[發明專利]一種基于單基站的定位系統及方法

有效

• 申請號: 201811489672.8
• 申請日: 2018-12-06
• 公開（公告）號: CN109597027B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 沈淵;王天宇;戈鋒
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02;H04W4/029
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩;吳歡燕

1.一種基于單基站的定位系統，其特征在于，包括基站和標簽，所述基站包括定位模塊和陣列天線，所述定位模塊和所述陣列天線連接，其中：

所述標簽用于收發無線信號，實現與所述基站的信息交互；

所述陣列天線用于根據測距測相算法獲取所述標簽到所述陣列天線的測量距離和信號相位，其中所述陣列天線的數量大于等于三，所述陣列天線的位置不共線，相鄰陣列天線之間的間距為預設值；

所述定位模塊用于基于給定誤差準則，根據所述信號相位獲取所述標簽相對于所述基站的角度信息，并根據所述角度信息和所述測量距離獲取所述標簽相對于所述基站的位置；

其中，每個所述陣列天線之間的間距大于所述信號的半波長；

所述基于給定誤差準則，根據所述信號相位獲取所述標簽相對于基站的角度信息，具體包括：

若進行二維定位，基于給定誤差準則構建第一待優化目標函數，根據第一優化問題最小化所述第一待優化目標函數，得到所述標簽相對于所述基站的方位角，其中，θ為所述方位角，F₁為所述第一待優化目標函數，為所述基站處的相位參考值；

若進行三維定位，基于給定誤差準則構建第二待優化目標函數，根據第二優化問題最小化所述第二待優化目標函數，得到所述標簽相對于所述基站的方位角和仰角，其中，θ為所述方位角，β為所述仰角，F₂為所述第二待優化目標函數，為基站處的相位參考值；

所述基站還包括慣性導航模塊，所述慣性導航模塊用于根據慣性導航數據對所述角度信息進行修正，其中所述慣性導航數據是所述慣性導航模塊通過記錄基站運動和姿態得到的；

所述基站還包括：修正模塊，用于記錄起始信號的信道脈沖響應，獲取所述起始信號的統計特性和測距誤差，所述統計特性包括測距方差和信道脈沖響應序列的峰度；將所述統計特性和所述測距誤差進行二維擬合，根據擬合結果對所述測量距離進行修正。

2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括時鐘同步模塊，所述時鐘同步模塊置于所述定位模塊中，用于實現所述定位模塊的時鐘同步。

3.一種基于權利要求1-2任一項所述系統的方法，其特征在于，包括：

根據測距測相算法獲取標簽到陣列天線的測量距離和信號相位；

基于給定誤差準則，根據所述信號相位獲取所述標簽相對于基站的角度信息；

根據所述角度信息和所述測量距離獲取所述標簽相對于所述基站的位置；

所述基于給定誤差準則，根據所述信號相位獲取所述標簽相對于基站的角度信息，具體包括：

若進行二維定位，基于給定誤差準則構建第一待優化目標函數，根據第一優化問題最小化所述第一待優化目標函數，得到所述標簽相對于所述基站的方位角，其中，θ為所述方位角，F₁為所述第一待優化目標函數，為所述基站處的相位參考值；

若進行三維定位，基于給定誤差準則構建第二待優化目標函數，根據第二優化問題最小化所述第二待優化目標函數，得到所述標簽相對于所述基站的方位角和仰角，其中，θ為所述方位角，β為所述仰角，F₂為所述第二待優化目標函數，為基站處的相位參考值；

所述最小化所述第二待優化目標函數，得到所述標簽相對于所述基站的方位角和仰角，具體包括：

根據第一優化問題最小化所述第一待優化目標函數F₁，得到所述標簽相對于所述基站的方位角θ；

將所述方位角θ代入所述第二待優化目標函數F₂中，根據優化問題最小化所述第二待優化目標函數F₂獲取所述仰角；

所述方法還包括：

獲取慣性導航數據，根據所述慣性導航數據對所述角度信息進行修正，其中所述慣性導航數據是通過記錄基站運動和姿態得到的；

所述方法還包括：

記錄所述起始信號的信道脈沖響應，獲取所述起始信號的統計特性和測距誤差，所述統計特性包括測距方差和信道脈沖響應序列的峰度；

將所述統計特性和所述測距誤差進行二維擬合，根據擬合結果對所述測量距離進行修正。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述根據測距測相算法獲取標簽到陣列天線的測量距離和信號相位，具體包括：

偵聽所述標簽發送的起始信號，獲取每個所述陣列天線接收到所述起始信號時的時間戳和信號相位；

任一陣列 天線向所述標簽發送返回信號，以供所述標簽接收到所述返回信號后向所述任一陣列 天線發送終止信號；

接收所述終止信號，獲取接收到所述終止信號的時間戳；

根據所述起始信號時的時間戳和所述終止信號的時間戳計算信號TOF，獲取所述標簽到所述陣列天線的測量距離。