一种封闭空间下跨区域共享UWB基站、定位系统及定位方法

摘要

本发明公开了一种封闭空间下跨区域共享UWB基站、定位系统及定位方法，所述UWB基站连接多个信号收发天线，所述信号收发天线直接与UWB基站连接或通过穿墙电缆穿过墙壁安装于相邻的另一区域，相邻区域共用一个UWB基站。采用单基站多天线法安装UWB基站，相邻封闭区域共享同一基站，保证定位精度同时减少所需基站数量，降低成本；通过穿墙电缆将信号收发天线安装到与基站所在封闭区域相邻的封闭区域，解决了UWB信号穿墙衰减大的问题；不需精准安装天线角度或其他辅助测量设备，定位准确度高；通过定位标签强相关基站判定法判定标签所在封闭区域的编号，方法简单，并利用TOF等算法进行进一步准确定位，具有高可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及室内定位和通信技术领域，具体地说是一种封闭空间下跨区域共享UWB基站、定位系统及定位方法。

背景技术

UWB室内定位采用一种无线载波通信技术，即不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，具有定位精度高、数据传输快、多径分辨率强、功耗低等优势。

按照美国联邦通信委员会FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB技术所使用的频率范围，频谱250MHz到3GHz的电磁波能有效地穿透大多数建筑材料，但随着频率增高，3.1GHz以上的电磁波信号穿过墙体的衰减很大，因此UWB定位系统穿墙能力很差。目前，主流定位算法TOF、TDOA、AOA等利用标签与多个基站之间的通信测距和时间差来实现标签定位。但由于UWB信号穿透墙壁衰减很大，尤其是内部有钢筋的墙壁或货仓壁，只能通过增设基站数量来达到定位精度要求；一般情况下，为了达到定位精度要求，每个封闭区域内应至少布置三个以上UWB基站，这就导致相同面积下定位系统成本增加、UWB定位系统使用场景局限性增加。基于单基站多天线的AOA定位算法利用标签与同一基站的不同天线通信测得的角度来实现标签定位，可减少基站数量，但当前AOA算法对信号角度的测量精度要求较高，准确测量信号角度非常困难，且对信号遮挡比较敏感，实际应用难度较大且定位误差相对较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种封闭空间下跨区域共享UWB基站、定位系统及定位方法，通过对UWB基站的设计使相邻封闭区域共用一个UWB基站且UWB信号穿墙无衰减，大大减少UWB基站数量，降低了定位系统成本；不需要精准地安装天线角度或其他辅助测量设备，不会因角度测量带来误差，实际应用难度小，定位准确度高。

本发明采用的技术方案是：

一种封闭空间下跨区域共享UWB基站，所述UWB基站连接多个信号收发天线，所述信号收发天线直接与UWB基站连接或通过穿墙电缆穿过墙壁安装于相邻的另一区域，相邻区域共用一个UWB基站。

UWB基站通过连接安装于相邻区域的多个信号收发天线可以接收相邻的多个封闭区域内的UWB信号，实现多个封闭区域共享一个UWB基站，大大减少了需要安装的UWB基站数量，降低成本；穿墙电缆可将信号收发天线接收的信号无衰减的传输给UWB基站，解决了UWB信号穿墙强度大幅衰减的问题，提高定位准确性。

本发明还提供一种封闭空间下跨区域共享UWB基站的定位系统，包括定位标签、与所述定位标签连接的数个如上述所述的UWB基站、与所述UWB基站连接的数据处理系统，所述定位标签固定于需要定位的可移动物体上，并向UWB基站发送UWB信号；所述封闭空间划分为多个封闭区域，每个封闭区域安装至少三个信号收发天线，相邻的每个封闭区域内的一个信号收发天线通过穿墙电缆或直接与同一个UWB基站连接；所述UWB基站通过信号收发天线接收所述UWB信号并传输给数据处理系统，所述数据处理系统对接收到的UWB信号进行分析并定位。所述定位标签与UWB基站之间的连接方式为通信连接，所述UWB基站与数据处理系统之间的连接方式为网线连接。

优选地，所述定位系统还包括时钟分配器，所述时钟分配器分别与UWB基站、数据处理系统有线连接，使定位系统中所有基站的时钟保持同步，提高定位的准确性。

优选地，所述数据处理系统包括依次连接的数据传输单元、定位标签所在封闭区域判定单元和封闭区域内定位标签的位置计算单元。所述数据传输单元用于传输时间、距离等数据信号，所述定位标签所在封闭区域判定单元用于初步判定标签所在的封闭区域，所述封闭区域内定位标签的位置计算单元用于计算定位标签在该封闭区域内的具体位置。

本发明还提供一种如上述所述的封闭空间下跨区域共享UWB基站定位系统的定位方法，包括以下步骤：

S1、判定定位标签所在的封闭区域：对封闭空间内划分的所有封闭区域进行编号，将每个UWB基站按照与其连接的信号收发天线所安装的封闭区域编号进行标注；当定位标签发出UWB信号，并被多个UWB基站接收到时，则判定此多个UWB基站的标注中编号出现次数最多的封闭区域为定位标签所在的区域；本发明将这种判定定位标签所在封闭区域位置的方法称为定位标签强相关基站判定法；

