CN108989985A - 单节点室内高精度定位***及定位方法 - Google Patents

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黄祖德
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智凯旋
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Abstract

本发明公开一种单节点室内高精度定位***及定位方法，定位***包括定位主机、参考基站、有源定位终端，所述定位主机通过交换机以及网线与参考基站建立连接，所述参考基站与有源定位终端通过UWB超宽带无线信道建立连接。相比于传统多节点的的基站进行定位，本发明基于单节点超宽带定位技术，结合6条天线形成的天线阵列，可以在任何环境下达到360°的范围的高精度信号接收，再通过对AOA定位算法精确度的提高来改善***定位准确度，进而达到改善最终的定位精确。本发明基于UWB超宽带信号的单基站定位算法研究以及AOA定位研究下测量的距离误差在厘米级别(一般为2cm以下)以及角度在1度之下。

Description

单节点室内高精度定位***及定位方法
技术领域
本发明涉及定位***领域技术，尤其是指一种单节点室内高精度定位***及定位方法。
背景技术
基于位置的服务和位置感知计算在实际应用中已变得越来越重要，与此类应用相关的智能机器人、智能家居、以及智能无线传感网等产业的发展已进入爆发期。尽管基于导航卫星的定位技术很成熟，但因微波信号很容易被建筑物等物体吸收和反射，故不能用于室内环境。然而目前有许多基于位置的服务和位置感知计算的需求是在非室外区域，无法利用卫星定位功能，例如室内移动机器人自主行驶时，必须连续、实时的获得可靠、精确的定位信息。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种单节点室内高精度定位***及定位方法，能够满足室内定位需求，且定位距离精度误差在厘米级别以内，从而克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种单节点室内高精度定位***，包括定位主机、参考基站、有源定位终端，所述定位主机通过交换机以及网线与参考基站建立连接，所述参考基站与有源定位终端通过UWB超宽带无线信道建立连接；
所述有源定位终端是信号发射端，是移动端和待定位端，该有源定位终端配设UWB超宽带数据发送模块，该UWB超宽带数据发送模块连接有1条UWB信号发送天线；
所述参考基站是信号接收端，是参考点，其的位置固定，包括天线阵列、微型电脑、UWB超宽带采集程序模块，所述天线阵列是由6个60°扇面的天线组成的可以覆盖360°的范围，天线阵列通过6到1的射频交换相连至微型电脑和UWB超宽带采集程序模块23，其中UWB超宽带采集程序模块与UWB超宽带数据发送模块的速率、带宽和使用频段相一致；
所述定位主机内置远程主机、基于shell脚本编写的UWB超宽带数据下载模块、基于Matlab脚本编写的AOA估计模块、测距模块和定位模块，该远程主机通过shell脚本程序远程登录控制UWB超宽带采集程序模块，该UWB超宽带数据下载模块通过远程下载的方式把采集数据从参考基站拷贝到本地，然后被送入定位主机的AOA估计模块和测距模块，最后AOA值和测距结果被送入定位模块得到最终的定位结果。
作为一种优选方案，所述天线阵列固定在天线底座上，该天线底座罩设有天线罩将天线阵列封闭在内。
作为一种优选方案，所述UWB超宽带采集程序模块包括依次串接的自动增益单元、采样/ADC单元、包检测器、CFO校正器和OFDM接收器。
作为一种优选方案，所述OFDM接收器是由FFT单元和串接的信道估计单元组成。
作为一种优选方案，所述AOA估计模块包括依次串接的阵列接收信号单元、预处理单元、小波去噪单元、二维平滑MUSIC算法单元、AOA空间谱单元。
作为一种优选方案，所述小波去噪单元是由小波基函数选取单元、小波分解单元、小波系数处理单元、信号重构单元组成。
作为一种优选方案，所述UWB超宽带使用的是频率介于500MHz到7.5GHz之间的信号。
一种单节点室内高精度定位***的定位方法，在定位主机的远程控制下，参考基站和有源定位终端通过UWB超宽带无线信道建立连接，有源定位终端从节点A不断地发送位置信号，参考基站从节点B不断地接收位置定号，假设从节点A向节点B发送信号的时间为TA，信号到达节点B之后参考基站接收信号的时间为TB，那么节点A、节点B两个节点之间的距离就可以用下面的式子表示：
TAB＝(TB-TA) (1)
dAB＝TAB*c (2)
其中，c为电磁波的传播速度，dAB为从节点A到节点B的距离。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，相比于传统多节点的的基站进行定位，本发明基于单节点超宽带定位技术，结合6条天线形成的天线阵列，可以在任何环境下达到360°的范围的高精度信号接收，再通过对AOA定位算法精确度的提高来改善***定位准确度，进而达到改善最终的定位精确。本发明基于UWB超宽带信号的单基站定位算法研究以及AOA定位研究下测量的距离误差在厘米级别(一般为2cm以下)以及角度在1度之下。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明之实施例的***结构示意图。
