本發(fā)明涉及傳感測量領(lǐng)域和移動定位技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及基于多天線的全向射頻定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

近年來，出現(xiàn)多種用于局部和室內(nèi)定位的系統(tǒng)和算法。目前比較常用的局部定位方法有基于接收信號強度(Received Signal Strength,RSS)的定位方法基于到達(dá)角(Arrival of Angle,AoA)的定位方法，基于到達(dá)時間(Time Of Arrive,TOA)的定位方法和基于到達(dá)時間差(Time Differential Of Arrive,TDOA)的定位方法?；诮邮招盘枏姸鹊亩ㄎ环椒ǖ膬?yōu)勢在于硬件的低成本，因為絕大多數(shù)的建筑物里面裝有無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)以及多個AP(Access Point,AP)接入點，然而這種方法的定位精度低(大約數(shù)米)、復(fù)雜環(huán)境下不魯棒、以及人工標(biāo)定環(huán)境需要耗費大量時間。

利用基于TDOA/TOA的超聲波定位已經(jīng)有很長的歷史。相比于基于信號強度的定位，基于TOA的超聲波定位的精度更好(大約10厘米)，但是也存在測量量程短、方向性差、復(fù)雜環(huán)境下不穩(wěn)定等缺陷。同樣的，超聲波定位不具備空間中全向定位的能力。

基于TOA、TDOA、RSSI的方式都需要事先布置多個錨節(jié)點在空間中的不同位置、然后通過三邊測量、多邊測量、指紋匹配等方式來對目標(biāo)節(jié)點進(jìn)行定位；而且各個錨節(jié)點之間的距離必須足夠大、才能得到理想的精度。故錨節(jié)點一般都安裝在建筑物上，需要有基礎(chǔ)設(shè)施的支持。

基于AoA的方式一般是利用多個固定位置的接受天線陣列去檢測信號的信號的相位差，從而確定目標(biāo)的角度位置。一般天線陣列之間的間距都非常小(小于載波的半波長)，AoA錨節(jié)點具有體積小的特點，可以裝載在小型移動設(shè)備上，完成移動設(shè)備與目標(biāo)節(jié)點之間的相對定位

超寬帶(Ultra-Wide Band,UWB)技術(shù)具有工作距離遠(yuǎn)(可超過數(shù)百米)、高精度測距(可以達(dá)到10cm)的特性。同時，UWB是一種射頻信號，可以穿透障礙，達(dá)到超視距定位的功能。

為了提高對目標(biāo)的定位精度，而越來越多地采用射頻標(biāo)簽的方式，即利用信號特征匹配的方法。而這種射頻標(biāo)簽定位技術(shù)依賴于昂貴的專業(yè)設(shè)備，不利于推廣。

經(jīng)檢索

申請?zhí)枺?01010206570.8，名稱為“射頻標(biāo)簽定位系統(tǒng),用以執(zhí)行射頻標(biāo)簽定位方法”，該射頻定位系統(tǒng)包含一射頻標(biāo)簽、至少一讀取器及一后端服務(wù)器。射頻標(biāo)簽周期地發(fā)送多個具有不同原始信號強度的標(biāo)簽信號，且每一標(biāo)簽信號的原始信號強度決定一相對于射頻標(biāo)簽的收信邊界。讀取器用以讀取標(biāo)簽信號，并可被讀取器接收的標(biāo)簽信號為可接收信號。后端服務(wù)器依據(jù)可接收信號對應(yīng)的收信邊界決定該射頻標(biāo)簽相對于讀取器的可能位置范圍。

