CN110658491A - 测向***、测向方法、定位***及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用多天线基站测量目标方向的测向方法及***，通过在基站中设置多个天线，检测测向信号到达多个天线的时间差，利用所述到达时间差信息和多个天线的位置获得与基站对应的渐近线，并利用所述渐近线表征目标装置的所处方向。还公开了一种利用多个多天线基站测量目标方向的定位方法及***，通过令多个不同位置的基站利用上述测向方法获得与各基站分别对应的多条渐近线，计算多条渐近线的交点，并利用所述交点的位置信息表征所述待定位装置的所处位置。在本发明公开的定位方案中，所述多个定位基站间不需要进行同步处理，最大程度地降低定位***的复杂度和成本，避免了同步过程中带来的误差影响，提高对目标装置的定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及利用多天线基站的测向方法、定位方法及***。
背景技术
现有技术中，通过自建定位***实现在特定区域中对指定目标的定位和监控。UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB具有脉冲宽度窄，抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，广泛应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。以UWB信号作为定位信号的定位***可以弥补天空卫星无法覆盖的区域，方便布置，实现狭小空间的位移监测。
在以UWB脉冲作为定位信号的定位***中常用的定位算法有到达时间包括TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)定位算法，即置于待定位装置上的定位标签向已知位置的定位基站发射定位信号，定位***记录各定位基站接收到定位信号的时间差解算待定位装置的位置信息，上述算法在实施过程中要求各个定位基站间精确的时间同步才能达到较高的定位精度。还包括TOA(Time of Arrival，到达时间)定位算法，即通过发射和接收定位信号的时间信息，解算待定位装置的位置信息，上述算法在实施过程中要求各个定位基站与待定位装置之间都保证精确的时间同步才能达到较高的定位精度。现有技术中对于各个定位基站之间常用的同步方法主要有以下几种，一是每个定位基站中各自包含精确的同步时钟，如原子钟等，这种方法成本较高，且需定期对其进行时钟校验；二是使用有线线路在各定位基站之间传输同步信号，此方法需要在各定位基站之间布设有线线路，需要耗费较多的经济和人力成本，且需要定期维护，而在一些特殊环境中，受制于地理环境以及美观因素，无法实现有线线路的布设；三是通过无线方式在各定位基站之间传输同步信号，存在同步信号传输不稳定，容易受到干扰信号影响的问题。
因此，研究无需进行定位基站间同步的定位***成为了本领域研究人员亟需解决的问题。
发明内容
依据本发明的一个方面公开了一种测向***，包括：第一天线、第二天线和待测向装置；其中，待测向装置向第一天线和第二天线发射测向信号，第一天线和第二天线分别接收测向信号且测向***记录测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息，且其中，测向***根据第一天线和第二天线的位置信息、测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息得到双曲线，并根据双曲线的渐进线获得待测向装置的方向。
依据本发明的另一个方面公开了测向***，包括：第一天线、第二天线和待测向装置；其中，第一天线和第二天线分别向待测向装置发射测向信号，待测向装置接收来自第一天线和第二天线的测向信号且记录来自第一天线和第二天线的测向信号到达自身的时间信息，且其中，测向***根据第一天线和第二天线的位置信息、来自第一天线和第二天线的测向信号到达待测向装置的时间信息得到双曲线，并根据双曲线的渐进线获得待测向装置的方向。
依据本发明的又一个方面还公开了一种测向方法，包括：利用第一天线和第二天线向待测向装置发射测向信号；记录待测向装置接收到来自第一天线和第二天线的测向信号的时间信息；利用第一天线和第二天线的位置信息、来自第一天线和第二天线的测向信号到达待测向装置的时间信息来获得双曲线；以及根据双曲线的渐进线来获得待测向装置的方向。
依据本发明的又一个方面还公开了一种测向方法，包括：利用待测向装置向第一天线和第二天线发射测向信号；记录第一天线和第二天线分别接收到来自待测向装置的测向信号的时间信息；利用第一天线和第二天线的位置信息、第一天线和第二天线接收到测向信号的时间信息来获得双曲线；以及根据双曲线的渐进线来获得待测向装置的方向。