图2是本发明之实施例的***结构框图。
图3是本发明之实施例的天线阵列的示意图。
图4是本发明之实施例的天线阵列接收定位信号的波形重叠图。
图5是本发明之实施例的UWB超宽带采集程序模块的结构框图。
图6是本发明之实施例的AOA估计模块的结构框图。
图7是本发明之实施例的测距方法示意图。
附图标识说明：
10、定位主机 11、远程主机
12、UWB超宽带数据下载模块 13、AOA估计模块
131、阵列接收信号单元 132、预处理单元
133、小波基函数选取单元 134、小波分解单元
135、小波系数处理单元 136、信号重构单元
137、二维平滑MUSIC算法单元 138、AOA空间谱单元
14、测距模块 15、定位模块
20、参考基站 21、天线阵列
22、微型电脑 23、UWB超宽带采集程序模块
231、自动增益单元 232、采样/ADC单元
233、包检测器 234、CFO校正器
235、FFT单元 236、信道估计单元
24、天线底座 25、天线罩
30、有源定位终端 31、UWB超宽带数据发送模块
32、UWB信号发送天线 40、交换机。
具体实施方式
请参照图1至图5所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，是一种单节点室内高精度定位***。
如图1和图2所示，该***包括定位主机10、参考基站20、有源定位终端30，所述定位主机10通过交换机40以及网线与参考基站20建立连接，所述参考基站20与有源定位终端30通过UWB超宽带无线信道建立连接。
其中，所述有源定位终端30是信号发射端，是移动端和待定位端，该有源定位终端30配设UWB超宽带数据发送模块31，该UWB超宽带数据发送模块31连接有1条UWB信号发送天线32。
所述参考基站20是信号接收端，是参考点，其的位置固定，包括天线阵列21、微型电脑22、UWB超宽带采集程序模块23，所述天线阵列21是由6个60°扇面的天线组成的可以覆盖360°的范围，天线阵列21通过6到1的射频交换相连至微型电脑22和UWB超宽带采集程序模块23，其中UWB超宽带采集程序模块23与UWB超宽带数据发送模块31的速率、带宽和使用频段相一致。
所述定位主机10内置远程主机11、基于shell脚本编写的UWB超宽带数据下载模块12、基于Matlab脚本编写的AOA估计模块13、测距模块14和定位模块15，该远程主机11通过shell脚本程序远程登录控制UWB超宽带采集程序模块23，该UWB超宽带数据下载模块12通过远程下载的方式把采集数据从参考基站20拷贝到本地，然后被送入定位主机10的AOA估计模块13和测距模块14，最后AOA值和测距结果被送入定位模块15得到最终的定位结果。
相比于传统多节点的的基站进行定位，本发明基于单节点超宽带定位技术，结合6条天线形成的天线阵列21，可以在任何环境下达到360°的范围的高精度信号接收，再通过对AOA定位算法精确度的提高来改善***定位准确度，进而达到改善最终的定位精确。本发明基于UWB超宽带信号的单基站定位算法研究以及AOA定位研究下测量的距离误差在厘米级别(一般为2cm以下)以及角度在1度之下。
如图3所示，所述天线阵列21固定在天线底座24上，该天线底座24罩设有天线罩25将天线阵列21封闭在内。这样，每个天线均会有60°的带宽，波束图形会有相互重叠的部分，参见图4。结合图1，假定有源定位终端30发射的是a1的脉冲，其在天线1、2范围内是有效的脉冲，超宽带脉冲到达天线为1、2的时间分别为t1、t2，又已知脉冲在空气中的传播速度为c，则有源定位终端30到达天线1、2的距离就可以得到，分别是：r1＝c*t1，r2＝c*t2。若脉冲的幅度为A，则天线1、2所接收到的脉冲幅度分别为：
其中PL为：
测量得到脉冲到达天线1、2的脉冲幅度就可以推导出脉冲的到达角度(AOA)。以上的方法可以替代用微量时间差来测量到达角度的方法，可以避免在应用微量时间差测量到达角度时所需要用的高精度时钟，从而化简了设备以及降低了设备费用。同时，应用幅度测量转化到达角度比较简单且精确度较高，从而可以实现高精度定位。
如图5所示，所述UWB超宽带采集程序模块23包括依次串接的自动增益单元231、采样/ADC单元232、包检测器233、CFO校正器234和OFDM接收器。更进一步的，所述OFDM接收器是由FFT单元235和串接的信道估计单元236组成。其中，天线阵列的接收的位置信号输入到自动增益单元231，该自动增益单元231放大位置信号的功率，再输送到采样/ADC单元232，该采样/ADC单元232调整位置信号的频率，再输送到包检测器233，该包检测器233负责包检测不确定度，再通过CFO校正器234去除残余载波频率，发送到OFDM接收器将位置信号纠正偏移量，提高位置定位的精确度。
