CN109387808A - 一种定位待测点的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种定位待测点的方法及装置，获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。从而通过AOA与TDOA相结合的方法准确获取待测点的三维坐标。
Description
技术领域
本发明实施例涉及通信的技术领域，尤其涉及一种定位待测点的方法及装置。
背景技术
近年来，随着近距离无线通信和移动网络技术的不断发展，基于位置的服务(location-based service，LBS)越来越受到人们的重视。全球定位***(globalpositioning system，GPS)在室外已经可以提供位置信息，但是在室内环境下由于建筑物的遮挡、楼层密度较大等特点而无法正常工作。在这种情况下，出现了利用红外线、WiFi、Zigbee等载波技术的室内定位方案，但是都没有达到非常好的效果。WiFi技术由于其能耗较大，且容易受到信号的干扰，信号覆盖的范围也仅局限于90m以内的空间，所以该技术的优势并不明显；Zigbee技术尽管具有低功耗、低成本、通信效率高等优点，但是其定位结果不稳定，***可靠性不强。
超宽带(ultra-wide band，UWB)技术是通过极窄脉冲来传输数据而不是通过传统的载波来传输数据，导致其数据传输速度极高，除此之外，UWB技术具有***复杂性低、信息安全性高、抗多径衰落能力强等优点，成为无线定位领域中的一大亮点。
UWB定位技术具有超高的时间和空间分辨率，保证了UWB可以准确的获得待定位目标的时间和角度信息，时间信息可以转化为距离信息，结合角度信息利用三角定位等几何定位方法求得待定位目标的位置信息。常用的测量角度和时间信息的方法有：基于接收信号强度(received signal strength，RSS)以及基于接收信号到达角度(angle ofarrival，AOA)。
其中，RSS是通过测量节点间的能量来估计目标与接收机之间的距离，由于接收信号的强度与传播的距离成反比，因此，距离的估算可以通过发射信号的强度和接收信号的强度与其之间的关系进行计算。虽然这种方法操作简便，成本也较低，但是容易受到多径衰弱和阴影效应的影响，导致定位精度较差。
AOA是通过测量未知点和参考点间的角度来解算目标的位置。通过多个基站测量从定位目标最先到达接收机的信号的到达角度，从而估计出定位目标的位置。区域内如果障碍物较少，利用该方法可获得较高的定位精度，但是，如果在障碍物较多的区域中，由于存在多径效应，无法准确获知角度信息，定位误差将会明显增大。
发明内容
本发明实施例的目的在于提出一种定位待测点的方法及装置，旨在解决如何准确获取待测点的定位的问题。
为达此目的，本发明实施例采用以下技术方案：
第一方面，一种定位待测点的方法，所述方法包括：
获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；
根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；
根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。
可选地，所述获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息，包括：
根据波的干涉原理测出移动目标MS与x轴的夹角。
可选地，所述根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置，包括：
获取所述待测点与至少两对基站的距离差，并根据所述距离差获取至少两对双曲线，并根据所述至少两对双曲线确定所述待测点的位置。
可选地，所述根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置，包括：
根据双曲线的定位原理，测得所述待测点的UWB信号同时到达两个基站的时间差，时间差乘以光速得到距离差；
根据到达两个基站的距离差为定值的轨迹是双曲线的原理，利用两个或者多个双曲线的交点求得所述待测点的目标位置。
可选地，所述根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标之后，还包括：
在测试实验前，开启***中的定位传感器，激活定位标签，设定所述定位标签的位置，与得到的定位结果进行对比，评价校准结果；其中，所述***包括所述定位标签、所述定位传感器和定位中心处理平台；
在测试实验时，开启所述定位传感器，配置所述定位中心处理平台，所述定位标签按照预设路线运行，所述定位传感器接收所述待定位标签的UWB信号，传输至所述定位中心处理平台，获取所述待测点的三维坐标。
第二方面，一种定位待测点的装置，所述装置包括：
第一确定模块，用于获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；
第二确定模块，用于根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；
第三确定模块，用于根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。
可选地，所述第一确定模块，具体用于：
根据波的干涉原理测出移动目标MS与x轴的夹角。
可选地，所述第二确定模块，具体用于：
获取所述待测点与至少两对基站的距离差，并根据所述距离差获取至少两对双曲线，并根据所述至少两对双曲线确定所述待测点的位置。
可选地，所述第二确定模块，还具体用于：
根据双曲线的定位原理，测得所述待测点的UWB信号同时到达两个基站的时间差，时间差乘以光速得到距离差；
根据到达两个基站的距离差为定值的轨迹是双曲线的原理，利用两个或者多个双曲线的交点求得所述待测点的目标位置。
可选地，所述装置还包括：
测试模块，用于在根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标之后，在测试实验前，开启***中的定位传感器，激活定位标签，设定所述定位标签的位置，与得到的定位结果进行对比，评价校准结果；其中，所述***包括所述定位标签、所述定位传感器和定位中心处理平台；测试实验时，开启所述定位传感器，配置所述定位中心处理平台，所述定位标签按照预设路线运行，所述定位传感器接收所述待定位标签的UWB信号，传输至所述定位中心处理平台，获取所述待测点的三维坐标。
本发明实施例提供的一种定位待测点的方法以及装置，获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。从而通过AOA与TDOA相结合的方法准确获取待测点的三维坐标，该混合定位具有更高的精度，参与定位的基站数目越多这种优势越明显。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种定位待测点的方法的流程示意图；