上述技術(shù)方案不能實現(xiàn)全向定位，且定位精度受目標(biāo)距離的影響。

申請?zhí)枺?00810148801.7，名稱為“射頻定位系統(tǒng)及方法”，用以定位一平面上的射頻裝置，能夠提供更加多樣化和準(zhǔn)確的定位功能。該射頻定位系統(tǒng)是利用射頻裝置在接收到一射頻訊號時會產(chǎn)生一響應(yīng)訊號的特性，來進(jìn)行定位。該射頻定位系統(tǒng)包含天線組、切換單元、射頻模塊及微控制單元。天線組包含復(fù)數(shù)個不同大小的天線。切換單元耦接至天線組。射頻模塊耦接至切換單元，用以產(chǎn)生該射頻訊號。微控制單元耦接于切換單元與射頻模塊，用以控制切換單元選取天線組的其中一天線，并控制射頻模塊產(chǎn)生該射頻訊號，以及根據(jù)使用該天線時能否接收到該響應(yīng)訊號來估測射頻裝置與該射頻定位系統(tǒng)的距離。

上述技術(shù)方案需要復(fù)雜的控制技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜，且定位精度不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于多天線的全向射頻定位系統(tǒng)及方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于多天線的全向射頻定位系統(tǒng)，包括：定位節(jié)點、錨節(jié)點以及信號處理模塊；所述錨節(jié)點接收所述定位節(jié)點發(fā)出的射頻信號，并生成多組原始射頻定位結(jié)果；所述信號處理模塊對錨節(jié)點的多組原始射頻定位結(jié)果進(jìn)行分析處理后得到定位節(jié)點的位置信息，所述位置信息即為最終的射頻定位結(jié)果。

優(yōu)選地，所述錨節(jié)點包括N組射頻接收單元，每組射頻接收單元中設(shè)置有至少一個射頻接收天線，所述射頻接收天線與射頻IC電連接，其中N為大于等于2的自然數(shù)。

優(yōu)選地，所述N組射頻接收單元中的每組射頻接收單元具有不同的位置和/或朝向，實現(xiàn)對定位節(jié)點的全向定位，每組射頻接收單元會根據(jù)定位節(jié)點發(fā)出的射頻信號生成一個原始射頻定位結(jié)果。

優(yōu)選地，所述信號處理模塊包括AoA算法模塊，數(shù)據(jù)濾波模塊以及加權(quán)融合模塊；

所述AoA算法模塊，用于分別計算定位節(jié)點與錨節(jié)點中每組射頻接收單元之間的到達(dá)角度，所述到達(dá)角度即原始射頻定位結(jié)果；

所述數(shù)據(jù)濾波模塊，用于根據(jù)錨節(jié)點中的N組射頻接收單元在接收定位節(jié)點發(fā)出的射頻信號時的射頻診斷信息，并對多組原始射頻定位結(jié)果進(jìn)行濾波處理；

所述加權(quán)融合模塊，用于根據(jù)錨節(jié)點中的N組射頻接收單元在接收定位節(jié)點發(fā)出的射頻信號時的射頻診斷信息計算出每組射頻接收單元的權(quán)重，并根據(jù)所述權(quán)重對N個原始射頻定位結(jié)果進(jìn)行加權(quán)融合，融合的結(jié)果即為最終的射頻定位結(jié)果。

優(yōu)選地，所述射頻診斷信息包括：RSSI、TOF。

優(yōu)選地，定位節(jié)點發(fā)射射頻信號采用的是UWB技術(shù)。

優(yōu)選地，每組射頻接收單元中包含有兩個射頻接收天線，所述射頻診斷信息還包括：射頻接收單元的兩個接收天線之間的信號強度差；射頻接收單元的FPRSSI和RSSI的差。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)濾波模塊的濾波策略若滿足如下任一條件，則濾除：

條件一：某組射頻接收單元兩個接收天線之間的信號強度差超過某給定閾值，則認(rèn)為該組射頻接收單元的AoA數(shù)據(jù)無效，濾掉該AoA數(shù)據(jù)；

條件二：某組射頻接收單元FPRSSI和RSSI的差值超過了給定閾值，則認(rèn)為該組射頻接收單元的AoA數(shù)據(jù)無效，濾掉該AoA數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述加權(quán)融合模塊的權(quán)值的確定策略滿足如下原則：

1)對于任兩組射頻接收單元，RSSI越大的一組AoA結(jié)果權(quán)重越大，當(dāng)兩組射頻接收單元RSSI差值超過給定閾值時，RSSI小的射頻接收單元的AoA結(jié)果權(quán)重為0；

