CN117119372A - 基于aoa的低延时高精度的三维室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AOA的低延时高精度的三维室内定位方法，属于室内定位技术领域，设计了正三角形天线阵列，基于天线阵列的几何关系，提出了一种基于单基站的高效的目标坐标解算方法，使用单个基站即可实现对目标标签的定位，提高了天线利用率,加快了目标标签坐标的解算过程，有效降低了通信开销与硬件成本。在此基础上，充分考虑基站与目标标签的距离对定位精度的影响及不同基站定位结果的差异性，提出了双基站协同优化方法及多基站协同优化方法，采用上述两种优化方法结合多个单基站定位结果对目标标签的坐标进行解算，进一步提高了目标标签的定位精度。

Description

基于AOA的低延时高精度的三维室内定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于AOA的低延时高精度的三维室内定位方法，属于室内定位技术领域。

背景技术

室内定位技术可在复杂室内环境中对目标进行定位，在监狱、养老院及室内停车场等场景有实际的应用需求。高效且精准的室内定位方法可以实现更快速的定位功能，为用户提供更佳的服务。随着无线通信技术的发展，智能手环、手机及嵌入式设备得到广泛应用，利用上述设备搭载的无线通信模块，可实现对设备的定位。基于AOA的定位方法是一种典型的定位技术，该技术具有亚米级的定位精度，然而传统的AOA定位方法至少需要两个基站才能实现对目标标签的定位，通信开销大，硬件成本高，计算量大，此外该方法受多径效应以及建筑物遮挡等影响，定位结果存在一定误差。虽然可通过增加基站及天线的数量来提高定位精度，但会导致数据处理量大、天线利用率低、系统成本高、计算结果时效性差等问题。

发明内容

针对传统的AOA定位方法中存在的缺陷，本发明提供一种基于AOA的低延时高精度的三维室内定位方法。

本发明所述的一种基于AOA的低延时高精度的三维室内定位方法，所述的方法包括：

（1）为基站设计正三角形天线阵列，基于所述正三角形天线阵列特有的几何关系及天线复用机制，所述基站利用预设的到达角解算方法计算所述目标标签的三个到达角数据。

（2）设计了一种高效的单基站定位坐标解算方法；单个所述基站利用计算得到的所述目标标签的三个到达角数据及这三个到达角数据之间的关系，采用所述单基站定位坐标解算方法得到所述目标标签的单基站定位坐标。

（3）提出了一种双基站协同优化方法；所述网关计算单元对所述目标标签的所有单基站定位坐标两两组合，使用双基站协同优化方法计算得到所述目标标签的双基站定位坐标。

（4）提出了一种多基站协同优化方法；所述网关计算单元对所述目标标签的所有双基站定位坐标使用多基站协同优化方法计算得到所述目标标签的定位坐标。

进一步的，正三角形天线阵列包括：

每个所述基站的天线阵列由三个呈正三角形排布的天线构成；三个所述天线分别位于所述正三角形的三个顶点上；所述正三角形的边长为无线通信信号波长的一半；所述基站的坐标设定为所述正三角形质心的坐标。

进一步的，预设的到达角解算方法包括：

（1）在定位过程中，网关计算单元向所述目标标签及所有所述基站发送定位指令，所述目标标签收到网关计算单元发送的定位指令后广播无线信号，所述基站收到网关计算单元发送的定位指令后对该基站的三个天线进行信号采样，并根据相邻两组所述天线的采样结果计算该组天线的相位差，三个所述天线两两组合共计算得到三个相位差数据。

（2）所述基站根据得到的三个所述相位差数据，结合所述无线通信信号波长及所述正三角形边长，计算得到所述目标标签的三个到达角数据。

进一步的，单基站定位坐标解算方法包括：

（1）所述基站根据计算得到的三个所述到达角数据，利用预设的距离解算方法及距离约束条件解算所述正三角形每条边的中点到所述目标标签的距离。

（2）所述基站基于本基站的坐标及所述无线通信信号波长，利用预设的三边中点解算方法解算所述正三角形三边中点的坐标。

（3）所述基站基于所述正三角形每条边的中点分别到所述目标标签的距离和所述正三角形三边中点的坐标，利用预设的位置解算方法及坐标约束条件解算所述目标标签的单基站定位坐标，并将计算得到的单基站定位坐标及该基站坐标发送给网关计算单元。

进一步的，双基站协同优化方法包括：

（1）所述网关计算单元计算所述目标标签的所有单基站定位坐标的定位坐标与基站间距离；所述的定位坐标与基站间距离为所述目标标签的单基站定位坐标与相应定位基站坐标之间的距离。