图2A是本发明实施例提供的一种AOA定位原理的示意图；
图2B是本发明实施例提供的一种TDOA定位原理的示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种定位待测点的方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种测试实验的结果示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种测试实验的结果示意图；
图6是本发明实施例提供的一种定位待测点的装置的功能模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明实施例作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明实施例，而非对本发明实施例的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分而非全部结构。
参考图1，图1是本发明实施例提供的一种定位待测点的方法的流程示意图。
如图1所示，所述定位待测点的方法包括：
步骤101，获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；
具体的，测量未知点和参考点间的角度来解算目标的坐标。通过多个基站测量从定位目标最先到达接收机的信号的到达角度，从而估计出定位目标的坐标。
可选地，所述获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息，包括：
根据波的干涉原理测出移动目标MS与x轴的夹角。
具体的，频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，利用波的这一干涉原理，可以抽象成在二维空间中，假设第N个基站的坐标为(xn,yn)移动待测点MS的坐标为(x,y)，则通过图2A和图2B上可以建立基站(based station,BS)与待测点(mobile station,MS)的几何位置关系，该几何关系的表达式为：
公式中，θn为第N个基站获得的方位角信息即X轴的夹角，联立两个基站的方程式得方程组，即可求得移动待测点MS的坐标(x,y)。
步骤102，根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；
可选地，所述根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置，包括：
获取所述待测点与至少两对基站的距离差，并根据所述距离差获取至少两对双曲线，并根据所述至少两对双曲线确定所述待测点的位置。
可选地，所述根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置，包括：
根据双曲线的定位原理，测得所述待测点的UWB信号同时到达两个基站的时间差，时间差乘以光速得到距离差；
根据到达两个基站的距离差为定值的轨迹是双曲线的原理，利用两个或者多个双曲线的交点求得所述待测点的目标位置。
具体的，基于AOA的定位方式，由于多路径效应和基站天线等的限制，往往需要较多的传感器同时工作，无疑增加了***的成本；而基于TOA/TDOA的定位算法要么需要传感器和目标的时间同步，要么需要较多的传感器同时工作，都不是最理想的解决方案。利用AOA/TDOA混合定位的方法，最少只需两个传感器同时工作就可以得到待定位目标的三维坐标。其中AOA角度测量的方法是根据波的干涉原理，从而测出移动目标MS与x轴的夹角。
TDOA测距是根据双曲线的定位原理，测得定位目标的UWB信号同时到达两个基站的时间差，时间差乘以光速可以得到距离差。根据到达两个定点的距离差为定值的轨迹是双曲线的原理，利用两个或者多个双曲线的交点求得待定位点的目标位置。定位原理如图2所示。结合以上两种定位方法，AOA测得定位目标与基站的方向信息，TDOA得到定位目标的距离信息，两者结合最终得到定位目标的三维坐标。
步骤103，根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。
具体的，在二维空间中，假设第N个基站的坐标为(xn,yn)移动待测点MS的坐标为(x,y)，则通过图2A可以建立基站(based station,BS)与待测点(mobile station,MS)的几何位置关系，该几何关系的表达式为：
公式中，θn为第N个基站获得的方位角信息即X轴的夹角，联立两个基站的方程式得方程组，即可求得移动待测点MS的坐标(x，y)。
本发明实施例提供的另一种定位待测点的方法以及装置，获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。从而通过AOA与TDOA相结合的方法准确获取待测点的三维坐标。
参考图3，图3是本发明实施例提供的另一种定位待测点的方法的流程示意图。
如图3所示，所述定位待测点的方法包括：
步骤301，获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；
步骤302，根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；
步骤303，根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标；
步骤304，在测试实验前，开启***中的定位传感器，激活定位标签，设定所述定位标签的位置，与得到的定位结果进行对比，评价校准结果；其中，所述***包括所述定位标签、所述定位传感器和定位中心处理平台；在测试实验时，开启所述定位传感器，配置所述定位中心处理平台，所述定位标签按照预设路线运行，所述定位传感器接收所述待定位标签的UWB信号，传输至所述定位中心处理平台，获取所述待测点的三维坐标。
具体的，实验场地设在房间大小为7m×9m。根据房间大小布设四个传感器，分别位于四个角，调整合适的角度和高度。***由三个部分构成：定位标签、定位传感器和定位中心处理平台。布设完毕后进行设备的校准，校准采用静态校准和动态校准的方法，开启定位区域传感器使其正常工作，激活待定位标签，设定标签位置，与得到的定位结果进行对比，评价校准结果。实验时，开启传感器，配置中心处理平台，手持标签沿事先规划好的路线行走，行走过程中，传感器不断地接受标签的UWB信号，传输至定位平台，定位平台经过解算，求得定位目标的三维目标，实时显示在三维定位场景中。
实验采用TDOA/AOA的定位算法，定位传感器接收到移动目标发射的UWB信号，将其通过数据传输线传输至定位平台，定位中心平台经过解算，将信号解算为位置数据，最终生成位置坐标，并将其存储为日志文件。为了试验方便和对比的清晰，设定“己”字型路线，经过测试后利用MATLAB处理软件进行数据处理，得到图4以及图5。