依据本发明的又一个方面还公开了一种定位***，包括：第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和待测向装置；其中，待测向装置向第一天线和第二天线发射测向信号，第一天线和第二天线分别接收测向信号且定位***记录测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息，且其中，定位***根据第一天线和第二天线的位置信息、测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息得到第一双曲线；且其中，待测向装置向第三天线和第四天线发射测向信号，第三天线和第四天线分别接收测向信号且定位***记录测向信号到达第三天线和第四天线的时间信息，且其中，定位***根据第三天线和第四天线的位置信息、测向信号到达第三天线和第四天线的时间信息得到第二双曲线；以及且其中，定位***根据第一双曲线和第二双曲线的渐进线交点获得待测向装置的位置。
依据本发明的又一个方面还公开了一种定位***，包括：第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和待测向装置；其中，第一天线和第二天线向待测向装置发射测向信号，待测向装置分别接收来自第一天线和第二天线的测向信号并记录测向信号到达自身的时间信息，且其中，定位***根据第一天线和第二天线的位置信息、来自第一天线和第二天线的测向信号到达待测向装置的时间信息得到第一双曲线；且其中，第三天线和第四天线向待测向装置发射测向信号，待测向装置分别接收来自第三天线和第四天线的测向信号并记录测向信号到达自身的时间信息，且其中，定位***根据第三天线和第四天线的位置信息、来自第三天线和第四天线的测向信号到达待测向装置的时间信息得到第二双曲线；以及且其中，定位***根据第一双曲线和第二双曲线的渐进线交点获得待测向装置的位置。
依据本发明的又一个方面还公开了一种定位方法，包括：利用第一天线和第二天线向待测向装置发射测向信号；记录待测向装置接收到来自第一天线和第二天线的测向信号的时间信息；利用第一天线和第二天线的位置信息、来自第一天线和第二天线的测向信号到达待测向装置的时间信息来获得第一双曲线；利用第三天线和第四天线向待测向装置发射测向信号；记录待测向装置接收到来自第三天线和第四天线的测向信号的时间信息；利用第三天线和第四天线的位置信息、来自第三天线和第四天线的测向信号到达待测向装置的时间信息来获得第二双曲线；以及根据第一双曲线和第二双曲线的渐进线的交点获得待测向装置的位置。
依据本发明的又一个方面还公开了一种定位方法，包括：利用待测向装置向第一天线和第二天线发射测向信号；记录第一天线和第二天线分别接收到测向信号的时间信息；利用第一天线和第二天线的位置信息、第一天线和第二天线接收到测向信号的时间信息来获得第一双曲线；利用待测向装置向第三天线和第四天线发射测向信号；记录第三天线和第四天线接收到测向信号的时间信息；利用第三天线和第四天线的位置信息、第三天线和第四天线接收到测向信号的时间信息来获得第二双曲线；以及根据第一双曲线和第二双曲线的渐进线的交点获得待测向装置的位置。
本发明公开的利用多个多天线基站测量目标方向的定位方法，通过在基站中设置多个天线，检测测向信号到达多个天线的时间差，利用所述到达时间差信息和多个天线的位置信息获得与所述基站对应的渐近线，并利用所述渐近线表征目标装置的所处方向。通过多个不同位置的基站利用上述方法可以获得与所述基站分别对应的多条渐近线，计算多条渐近线的交点的位置信息，并利用所述交点的位置信息表征所述待定位装置的所处位置。在本发明公开的定位方案中，所述多个定位基站间不需要进行同步处理，最大程度地降低定位***的复杂度和成本，避免了同步过程中带来的误差影响，提高对目标装置的定位精度。。
附图说明
图1给出依据本发明一种实施例的利用多天线基站测量目标方向的***100的示意图；
图2给出一种利用双天线基站测量的信号到达时间差获得的双曲面示意图；
图3给出图2所示的双曲面与水平面相交获得的双曲线的示意图；
图4给出依据本发明一种实施例的利用多个多天线基站测量目标方向的定位***400的示意图；
图5给出依据本发明一种实施例的利用多天线基站测量目标方向的方法500的流程图；
图6给出依据本发明一种实施例的利用多个多天线基站测量目标方向的定位方法600的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“连接”到另一元件时，它可以是直接连接或连接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1给出依据本发明一种实施例的利用多天线基站测量目标方向的***100的示意图。所述测向***100示例性地包括具有多个天线的测向基站BS以及待测向装置MS，在图1所示实施例中，具有多个天线的测向基站BS示意为具有两个天线，分别为第一天线A1和第二天线A2，所述第一天线A1和第二天线A2具有已知的位置信息。在图1所示实施例中，所述第一天线A1和第二天线A2位于同一测向基站BS中，以减少测向基站个数，免除定位基站之间的同步过程。然而本领域技术人员应当理解，在一个实施例中，所述第一天线A1和第二天线A2也可以处于不同的测向基站中独立运行。
其中，待测向装置MS向测向基站BS发送测向信号，测向基站BS接收所述测向信号，并记录测向信号到达第一天线A1和第二天线A2的时间差，测向***100利用所述时间差以及测向基站BS的第一天线A1和第二天线A2的位置信息实现对待测向装置MS所处方向的测量。