2)對于任兩組射頻接收單元，TOF越小，則AoA結(jié)果權(quán)重越大；

3)對于任兩組射頻接收單元，接收天線之間的信號強度差越小的射頻接受單元的AoA結(jié)果權(quán)重越大；

4)對于任兩組射頻接收單元，F(xiàn)PRSSI和RSSI差值越小的那組射頻接收單元的AoA結(jié)果權(quán)重越大；

所述數(shù)據(jù)濾波模塊濾波策略還包括：對每組射頻接收單元進(jìn)行中值濾波，即：對該接收單元前n次AoA數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取中間值作為本次濾波后的AoA結(jié)果，n為正整數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于多天線的全向射頻定位方法，其特征在于，利用上述的基于多天線的全向射頻定位系統(tǒng)進(jìn)行定位。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明可以對定位節(jié)點進(jìn)行高精度的定位，且基于角度的定位精度不隨目標(biāo)距離的變化而變化。

2、本發(fā)明定位過程中，即使定位節(jié)點與錨節(jié)點之間存在遮擋也能進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

3、本發(fā)明中采用的射頻接收單元具備高精度非全向的特性，采用多個射頻接收單元組合的方式并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可以達(dá)到對目標(biāo)進(jìn)行全向高精度定位。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明提供的基于多天線的全向射頻定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為AoA示意圖；

圖3為基于雙天線陣列的AoA示意圖；

圖4為兩組射頻接受單元融合定位示意圖；

圖中：

10-定位節(jié)點；

11-錨節(jié)點；

12-射頻接收單元；

13-射頻接收天線；

14-射頻接收天線的朝向；

201-發(fā)射節(jié)點；

202-接收天線陣列；

301-信號發(fā)射節(jié)點；

302-第一接收天線；

303-第二接收天線；

401-定位節(jié)點的第一處位置；

402-錨節(jié)點位置；

403-第一射頻接收單元；

404-第二射頻接收單元；

405-吸波材料；

406-定位節(jié)點的第二處位置。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于多天線的全向射頻定位系統(tǒng)，包括：定位節(jié)點10、錨節(jié)點11以及信號處理模塊；所述錨節(jié)點11接收所述定位節(jié)點10發(fā)出的射頻信號，并生成多組原始射頻定位結(jié)果；所述信號處理模塊對錨節(jié)點11的多組原始射頻定位結(jié)果進(jìn)行分析處理后得到定位節(jié)點10的位置信息，所述位置信息即為最終的射頻定位結(jié)果。

所述錨節(jié)點11包括N組射頻接收單元，每組射頻接收單元中設(shè)置有至少一個射頻接收天線，所述射頻接收天線與射頻IC(Integrated Circuit)電連接(直接或者通過開關(guān)切換的方式連接在射頻IC上)，其中N為大于等于2的自然數(shù)。

所述N組射頻接收單元中的每組射頻接收單元具有不同的位置和/或朝向，實現(xiàn)對定位節(jié)點10的全向定位，每組射頻接收單元會根據(jù)定位節(jié)點10發(fā)出的射頻信號生成一個原始射頻定位結(jié)果。其中，原始射頻定位結(jié)果只有當(dāng)定位節(jié)點位于當(dāng)前射頻接受單元的工作區(qū)域范圍內(nèi)時才能達(dá)到設(shè)計的定位精度等級，其他區(qū)域內(nèi)定位精度相較而言較差或者無定位結(jié)果。單組的射頻接收單元的工作區(qū)域不是全向的，不具備全向高精度定位的能力。

所述信號處理模塊根據(jù)錨節(jié)點11中的N組射頻接收單元在接收定位節(jié)點10發(fā)出的射頻信號時的射頻診斷信息計算出每組射頻接收單元的權(quán)重，并根據(jù)所述權(quán)重對N個原始射頻定位結(jié)果進(jìn)行加權(quán)融合處理，融合后的結(jié)果即為最終的射頻定位結(jié)果。

所述射頻診斷信息包括：RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信號強度)、TOF(Time Of Flight，飛行時間)等。

