装置，以实现高精度定位。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种基于一体式UWB基站的三维轻量化定位方法，所述方法包括：

对空间高度进行量化处理，得到多个不同空间高度；

建立对应一定空间高度的目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

根据所述三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标；

根据所述目标标签在每个空间高度上的位置确定所述目标标签的位置。

可选地，所述建立对应一定空间高度的目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型包括：

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；

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，所述根据所述三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标包括：

获取所述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；

对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签在对应的空间高度上的位置坐标。

可选地，所述根据所述目标标签在每个空间高度上的位置确定所述目标标签的位置包括：

根据所述目标标签在每个空间高度上的位置，反向计算所述目标标签与天线阵列中任意一组天线中两个天线的距离差，并根据所述距离差确定所述两个天线的电磁波的相位差；

根据反向计算得到的对应每个空间高度的相位差与测量得到的所述两个天线的电磁波的相位差，确定所述目标标签的位置。

一种基于一体式UWB基站的三维轻量化定位装置，所述装置包括：

空间划分模块，用于对空间高度进行量化处理，得到多个不同空间高度；

模型建立模块，用于建立对应一定空间高度的目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

定位模块，用于根据所述三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标；

位置确定模块，用于根据所述目标标签在每个空间高度上的位置确定所述目标标签的位置。

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；

距离模型建立单元，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，所述定位模块包括：

距离差获取单元，用于获取所述目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差；

相对位置确定单元，用于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；

相对坐标确定单元，用于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；

坐标变换单元，用于对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签在对应的空间高度上的位置坐标。

可选地，所述位置确定模块包括：

相位差计算单元，用于根据所述目标标签在每个空间高度上的位置，反向计算所述目标标签与天线阵列中任意一组天线中两个天线的距离差，并根据所述距离差确定所述两个天线的电磁波的相位差；

位置信息确定单元，用于根据反向计算得到的对应每个空间高度的相位差与测量得到的所述两个天线的电磁波的相位差，确定所述目标标签的位置。

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，将三维空间按照不同的水平高度进行分割，通过天线阵列获取基于不同高度的天线模组中两天线信号的相位差值，结合天线阵列中两两天线对的相位差值相对关系进行相应计算，实现基于一体式UWB基站的三维高精度定位，定位精度在有效定位范围内无论在水平和高度维度，均可达到厘米级。

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基站的三维轻量化定位方法的流程图；

图3是本发明方法中根据三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标的流程图；

图4是本发明基于一体式UWB基站的三维轻量化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基于一体式UWB基站的三维定位方法及装置，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置，将三维空间按照不同的水平高度进行分割，然后在不同的高度尺度上去寻找最符合要求的位置点的集合。通过一层层不同高度的分割，可以获得多个在不同高度上的最优位置点的集合。而后，依据计算出来的位置结果，可以根据任意一组天线的采样值，逆向转换重新去计算在与该位置点上的理论值差值。然后，将该理论值与实际的UWB接收器获取的实验结果进行排序，进而得到最终的位置坐标。

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基站的三维轻量化定位方法及装置，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。

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基站的三维轻量化定位方法的流程图，包括以下步骤：

在步骤201，对空间高度进行量化处理，得到多个不同空间高度。

在具体应用中，可以根据定位的精度要求来设置量化的粒度，对此本发明实施例不做限定。

在步骤202，建立对应一定空间高度的目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型。

具体地，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，依据天线阵列中不同天线之间的位置关系，建立目标标签与各组天线的距离模型。

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。

在步骤203，根据所述三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标。

具体过程如图3所示，包括以下步骤：

步骤301，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。

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。

相应地，在步骤302，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。

步骤303，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。

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。

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，得到所述目标标签在对应的空间高度上的位置坐标。

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在所述空间高度上的实际位置。

继续参照图2，在步骤204，根据所述目标标签在每个空间高度上的位置确定所述目标标签的位置。

具体地，可以根据所述目标标签在每个空间高度上的位置，反向计算所述目标标签与天线阵列中任意一组天线中两个天线的距离差，并根据所述距离差确定所述两个天线的电磁波的相位差；根据反向计算得到的对应每个空间高度的相位差与测量得到的所述两个天线的电磁波的相位差，确定所述目标标签的位置。比如，对于每个空间高度计算得到的相位差，计算差相位差与测量得到的相位差两者的差值，选取其中差值最小的计算结果对应的目标标签的位置(即该目标标签的三维定位坐标)作为该目标标签的位置，即目标标签的定位结果。