S2、封闭区域内定位标签的位置计算：判定出定位标签所在的封闭区域后，通过TDOA定位算法、TOF定位算法或TOA定位算法计算定位标签在该区域内的具体位置。

本发明所提供的一种封闭空间下跨区域共享UWB基站、定位系统及定位方法，

1、采用单基站多天线方法安装UWB定位基站，使相邻封闭区域共享同一个基站，与传统的单基站单天线定位系统相比，在保证单个封闭区域内定位精度前提下，减少了多封闭区域环境下所需要布置的基站数量，降低了定位系统成本；

2、通过穿墙电缆将信号收发天线安装到与基站所在封闭区域相邻的封闭区域，解决了UWB信号穿墙衰减大的问题，特别是内部有钢筋的墙壁或货仓壁；

3、与传统的单基站多天线通过测量基站与移动标签距离和角度来定位的方法(AOA定位算法)相比，不需要精准地安装天线角度或其他辅助测量设备，不会因角度测量带来误差，实际应用难度较小，定位准确度高；

4、本发明通过定位标签强相关基站判定法判定标签所在封闭区域的编号，不需要其它复杂算法，方法简单；并进一步利用TOF、TDOA或TOA算法对定位标签在该封闭区域内进行准确定位，具有高可靠性。

附图说明

图1为实施例1中UWB基站的结构示意图；

图2为在一字形墙安装的UWB基站的结构示意图；

图3为在T字形墙安装的UWB基站的结构示意图；

图4为在十字形墙安装的UWB基站的结构示意图；

图5为实施例2提供的一种封闭空间下跨区域共享UWB基站的定位系统的结构示意图；

图6为传统的UWB基站定位系统的结构示意图；

图7为带有时钟分配器的本发明的封闭空间下跨区域共享UWB基站的定位系统的结构原理图；

图8为本发明的封闭空间下跨区域共享UWB基站的定位系统的原理框图。

附图标记：1、定位标签；2、UWB基站；3、信号收发天线；4、穿墙电缆；5、墙壁；51、一字形墙；52、T字形墙；53、十字形墙；6、数据处理系统；601、数据传输单元；602、定位标签所在封闭区域判定单元；603、封闭区域内定位标签的位置计算单元。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种封闭空间下跨区域共享UWB基站，如图1-4所示，所述UWB基站2连接多个信号收发天线3，所述信号收发天线3直接与UWB基站2连接或通过穿墙电缆4穿过墙壁安装于相邻的另一区域，相邻区域共用一个UWB基站2。

UWB基站2的一字形墙安装结构：如图2所示，一字形墙51将一封闭空间分隔为a、b两个封闭区域，当UWB基站2设于封闭区域b时，UWB基站2连接两个信号收发天线3，其中一个信号收发天线3通过穿墙电缆4穿过一字形墙51安装于一字形墙51的另一侧，即封闭区域a，用于接收封闭区域a的UWB信号并通过穿墙电缆4将信号无衰减的传输给UWB基站2，另一个信号收发天线3则直接与UWB基站2连接，用于接收封闭区域b的UWB信号并传输给UWB基站2；由此实现了一字形墙51两侧的a、b两个封闭区域共用一个UWB基站2，节省了一个UWB基站，且解决了信号穿墙强度大幅衰减的问题。

UWB基站2的T字形墙安装结构：如图3所示，T字形墙52将一封闭空间分隔为c、d、e三个封闭区域，当UWB基站2设于T字形墙52一侧时，以设于封闭区域d为例，UWB基站2连接三个信号收发天线3，其中一个信号收发天线3直接与UWB基站2连接，即安装于封闭区域d，用于接收封闭区域d的UWB信号并传输给UWB基站2，其他两个信号收发天线3分别穿过T字形墙52安装于封闭区域c、封闭区域e中，分别接收此两个区域的UWB信号并通过穿墙电缆4将信号无衰减的传输给UWB基站2，由此实现了T字形墙52分隔开的c、d、e三个封闭区域共用一个UWB基站2，节省了两个UWB基站，且解决了信号穿墙强度大幅衰减的问题。

UWB基站2的十字形墙安装结构：如图4所示，十字形墙53将一封闭空间分隔为f、g、h、i四个封闭区域，当UWB基站2设于十字形墙53一侧时，以设于封闭区域f为例，UWB基站2连接四个信号收发天线3，其中一个信号收发天线3直接与UWB基站2连接，即安装于封闭区域f，用于接收封闭区域f的UWB信号并传输给UWB基站2，其他三个信号收发天线3分别穿过十字形墙53安装于封闭区域g、封闭区域h、封闭区域i中，分别接收此三个区域的UWB信号并通过穿墙电缆4将信号无衰减的传输给UWB基站2，由此实现了十字形墙分隔开的四个封闭区域共用一个UWB基站2，节省了三个UWB基站，且解决了信号穿墙强度大幅衰减的问题。