（2）所述网关计算单元对所述目标标签的两个单基站定位坐标进行加权优化，得到所述目标标签的一个双基站定位坐标，加权优化的权重由相应两个单基站定位坐标的定位坐标与基站间距离确定；重复该步骤，计算所述目标标签的所有双基站定位坐标。

进一步的，多基站协同优化方法包括：

（1）所述网关计算单元计算所述目标标签的所有双基站定位坐标的离群距离；所述的离群距离为所述目标标签的某一双基站定位坐标与该目标标签的其他双基站定位坐标之间距离的平均。

（2）所述网关计算单元对所述目标标签的所有双基站定位坐标进行加权优化，得到所述目标标签的定位坐标，加权优化的权重由相应双基站定位坐标的离群距离确定。

一种基站，部署在定位场景中，利用内置的所述天线阵列采集所述目标标签的广播信号、执行所述到达角解算方法及单基站定位坐标解算方法，并将计算得到的所述目标标签的单基站定位坐标发送给网关计算单元。

一种网关计算单元，部署在定位场景中，用于向所述目标标签及所有所述基站发送开始定位指令、接收基站发送的所述目标标签的单基站定位坐标、执行所述双基站协同优化方法及多基站协同优化方法以解算所述目标标签的定位坐标。

本发明为定位基站设计了一种正三角形天线阵列，该天线阵列提高了天线利用率，有效降低了通信开销与硬件成本；结合天线复用机制，提出了一种基于单基站的高效的目标坐标解算方法，使用该方法单个基站即可完成对目标标签的定位，加快了目标标签的解算过程，降低了位置解算算法的复杂度；在此基础上，提出了双基站协同优化方法及多基站协同优化方法，上述两种优化方法充分考虑了基站与目标标签的距离对定位精度的影响及不同基站定位结果的差异性，使目标标签的定位结果精度更高，抗干扰能力更强。

说明书附图：

图1为本发明实施例的仿真场景示意图。

图2为本发明实施例的整体流程图。

图3为本发明实施例的天线阵列示意图。

图4为本发明实施例的到达角解算方法步骤图。

图5为本发明实施例的单基站定位坐标解算方法几何关系说明图。

图6为本发明实施例的单基站定位坐标解算方法步骤图。

图7为本发明实施例单基站定位坐标到相应定位基站之间的距离与定位误差之间关系的仿真结果。

图8为本发明实施例双基站定位坐标的离群距离与定位误差之间关系的仿真结果。

图9为本发明实施例的双基站协同优化方法步骤图。

图10为本发明实施例的多基站协同优化方法步骤图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

在本实施例中以频率为2.420GHZ的蓝牙信号为例描述本发明的方法，其波长，并且在大小为10×10×3m的仿真环境中模拟本发明定位方法的运行过程，仿真 场景如图1所示，在高3米的边缘位置布置10个定位基站（, ……,），坐标分别为、、、、、、、 、，在仿真场景中放置多个目标标签(, ,……, )，所有目标标签 的定位过程相同，在此以其中一个目标标签为例描述本发明的定位方法。

本发明提供的一种基于AOA的低延时高精度的三维室内定位方法的整体流程如图2所示，执行主体为基站和网关计算单元。图2所示的基于AOA的低延时高精度的三维室内定位方法包括：

S1：网关计算单元向所述目标标签及所有所述基站发送定位指令。

S2：所述目标标签收到网关计算单元发送的定位指令后广播无线信号。

目标标签为便携蓝牙标签，电池续航时间短，为降低目标标签的功耗，在不进 行定位时目标标签不发射广播信号，仅进行指令监听，以延长使用时间。当需要对目标标 签进行定位时，由网关计算单元向目标标签发送定位请求指令，目标标签进入信号广 播模式。

S3：所有所述基站收到网关计算单元发送的定位指令后进入监听状态，对该基站 的三个天线进行信号采样，所有采集到目标标签广播信号的基站利用采样结果计算目标标 签的三个到达角数据。

以基站为例对S3步骤进行详细描述。基站的天线阵列由三个呈正三角形排布 的天线I、J、K构成，如图3所示，I、J、K分别为正三角形的三个顶点，该正三角形的边长l为无 线通信信号波长λ的一半，Q、M、L分别为该正三角形三边的中点，O为正三角形质心，同时基 站的坐标设定为O点的坐标。

进一步地， S3可以包括 S31～S32，如图4所示，S31～S32具体如下：

S31：所述基站对该基站的三个天线I、J、K进行信号采样，并根据相邻两组所述 天线的采样结果计算该组天线的相位差，三个所述天线两两组合共计算得到三个相位差数 据。