本发明实施例提供的基于一体式UWB基站的三维定位方法，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置，将三维空间按照不同的水平高度进行分割，通过天线阵列获取基于不同高度的天线模组中两天线信号的相位差值，结合天线阵列中两两天线对的相位差值相对关系进行相应计算，实现基于一体式UWB基站的三维高精度定位。

相应地，本发明实施例还提供一种基于一体式UWB基站的三维轻量化定位装置，如图4所示，是该装置的一种结构示意图。

在该实施例中，所述定位装置包括以下各模块：

空间划分模块401，用于对空间高度进行量化处理，得到多个不同空间高度；

模型建立模块402，用于建立对应一定空间高度的目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

定位模块403，用于根据所述三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标；

位置确定模块404，用于根据所述目标标签在每个空间高度上的位置确定所述目标标签的位置。

其中，上述模型建立模块402的一种具体实现结构可以包括以下各单元：

位置模型建立单元，用于在二维平面下，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；

距离模型建立单元，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。

上述位置模型和距离模型的具体表达式可以参见前面本发明方法实施例中的描述，在此不再赘述。

其中，上述定位模块403的一种非限制性实施例可以包括以下各单元：

距离差获取单元，用于获取所述目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差；

相对位置确定单元，用于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；

相对坐标确定单元，用于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；

坐标变换单元，用于对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签在对应的空间高度上的位置坐标。

其中，上述位置确定模块404的一种具体结构可以包括以下各单元：

相位差计算单元，用于根据所述目标标签在每个空间高度上的位置，反向计算所述目标标签与天线阵列中任意一组天线中两个天线的距离差，并根据所述距离差确定所述两个天线的电磁波的相位差；

位置信息确定单元，用于根据反向计算得到的对应每个空间高度的相位差与测量得到的所述两个天线的电磁波的相位差，确定所述目标标签的位置。

关于本发明基于一体式UWB基站的三维轻量化定位装置的工作原理、工作方式，可以参照前面本发明方法实施例中的相关描述，这里不再赘述。

本发明实施例提供的基于一体式UWB基站的三维轻量化定位装置，将一体式UWB基站作为信号接收的唯一装置，将三维空间按照不同的水平高度进行分割，通过天线阵列获取基于不同高度的天线模组中两天线信号的相位差值，结合天线阵列中两两天线对的相位差值相对关系进行相应计算，实现基于一体式UWB基站的三维高精度定位。

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基站的三维轻量化定位方法，其特征在于，所述方法包括：

对空间高度进行量化处理，得到多个不同空间高度；

建立对应一定空间高度的目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

根据所述三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标；

根据所述目标标签在每个空间高度上的位置确定所述目标标签的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立对应一定空间高度的目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型包括：

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；

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。

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。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标包括：

获取所述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；

对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签在对应的空间高度上的位置坐标。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标标签在每个空间高度上的位置确定所述目标标签的位置包括：

根据所述目标标签在每个空间高度上的位置，反向计算所述目标标签与天线阵列中任意一组天线中两个天线的距离差，并根据所述距离差确定所述两个天线的电磁波的相位差；

根据反向计算得到的对应每个空间高度的相位差与测量得到的所述两个天线的电磁波的相位差，确定所述目标标签的位置。

6.一种基于一体式UWB基站的三维轻量化定位装置，其特征在于，所述装置包括：

空间划分模块，用于对空间高度进行量化处理，得到多个不同空间高度；

模型建立模块，用于建立对应一定空间高度的目标标签与UWB基站天线阵列的三维空间位置模型；

定位模块，用于根据所述三维空间位置模型确定目标标签在每个空间高度上的位置坐标；

位置确定模块，用于根据所述目标标签在每个空间高度上的位置确定所述目标标签的位置。

7.根据权利要求6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；

距离模型建立单元，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。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述定位模块包括：

距离差获取单元，用于获取所述目标标签与天线阵列中每组天线中两个天线的距离差；

相对位置确定单元，用于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；

相对坐标确定单元，用于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；

坐标变换单元，用于对所述相对坐标信息进行空间坐标系变换，得到所述目标标签在对应的空间高度上的位置坐标。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述位置确定模块包括：

相位差计算单元，用于根据所述目标标签在每个空间高度上的位置，反向计算所述目标标签与天线阵列中任意一组天线中两个天线的距离差，并根据所述距离差确定所述两个天线的电磁波的相位差；

位置信息确定单元，用于根据反向计算得到的对应每个空间高度的相位差与测量得到的所述两个天线的电磁波的相位差，确定所述目标标签的位置。