所述原始射頻定位結(jié)果包括：每組射頻接收單元接收射頻信號的到達(dá)角度，也即定位節(jié)點10相對于錨節(jié)點11的角度。

所述定位節(jié)點10采用的射頻是UWB(Ultra-Wide Band,UWB，超寬帶技術(shù))。

優(yōu)選地，上述基于多天線的全向射頻定位系統(tǒng)的每組射頻接收單元中包含有兩個射頻接收天線，所述射頻診斷信息還包括：射頻接收單元的兩個接收天線的信號強度差、FPRSSI(First Path Received Signal Strength Indication,最短路徑接受信號強度)和RSSI的差。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明中的技術(shù)方案做更加詳細(xì)的說明。

由于AoA是一個包含定位節(jié)點10位置信息的信號參數(shù)，所以可以利用信號到達(dá)錨節(jié)點中某一接受單元的天線陣列的相位差計算出接受天線陣列和發(fā)射節(jié)點之間的夾角，如圖2所示，201表示發(fā)射節(jié)點，202表示接收天線陣列，圖中d表示發(fā)射節(jié)點與接收天線陣列的距離，α角度即為AoA。

更進(jìn)一步地，本發(fā)明的每組天線陣列包含兩根天線，如圖3所示。相鄰天線之間的信號到達(dá)相位延遲可以通過如下公式計算：

式中，τ為時間延遲，l相鄰天線的距離，α即為AoA，c為光速。

所以，若測得了天線陣列之間的到達(dá)相位差，就可以得到一組AoA結(jié)果：

如圖3中301表示信號發(fā)射節(jié)點，302表示第一接收天線，303表示第二接收天線，圖中l(wèi)表示第一接收天線與第二接收天線之間的距離。

如圖4所示，401表示定位節(jié)點的第一處位置,406表示定位節(jié)點的第二處位置，402表示錨節(jié)點的位置，403表示第一射頻接收單元，404表示第二射頻接收單元，405表示吸波材料。其中，吸波材料405置于第一射頻接收單元403與第二射頻接受單元404之間，射頻接受單元只在其朝向的180度工作范圍內(nèi)有較高的AoA定位精度。當(dāng)定位節(jié)點10位于定位節(jié)點第一處位置401時，第一射頻接受單元403朝向定位節(jié)點10，其AoA結(jié)果是準(zhǔn)確的，第二射頻接受單元404的AoA結(jié)果是不準(zhǔn)確的；當(dāng)定位節(jié)點10位于定位節(jié)點第二處位置406時，第二射頻接受單元404朝向定位節(jié)點10，其AoA結(jié)果準(zhǔn)確的，第一射頻接受單元403的AoA結(jié)果是不準(zhǔn)確的。如果定位節(jié)點10在定位節(jié)點第一處位置401發(fā)出射頻信號，所述的射頻信號到達(dá)第二射頻接受單元404之前，會先穿過第一射頻接受單元403，并受到吸波材料405的衰減。因此，可以比較第一射頻接受單元403與第二射頻接受單元404的TOF和RSSI，發(fā)現(xiàn)第一射頻接受單元403的TOF更小，RSSI更強，故其AoA結(jié)果的置信度/權(quán)重越高。

具體地，通過接收單元接收到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波。當(dāng)信號在傳輸過程中受到障礙物的臨界遮擋時(射頻傳播路徑上，給定的一組射頻接受單元的兩個天線只有一個被遮擋)，所述的兩個接受天線之間的信號強度會出現(xiàn)差值，此時計算出來的AoA結(jié)果極不準(zhǔn)確，需要被濾除；

具體地，通過接收單元接收到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波。信號在傳輸?shù)教炀€的過程中發(fā)生嚴(yán)重遮擋時，所述的FP_RSSI會小于所述RSS，而且遮擋越嚴(yán)重，差值越大，AoA數(shù)據(jù)也就越不可靠。所以在測量過程中，通過判斷兩個信號之間強度的差異大小，判斷信號的可靠性。當(dāng)差值超過一定閾值時，需要濾除數(shù)據(jù)。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。