如图6所示，所述AOA估计模块13包括依次串接的阵列接收信号单元131、预处理单元132、小波去噪单元、二维平滑MUSIC算法单元137、AOA空间谱单元138。其中，所述小波去噪单元是由小波基函数选取单元133、小波分解单元134、小波系数处理单元135、信号重构单元136组成。该AOA估计模块13基于小波去噪预处理AOA估计方法是，首先对接收到的阵列信号即信道状态信息进行相位校正预处理；其次，根据信号的特点选择合适的小波基函数和滤波器参数，接着根据选定的参数进行小波分解和小波系数处理，然后根据保留的信号的小波系数对信号进行重构，完成小波去噪的过程，最后对小波去噪后的信号采用二维平滑MUSIC算法进行对AOA空间谱进行估计。
如图7所示，其显示了一种单节点室内高精度定位***的定位方法，在定位主机10的远程控制下，参考基站20和有源定位终端30通过UWB超宽带无线信道建立连接，有源定位终端30从节点A不断地发送位置信号，参考基站20从节点B不断地接收位置定号，假设从节点A向节点B发送信号的时间为TA，信号到达节点B之后参考基站20接收信号的时间为TB，那么节点A、节点B两个节点之间的距离就可以用下面的式子表示：
TAB＝(TB-TA) (1)
dAB＝TAB*c (2)
其中，c为电磁波的传播速度，dAB为从节点A到节点B的距离。
在此过程中，利用定位主机10的AOA估计模块13基于小波去噪预处理AOA估计方法，首先对接收到的阵列信号即信道状态信息进行相位校正预处理；其次，根据信号的特点选择合适的小波基函数和滤波器参数，接着根据选定的参数进行小波分解和小波系数处理，然后根据保留的信号的小波系数对信号进行重构，完成小波去噪的过程，最后对小波去噪后的信号采用二维平滑MUSIC算法进行对AOA空间谱进行估计，以提高定位精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种单节点室内高精度定位***，其特征在于：包括定位主机、参考基站、有源定位终端，所述定位主机通过交换机以及网线与参考基站建立连接，所述参考基站与有源定位终端通过UWB超宽带无线信道建立连接；
所述有源定位终端是信号发射端，是移动端和待定位端，该有源定位终端配设UWB超宽带数据发送模块，该UWB超宽带数据发送模块连接有1条UWB信号发送天线；
所述参考基站是信号接收端，是参考点，其的位置固定，包括天线阵列、微型电脑、UWB超宽带采集程序模块，所述天线阵列是由6个60°扇面的天线组成的可以覆盖360°的范围，天线阵列通过6到1的射频交换相连至微型电脑和UWB超宽带采集程序模块23，其中UWB超宽带采集程序模块与UWB超宽带数据发送模块的速率、带宽和使用频段相一致；
所述定位主机内置远程主机、基于shell脚本编写的UWB超宽带数据下载模块、基于Matlab脚本编写的AOA估计模块、测距模块和定位模块，该远程主机通过shell脚本程序远程登录控制UWB超宽带采集程序模块，该UWB超宽带数据下载模块通过远程下载的方式把采集数据从参考基站拷贝到本地，然后被送入定位主机的AOA估计模块和测距模块，最后AOA值和测距结果被送入定位模块得到最终的定位结果。
2.根据权利要求1所述的单节点室内高精度定位***及定位方法，其特征在于：所述天线阵列固定在天线底座上，该天线底座罩设有天线罩将天线阵列封闭在内。
3.根据权利要求1所述的单节点室内高精度定位***及定位方法，其特征在于：所述UWB超宽带采集程序模块包括依次串接的自动增益单元、采样/ADC单元、包检测器、CFO校正器和OFDM接收器。
4.根据权利要求3所述的单节点室内高精度定位***及定位方法，其特征在于：所述OFDM接收器是由FFT单元和串接的信道估计单元组成。
5.根据权利要求1所述的单节点室内高精度定位***及定位方法，其特征在于：所述AOA估计模块包括依次串接的阵列接收信号单元、预处理单元、小波去噪单元、二维平滑MUSIC算法单元、AOA空间谱单元。
6.根据权利要求5所述的单节点室内高精度定位***及定位方法，其特征在于：所述小波去噪单元是由小波基函数选取单元、小波分解单元、小波系数处理单元、信号重构单元组成。
7.根据权利要求1所述的单节点室内高精度定位***及定位方法，其特征在于：所述UWB超宽带使用的是频率介于500MHz到7.5GHz之间的信号。
8.一种单节点室内高精度定位***的定位方法，其特征在于：在定位主机的远程控制下，参考基站和有源定位终端通过UWB超宽带无线信道建立连接，有源定位终端从节点A不断地发送位置信号，参考基站从节点B不断地接收位置定号，假设从节点A向节点B发送信号的时间为TA，信号到达节点B之后参考基站接收信号的时间为TB，那么节点A、节点B两个节点之间的距离就可以用下面的式子表示：
TAB＝(TB-TA) (1)
dAB＝TAB*c (2)
其中，c为电磁波的传播速度，dAB为从节点A到节点B的距离。
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