S32：所述基站根据得到的三个所述相位差数据，结合所述无线通信信 号波长及所述正三角形边长l，计算得到目标标签的三个到达角数据，即图5中 的∠TQB，∠TMC，∠TLA，其中T表示目标标签的几何位置 。到达角通过公式 计算得到。

S4: 所有采集到目标标签广播信号的基站利用计算得到的目标标签的三个到达 角数据及这三个到达角数据之间的关系，采用所述单基站定位坐标解算方法得到目标标签的单基站定位坐标。

进一步地， S4可以包括 S41～S43，如图6所示，S41～S43具体如下：

以基站为例对S41～S43步骤进行详细描述。

S41: 所述基站根据计算得到的三个到达角数据，利用距离解算方法及 距离约束条件解算目标标签T到正三角形IJK 三边中点Q、M、L的距离TQ、TM、TL。

其中距离解算方法为：

(1)

距离约束条件为：

(2)

为当前定位场景范围内最远两点之间的距离。

因为距离TQ、TM、TL为基站中正三角形IJK三条边的中点到目标标签的直线距 离，且该直线距离位于定位场景的内空间中，因此距离TQ、TM、TL需要满足距离约束条件。

S42: 所述基站根据定位基站的坐标 及正三角形的边长l=， 利用三边中点解算方法解算正三角形IJK三边中点Q、M、L的坐标。

其中三边中点解算方法为：

(3)

基站中正三角形IJK三边中点Q、M、L的坐标由正三角形IJK边长l和基站的坐 标确定，因此该步骤仅需在部署基站时执行一次即可，后续在对目标标签的定位过程中无 需重复计算。

S43: 所述基站基于距离TQ、TM、TL和正三角形IJK三边中点Q、M、L的坐标，利用 位置解算方法及坐标约束条件解算所述目标标签的单基站定位坐标。

其中位置解算方法为：

(4)

坐标约束条件为：

(5)

、、、、 分别为当前定位场景三维坐标的上限与下限。

随着信号传播距离的增加，信号更容易受到多径效应等因素的影响，造成信号采 样精度的下降，为此，选取了两种影响定位误差的因素分别进行了仿真实验，分析它们与定 位误差的关系。两种影响因素分别为基站与该基站对目标标签的定位结果之间的距离和 双基站定位结果的离群距离，仿真结果分别如图7、8所示，仿真结果表明，两种影响因素与 定位误差之间存在正相关的关系，某一基站与该基站对目标标签的定位结果之间的距离 越小，该基站定位结果的误差越小，反之该基站定位结果的误差越大；当双基站定位结果的 离群距离较大时，该双基站定位结果的误差亦较大。

为此，本发明以基站坐标到该基站对目标标签的单基站定位坐标之间的距离为权重提出了双基站协同优化方法，以双基站定位结果的离群距离为权重提出了多基站协同优化方法。具体优化方法如S5-S7所示。

S5: 可计算得到目标标签单基站定位坐标的所有基站将该基站坐标及该基站 计算得到的目标标签的单基站定位坐标发送给网关计算单元，其中，为定位场景中可计算得到目标标签单基站定位坐标的所有基站的个数。

S6：网关计算单元对目标标签的所有单基站定位坐标两两组 合，使用双基站协同优化方法计算得到目标标签的双基站定位坐标，其中，。

进一步地，S6可以包括 S61～S63，如图9所示，S61～S63具体如下：

S61：所述网关计算单元计算所述目标标签的所有所述单基站定位坐标的定位坐 标与基站间距离，该定位坐标与基站间距离为目标标签的单基站定位坐标与定位基站的坐标)之间的距离，其中。

S62：所述网关计算单元对所述目标标签的两个单基站定位坐标和进行加权优化，得到目标标签的一个双基站定位 坐标，加权优化的权重由相应两个单基站定位坐标的定位坐标与基 站间距离确定。

双基站协同优化策略为：

(6)

其中，。

S63：重复执行S62，共计算得到个目标标签的双基站定位坐标。

S7：所述网关计算单元使用多基站协同优化方法对目标标签的所有双基站定位 坐标进行加权优化，得到目标标签的定位坐标。

进一步地， S7可以包括 S71～S72，如图10所示，S71～S72具体如下：

S71：所述网关计算单元利用公式（8）计算目标标签的所有双基站定位坐标的离 群距离:

(7)

其中：。

S72：所述网关计算单元利用多基站协同优化策略对目标标签的所有双基站定位 坐标进行加权优化，得到目标标签的定位坐标，其中加权 优化的权值由确定。

多基站协同优化策略：

(8)