根据图4和图5的定位结果可以看出，定位的整体精度较高，在直线行走的情况下定位的精度可以达到20cm以内，在拐角处定位的精度有较明显的下降，但是也达到cm级别。在拐角处定位精度明显下降的原因是运动状态的变化导致传感器瞬间接收到的定位信号变化较大，导致实际偏差较大。根据MATLAB生成的定位误差统计如下表所示：
参考图6，图6是本发明实施例提供的一种定位待测点的装置的功能模块示意图。
如图6所示，所述定位待测点的装置包括：
第一确定模块601，用于获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；
可选地，所述第一确定模块601，具体用于：
根据波的干涉原理测出移动目标MS与x轴的夹角。
第二确定模块602，用于根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；
可选地，所述第二确定模块602，具体用于：
获取所述待测点与至少两对基站的距离差，并根据所述距离差获取至少两对双曲线，并根据所述至少两对双曲线确定所述待测点的位置。
可选地，所述第二确定模块602，还具体用于：
根据双曲线的定位原理，测得所述待测点的UWB信号同时到达两个基站的时间差，时间差乘以光速得到距离差；
根据到达两个基站的距离差为定值的轨迹是双曲线的原理，利用两个或者多个双曲线的交点求得所述待测点的目标位置。
第三确定模块603，用于根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。
可选地，所述装置还包括：
测试模块，用于在根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标之后，在测试实验前，开启***中的定位传感器，激活定位标签，设定所述定位标签的位置，与得到的定位结果进行对比，评价校准结果；其中，所述***包括所述定位标签、所述定位传感器和定位中心处理平台；测试实验时，开启所述定位传感器，配置所述定位中心处理平台，所述定位标签按照预设路线运行，所述定位传感器接收所述待定位标签的UWB信号，传输至所述定位中心处理平台，获取所述待测点的三维坐标。
本发明实施例提供的一种定位待测点的装置，获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。从而通过AOA与TDOA相结合的方法准确获取待测点的三维坐标。
以上结合具体实施例描述了本发明实施例的技术原理。这些描述只是为了解释本发明实施例的原理，而不能以任何方式解释为对本发明实施例保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明实施例的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种定位待测点的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；
根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；
根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息，包括：
根据波的干涉原理测出移动目标MS与x轴的夹角。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置，包括：
获取所述待测点与至少两对基站的距离差，并根据所述距离差获取至少两对双曲线，并根据所述至少两对双曲线确定所述待测点的位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置，包括：
根据双曲线的定位原理，测得所述待测点的UWB信号同时到达两个基站的时间差，时间差乘以光速得到距离差；
根据到达两个基站的距离差为定值的轨迹是双曲线的原理，利用两个或者多个双曲线的交点求得所述待测点的目标位置。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标之后，还包括：
在测试实验前，开启***中的定位传感器，激活定位标签，设定所述定位标签的位置，与得到的定位结果进行对比，评价校准结果；其中，所述***包括所述定位标签、所述定位传感器和定位中心处理平台；
在测试实验时，开启所述定位传感器，配置所述定位中心处理平台，所述定位标签按照预设路线运行，所述定位传感器接收所述待定位标签的UWB信号，传输至所述定位中心处理平台，获取所述待测点的三维坐标。
6.一种定位待测点的装置，其特征在于，所述装置包括：
第一确定模块，用于获取待测点与至少两个基站的角度信息，确定所述待测点与参考坐标轴X轴的夹角信息；
第二确定模块，用于根据所述待测点和所述至少两对基站的距离差确定所述待测点的位置；
第三确定模块，用于根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块，具体用于：
根据波的干涉原理测出移动目标MS与x轴的夹角。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块，具体用于：
获取所述待测点与至少两对基站的距离差，并根据所述距离差获取至少两对双曲线，并根据所述至少两对双曲线确定所述待测点的位置。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块，还具体用于：
根据双曲线的定位原理，测得所述待测点的UWB信号同时到达两个基站的时间差，时间差乘以光速得到距离差；
根据到达两个基站的距离差为定值的轨迹是双曲线的原理，利用两个或者多个双曲线的交点求得所述待测点的目标位置。
10.根据权利要求6至9任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
测试模块，用于在根据所述夹角信息与所述待测点的位置确定所述待测点的三维坐标之后，在测试实验前，开启***中的定位传感器，激活定位标签，设定所述定位标签的位置，与得到的定位结果进行对比，评价校准结果；其中，所述***包括所述定位标签、所述定位传感器和定位中心处理平台；测试实验时，开启所述定位传感器，配置所述定位中心处理平台，所述定位标签按照预设路线运行，所述定位传感器接收所述待定位标签的UWB信号，传输至所述定位中心处理平台，获取所述待测点的三维坐标。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190226 |
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