又在一个实施例中，由测向基站BS经由第一天线A1和第二天线A2分别向待测向装置MS发射具有已知时序关系的两路测向信号，待测向装置MS接收两路测向信号，并记录其到达自身的时间差，测向***100利用所述时间差、发射两路测向信号的时序关系以及测向基站BS的第一天线A1和第二天线A2的位置信息实现对待测向装置MS所处方向的测量。
图2给出一种利用双天线基站测量的信号到达时间差获得的双曲面示意图。本领域技术人员知晓，当测向基站BS与待测向装置MS在同一水平面时，在获得待测向装置MS发送的测向信号到达测向基站BS的两个天线的到达时间差时，可以得到待测向装置MS的位置在以测向基站BS的两个天线为焦点的一支双曲线上。当测向基站BS与待测向装置MS不在同一水平面时，就会得到以测向基站BS的两个天线为焦点的一支单叶双曲面，它是当测向基站BS与待测向装置MS在同一水平面时，得到的以测向基站BS的两个天线为焦点的一支双曲线绕两个焦点所确定的直线旋转而得到的。在一个实施例中，所述待测向装置MS具有先验信息，例如，待测向装置MS为人员，且发射测向信号的装置为手环装置，佩戴在所述人员的手腕处，可以预测待定位装置MS的高度信息。如图2所示，处于某一高度的水平面与获得的双曲面相交又可获得一双曲线，所述待定位装置MS位于获得的双曲线上。又在一个实施例中，所述待测向装置MS的先验信息还包括待测向装置MS可能出现的区域，例如，所述测向基站BS架设在待测向区域的边界墙面，待测向装置MS只可能出现在测向基站BS的一侧，可以利用所述先验信息进一步限定待测向装置MS的方向。
图3给出图2所示的双曲面与水平面相交获得的双曲线的示意图。本领域技术人员知晓，双曲线存在渐近线，即双曲线上的一点沿着双曲线趋于无穷远时，该点与某条直线的距离趋于零，则此条直线为所述双曲线的渐近线。所述渐近线可以根据测向信号的两个天线的位置信息以及待测向装置MS发送的测向信号到达测向基站BS的两个天线的到达时间差获得。当待测向装置MS距离测向基站BS较远时，可以将所述渐近线的方向作为待测向装置MS的方向的估计值。
图4给出依据本发明一种实施例的利用多个多天线基站测量目标方向的定位***400的示意图。所述定位***400包括至少两个具有多个天线的基站以及待定位装置MS，如图4所示，所述定位***400示例性地包括定位基站BS1和定位基站BS2以及待定位装置MS。其中，定位基站BS1和BS2分别与待定位装置MS采用图1-图3所揭示的测向方法测量待定位装置MS的方向。定位基站BS1和待定位装置MS采用图1-图3所揭示的方法获得第一渐近线，定位基站BS2和待定位装置MS采用图1-图3所揭示的方法获得第二渐近线，所述第一渐近线和第二渐近线的交点，即为待定位装置MS的所处位置。
图5给出依据本发明一种实施例的利用多天线基站测量目标方向的方法500的流程图。所述利用多天线基站测量目标方向的方法500包括如下步骤：
步骤501：发射测向信号；
步骤502：接收并记录测向信号的到达时间差信息；
步骤503：利用记录的到达时间差信息和多个天线的位置信息获得与所述基站对应的渐近线；
步骤504：利用所述渐近线表征待测向装置的所处方向。
图6给出依据本发明一种实施例的利用多个多天线基站测量目标方向的定位方法600的流程图。所述利用多个多天线基站测量目标方向的定位方法600包括如下步骤：
步骤601：令至少两个定位基站利用多天线基站测量目标方向的方法500获得与各基站分别对应的第一渐近线和第二渐近线；
步骤602：计算所述第一渐近线和第二渐近线的交点的位置信息；
步骤603：利用所述第一渐近线和第二渐近线的交点的位置信息表征所述待定位装置的所处位置。
本发明公开的利用多个多天线基站测量目标方向的定位方法，通过在基站中设置多个天线，检测测向信号到达多个天线的时间差，利用所述到达时间差信息和多个天线的位置信息获得与所述基站对应的渐近线，并利用所述渐近线表征目标装置的所处方向。通过多个不同位置的基站利用上述方法可以获得与所述基站分别对应的多条渐近线，计算多条渐近线的交点的位置信息，并利用所述交点的位置信息表征所述待定位装置的所处位置。在本发明公开的定位方案中，所述多个定位基站间不需要进行同步处理，最大程度地降低定位***的复杂度和成本，避免了同步过程中带来的误差影响，提高对目标装置的定位精度。
如以上所提到的，虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多改变。由此，本发明的范围不由优选实施例的公开所限制。而是，应当完全参考随后的权利要求来确定本发明。
Claims (10)
1.一种测向***，包括：
第一天线、第二天线和待测向装置；
其中，待测向装置向第一天线和第二天线发射测向信号，第一天线和第二天线分别接收测向信号且测向***记录测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息，且其中，测向***根据第一天线和第二天线的位置信息、测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息得到双曲线，并根据双曲线的渐进线获得待测向装置的方向。