实施例2

本实施例提供一种封闭空间下跨区域共享UWB基站的定位系统，如图5所示，包括定位标签1、与所述定位标签1连接的数个如实施例1所述的UWB基站2、与所述UWB基站2连接的数据处理系统，所述定位标签1固定于需要定位的可移动物体上，并向UWB基站2发送UWB信号；所述封闭空间通过墙壁5划分为多个封闭区域，每个封闭区域安装至少三个信号收发天线3，相邻的每个封闭区域内的一个信号收发天线3通过穿墙电缆4或直接与同一个UWB基站2连接；所述UWB基站2通过信号收发天线3接收所述UWB信号并传输给数据处理系统，所述数据处理系统对接收到的UWB信号进行分析并定位。所述定位标签1与UWB基站2之间的连接方式为通信连接，所述UWB基站2与数据处理系统之间的连接方式为网线连接。

下面根据图5对本实施例的定位系统进行具体阐述：

如图5所示，封闭空间通过墙壁划分为A、B、C、D、E五个方形封闭区域，A、B、C、D四个封闭区域组成田字形封闭区域，封闭区域E与B、D两个封闭区域相邻且位于其右侧；在本实施例中，为保证定位精度，减少因遮挡带来的定位误差，单个封闭区域布置四个UWB基站2。图6为采用传统的UWB基站定位系统，上述五个封闭区域中，每个区域需安装四个UWB基站，则需要安装基站的数量为4*5＝20个；图5为采用本发明实施例1提供的UWB基站的定位系统，利用穿墙电缆4使相邻封闭区域共享UWB基站2，假设采用一字形墙安装结构的UWB基站2(如图2)有X个；采用T字形墻安装结构的UWB基站2(如图3)有Y处；采用十字形墙安装结构的UWB基站2(如图4)有Z处；则需安装的UWB基站2数量为传统所需安装UWB基站数量减去采用本发明所节省的基站数量，即20-X-2Y-3Z；根据图6中封闭区域布局可知X＝5、Y＝1、Z＝1，由此得到需安装的UWB基站2数量为10个，与传统的定位系统相比，节省了一半的UWB基站安装量，大大降低了定位系统的成本。

UWB基站的布局如图5所示，通过多个封闭区域共用一个UWB基站2的方式保证每个封闭区域都有4个可利用的UWB基站2；封闭区域A内的四个角分别设有四个UWB基站2O

如图7所示，所述定位系统还包括时钟分配器，所述时钟分配器分别与UWB基站、数据处理系统通过同步时钟线有线连接，使系统中所有UWB基站的时钟保持同步。

如图8所示，所述数据处理系统6包括依次连接的数据传输单元601、定位标签所在封闭区域判定单元602和封闭区域内定位标签的位置计算单元603。所述数据传输单元601用于传输时间、距离等数据信号，所述定位标签所在封闭区域判定单元602用于初步判定定位标签所在的封闭区域，所述封闭区域内定位标签的位置计算单元603用于计算定位标签在该封闭区域内的具体位置。

实施例3

本实施例提供一种上述所述的封闭空间下跨区域共享UWB基站定位系统的定位方法，包括以下步骤：

S1、判定定位标签1所在的封闭区域：对封闭空间内划分的所有封闭区域进行编号，将每个UWB基站2按照与其连接的信号收发天线3所安装的封闭区域编号进行标注；当定位标签1发出UWB信号，并被多个UWB基站2接收到时，则判定此多个UWB基站2的标注中编号出现次数最多的封闭区域为定位标签1所在的区域；

S2、封闭区域内定位标签1的位置计算：判定出定位标签1所在的封闭区域后，通过TDOA定位算法、TOF定位算法或TOA定位算法计算定位标签1在该区域内的具体位置。

采用本发明的定位系统对定位标签1进行定位时，由于多个封闭区域共用一个UWB基站2，因此当多个UWB基站2接收到UWB信号时，需要首先判定发出信号的定位标签1所在的封闭区域；如图5所示，将五个封闭区域编号为A、B、C、D、E，并将每个UWB基站2按照与其连接的信号收发天线3所安装的封闭区域编号进行标注，即UWB基站O

在本实施例中，当大于四个UWB基站同时接收到同一个定位标签发出的信号时，则只选取信号强度最大的四个UWB基站进行定位标签所在封闭区域位置判定。本发明中，若每个封闭区域有N(N≥3)个UWB基站可利用，且当接收到同一个定位标签发出的信号的UWB基站数量大于N时，则只选取信号最强的N个UWB基站进行定位标签所在封闭区域位置判定，不需要其他复杂算法。

判定出定位标签1所在的封闭区域后，通过TDOA定位算法、TOF定位算法或TOA定位算法计算定位标签1在该区域内的具体位置。

以上对本发明所提供的一种封闭空间下跨区域共享UWB基站、定位系统及定位方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法和中心思想，所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。