其中：。

采用以上结合附图描述的本发明的实施例的基于AOA的低延时高精度的三维室内定位方法，用于在室内环境中对目标物体进行高精度三维定位。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于AOA的低延时高精度的三维室内定位方法，其特征在于，所述的实现方法包括：

（1）为基站设计正三角形天线阵列，基于所述正三角形天线阵列特有的几何关系及天线复用机制，所述基站利用预设的到达角解算方法计算所述目标标签的三个到达角数据；

（2）设计了一种高效的单基站定位坐标解算方法；单个所述基站利用计算得到的所述目标标签的三个到达角数据及这三个到达角数据之间的关系，采用所述单基站定位坐标解算方法得到所述目标标签的单基站定位坐标；

（3）提出了一种双基站协同优化方法；所述网关计算单元对所述目标标签的所有单基站定位坐标两两组合，使用双基站协同优化方法计算得到所述目标标签的双基站定位坐标；

（4）提出了一种多基站协同优化方法；所述网关计算单元对所述目标标签的所有双基站定位坐标使用多基站协同优化方法计算得到所述目标标签的定位坐标。

2.根据权利要求1所述的基于AOA的低延时高精度三维室内定位方法，其特征在于，所述的正三角形天线阵列包括：

每个所述基站的天线阵列由三个呈正三角形排布的天线构成；三个所述天线分别位于所述正三角形的三个顶点上；所述正三角形的边长为无线通信信号波长的一半；所述基站的坐标设定为所述正三角形质心的坐标。

3.根据权利要求1所述的基于AOA的低延时高精度三维室内定位方法，其特征在于，所述的预设的到达角解算方法包括：

（1）在定位过程中，网关计算单元向所述目标标签及所有所述基站发送定位指令，所述目标标签收到网关计算单元发送的定位指令后广播无线信号，所述基站收到网关计算单元发送的定位指令后对该基站的三个天线进行信号采样，并根据相邻两组所述天线的采样结果计算该组天线的相位差，三个所述天线两两组合共计算得到三个相位差数据；

（2）所述基站根据得到的三个所述相位差数据，结合所述无线通信信号波长及所述正三角形边长，计算得到所述目标标签的三个到达角数据。

4.根据权利要求1所述的基于AOA的低延时高精度三维室内定位方法，其特征在于，所述的单基站定位坐标解算方法包括：

（1）所述基站根据计算得到的三个所述到达角数据，利用预设的距离解算方法及距离约束条件解算所述正三角形每条边的中点到所述目标标签的距离；

（2）所述基站基于本基站的坐标及所述无线通信信号波长，利用预设的三边中点解算方法解算所述正三角形三边中点的坐标；

（3）所述基站基于所述正三角形每条边的中点分别到所述目标标签的距离和所述正三角形三边中点的坐标，利用预设的位置解算方法及坐标约束条件解算所述目标标签的单基站定位坐标，并将计算得到的单基站定位坐标及该基站坐标发送给网关计算单元。

5.根据权利要求1所述的基于AOA的低延时高精度三维室内定位方法，其特征在于，所述的双基站协同优化方法包括：

（1）所述网关计算单元计算所述目标标签的所有单基站定位坐标的定位坐标与基站间距离；所述的定位坐标与基站间距离为所述目标标签的单基站定位坐标与相应定位基站坐标之间的距离；

（2）所述网关计算单元对所述目标标签的两个单基站定位坐标进行加权优化，得到所述目标标签的一个双基站定位坐标，加权优化的权重由相应两个单基站定位坐标的定位坐标与基站间距离确定；重复该步骤，计算所述目标标签的所有双基站定位坐标。

6.根据权利要求1所述的基于AOA的低延时高精度三维室内定位方法，其特征在于，所述的多基站协同优化方法包括：

（1）所述网关计算单元计算所述目标标签的所有双基站定位坐标的离群距离；所述的离群距离为所述目标标签的某一双基站定位坐标与该目标标签的其他双基站定位坐标之间距离的平均；

（2）所述网关计算单元对所述目标标签的所有双基站定位坐标进行加权优化，得到所述目标标签的定位坐标，加权优化的权重由相应双基站定位坐标的离群距离确定。

7.一种基站，部署在定位场景中，利用内置的所述天线阵列采集所述目标标签的广播信号、执行所述到达角解算方法及单基站定位坐标解算方法，并将计算得到的所述目标标签的单基站定位坐标发送给网关计算单元。

8.一种网关计算单元，部署在定位场景中，用于向所述目标标签及所有所述基站发送开始定位指令、接收基站发送的所述目标标签的单基站定位坐标、执行所述双基站协同优化方法及多基站协同优化方法以解算所述目标标签的定位坐标。