2.一种测向***，包括：
第一天线、第二天线和待测向装置；
其中，第一天线和第二天线分别向待测向装置发射测向信号，待测向装置接收来自第一天线和第二天线的测向信号且记录来自第一天线和第二天线的测向信号到达自身的时间信息，且其中，测向***根据第一天线和第二天线的位置信息、来自第一天线和第二天线的测向信号到达待测向装置的时间信息得到双曲线，并根据双曲线的渐进线获得待测向装置的方向。
3.如权利要求1至2中任意一项所述的测向***，其中，当第一天线和第二天线与待测向装置不在同一水平面时，测向***根据第一天线和第二天线的位置信息、测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息以及待测向装置已知的高度信息得到双曲线。
4.一种测向方法，包括：
利用第一天线和第二天线向待测向装置发射测向信号；
记录待测向装置接收到来自第一天线和第二天线的测向信号的时间信息；
利用第一天线和第二天线的位置信息、来自第一天线和第二天线的测向信号到达待测向装置的时间信息来获得双曲线；以及
根据双曲线的渐进线来获得待测向装置的方向。
5.一种测向方法，包括：
利用待测向装置向第一天线和第二天线发射测向信号；
记录第一天线和第二天线分别接收到来自待测向装置的测向信号的时间信息；
利用第一天线和第二天线的位置信息、第一天线和第二天线接收到测向信号的时间信息来获得双曲线；以及
根据双曲线的渐进线来获得待测向装置的方向。
6.一种定位***，包括：
第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和待测向装置；
其中，待测向装置向第一天线和第二天线发射测向信号，第一天线和第二天线分别接收测向信号且定位***记录测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息，且其中，定位***根据第一天线和第二天线的位置信息、测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息得到第一双曲线；
且其中，待测向装置向第三天线和第四天线发射测向信号，第三天线和第四天线分别接收测向信号且定位***记录测向信号到达第三天线和第四天线的时间信息，且其中，定位***根据第三天线和第四天线的位置信息、测向信号到达第三天线和第四天线的时间信息得到第二双曲线；以及
且其中，定位***根据第一双曲线和第二双曲线的渐进线交点获得待测向装置的位置。
7.一种定位***，包括：
第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和待测向装置；
其中，第一天线和第二天线向待测向装置发射测向信号，待测向装置分别接收来自第一天线和第二天线的测向信号并记录测向信号到达自身的时间信息，且其中，定位***根据第一天线和第二天线的位置信息、来自第一天线和第二天线的测向信号到达待测向装置的时间信息得到第一双曲线；
且其中，第三天线和第四天线向待测向装置发射测向信号，待测向装置分别接收来自第三天线和第四天线的测向信号并记录测向信号到达自身的时间信息，且其中，定位***根据第三天线和第四天线的位置信息、来自第三天线和第四天线的测向信号到达待测向装置的时间信息得到第二双曲线；以及
且其中，定位***根据第一双曲线和第二双曲线的渐进线交点获得待测向装置的位置。
8.如权利要求6或7所述的测向***，其中，当第一天线和第二天线与待测向装置不在同一水平面时，测向***根据第一天线和第二天线的位置信息、测向信号到达第一天线和第二天线的时间信息以及待测向装置已知的高度信息得到双曲线；以及当第三天线和第四天线与待测向装置不在同一水平面时，测向***根据第三天线和第四天线的位置信息、测向信号到达第三天线和第四天线的时间信息以及待测向装置已知的高度信息得到双曲线。
9.一种定位方法，包括：
利用第一天线和第二天线向待测向装置发射测向信号；
记录待测向装置接收到来自第一天线和第二天线的测向信号的时间信息；
利用第一天线和第二天线的位置信息、来自第一天线和第二天线的测向信号到达待测向装置的时间信息来获得第一双曲线；
利用第三天线和第四天线向待测向装置发射测向信号；
记录待测向装置接收到来自第三天线和第四天线的测向信号的时间信息；
利用第三天线和第四天线的位置信息、来自第三天线和第四天线的测向信号到达待测向装置的时间信息来获得第二双曲线；以及
根据第一双曲线和第二双曲线的渐进线的交点获得待测向装置的位置。
10.一种定位方法，包括：
利用待测向装置向第一天线和第二天线发射测向信号；
记录第一天线和第二天线分别接收到测向信号的时间信息；
利用第一天线和第二天线的位置信息、第一天线和第二天线接收到测向信号的时间信息来获得第一双曲线；
利用待测向装置向第三天线和第四天线发射测向信号；
记录第三天线和第四天线接收到测向信号的时间信息；
利用第三天线和第四天线的位置信息、第三天线和第四天线接收到测向信号的时间信息来获得第二双曲线；以及
根据第一双曲线和第二双曲线的渐进线的交点获得待测向装置的位置。
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