用于空间定位的UWB天线阵列布局方法与流程

用于空间定位的uwb天线阵列布局方法
技术领域
1.本发明属于无线定位通信技术领域，即用于空间定位的uwb天线阵列布局方法。具体涉及单基站空间定位的uwb天线阵列布局方法。


背景技术：

2.在现有技术中，uwb(ultra wide band)技术是一种利用亚纳秒级超窄脉冲的无载波通信技术。uwb定位是业界公认定位精度最高的无线电定位方式，但该技术此前并没有得到广泛应用，原因是昂贵的造价严重限制了其应用。传统uwb定位系统普遍采用tof/tdoa三角定位原理，每个区域至少需要3台基站才能完成平面定位。如果现场环境复杂，房间和隔断较多，所需基站数量很多。再加上uwb基站普遍单价较贵，uwb系统整体部署造价很昂贵，推广使用受到限制。


技术实现要素：

3.本发明目的是针对上述不足而提供一种成本可控、精度高的用于空间定位的uwb天线阵列布局方法，只要一台基站就可完成三维定位。
4.本发明的技术解决方案是：用于空间定位的uwb天线阵列布局方法，其特征在于步骤如下：（a）每个区域内设一个基站，基站内含有多个天线对组成的一组uwb天线阵列，通过uwb精确测量待定位标签到基站的距离l。
5.（b）uwb天线阵列采用pdoa相位差原理测量信号方向。
6.（c）计算出待定位标签发出的uwb信号相对基站的空间方向方位角；其中两个天线的间距d《，λ为uwb信号的波长，α为两个天线接收到同一个uwb信号的相位差。
7.（d）需要至少两对相互不平行的天线对测量到各自的
ø
，然后经过算法测出真正的空间角度，空间角度包括：方位角和俯仰角。
ø
是一对天线能测到的角度，需要至少两对相互不平行的天线对测量到各自的
ø
，然后经过算法测出真正的空间角度。空间角度包括：方位角和俯仰角2个角度。由八个天线组成的天线阵列拓扑，这种拓扑在高精度和低成本间有个很好的平衡。
8.优选天线阵列排布为八个uwb天线。天线阵列的设计和合理排布直接关系到系统的性能和成本。至少需要由三个天线组成的阵列才能测量出uwb信号相对基站的空间方向（方位角和俯仰角）。组成阵列的天线数量越多，能获得的原始数据越多，测量精度也越高，但电路板射频元器件成本也会直接升高。经过实际测试发现，当天线阵列由八个uwb天线组成且按照本专利所述拓扑排列时，精度很高且成本可控。
9.本发明的优点是：1、只要1台基站就可完成三维定位（或称单站定位），可以显著降低造价，高性能且成本可控。2、天线阵列排布为八个uwb天线时，精度很高且成本可控，满足
使用要求。
10.下面将结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。
附图说明
11.图1是基站与天线通信示意图。
12.图2是天线对测角的示意图。
13.图3是一个天线对的电路组成示意图。
14.图4是天线阵列几何排布拓扑示意图。
具体实施方式
15.参见图1-4，零部件名称如下：待定位标签1，基站2，控制器3，标签到基站的距离l，a天线4，b天线5，uwb信号鉴相器6，uwb天线7。
16.参见图1，用于空间定位的uwb天线阵列布局方法，其步骤如下：（1）每个区域内设一个基站2，基站2内含有多个天线对组成的一组uwb天线阵列，通过uwb精确测量待定位标签1到基站2的距离l。
17.（2）uwb天线阵列采用pdoa相位差原理测量信号方向。
18.（3）计算出待定位标签1发出的uwb信号相对基站2的空间方向方位角；其中两个天线的间距d《，λ为uwb信号的波长，α为两个天线接收到同一个uwb信号的相位差。
19.（4）需要至少两对相互不平行的天线阵列对测量到各自的
ø
，然后经过算法测出真正的空间角度，空间角度包括：方位角和俯仰角。
ø
是一对天线能测到的角度，需要至少两对相互不平行的天线对测量到各自的
ø
，然后经过算法测出真正的空间角度。空间角度包括：方位角和俯仰角2个角度。下面由八个uwb天线7组成的天线阵列拓扑，这种拓扑在高精度和低成本间有个很好的平衡。
20.参见图1，单站定位的原理：本基站2中含有一组uwb天线阵列，可以精确识别空间中待定位标签1广播uwb信号的方向，再通过uwb精确测量待定位标签1到基站2的距离l，一台基站就可以完成定位功能。
21.uwb天线阵列采用pdoa（phase difference of arrival）相位差原理测量信号方向。一个基站2内含有多个天线对组成的一组阵列，测量角度精度
±
5度内。
22.参见图2，是一个天线对测角的示意图，两个天线的间距d《（λ为uwb信号的波长）。通过测量天线对中两个天线接收到同一个uwb信号的相位差α，可以计算出角度。
ø
是一对天线对测角。
23.参见图3，是一个天线对的组合，经过算法推演，可以计算出标签1发出的uwb信号相对基站2的空间方向角度。
24.参见图4，天线阵列排布：在本发明uwb单基站定位系统中，uwb天线阵列的设计和
合理排布直接关系到系统的性能和成本。组成阵列的天线数量越多，虽然可能获得的原始数据也越多，但电路板射频元器件成本也会直接升高。本发明主要介绍一种成本可控、但精度很高的uwb天线阵列的排布设计。图4中每个黑色交点是一个uwb天线7，总共八个uwb天线7组成一个完整阵列。图4中所有实线长度完全相等，为一个固定值，是两个天线的间距d。实线两端的uwb天线7组成天线对，间距d《（λ为波长），用以求得所接收信号的唯一相位差和角度。总计有12条实线。图4中虚线有三种不同长度，但每条虚线的长度都》，用于提升分辨率，总计有16条虚线。天线阵列几何拓扑可以看成：中间是一个边长为d正方向，正方向每条边同时也是另一个边长为d的正三角形一条边。uwb天线阵列工作中心频率通常在4～8ghz。中心频率为f，根据电磁波工作中心频率f和工作波长λ的关系可以计算出uwb天线阵列的工作波长为：λ＝c/f，c表示电磁波在空间中的传播速度。间距d《，但在尺寸允许的情况下尽量靠近但略微小于，可以提高测角分辨力。
25.上面描述，只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制。


技术特征：
1.用于空间定位的uwb天线阵列布局方法，其特征在于步骤如下：（a）每个区域内设一个基站（2），基站（2）内含有多个天线对组成的一组uwb天线阵列，通过uwb精确测量待定位标签（1）到基站（2）的距离l；（b）uwb天线阵列采用pdoa相位差原理测量信号方向；（c）计算出待定位标签1发出的uwb信号相对基站2的空间方向方位角；其中两个天线的间距d<，λ为uwb信号的波长，α为两个天线接收到同一个uwb信号的相位差；是一对天线能测到的角度；（d）需要至少两对相互不平行的天线对测量到各自的
ø
，然后经过算法测出真正的空间角度，空间角度包括：方位角和俯仰角。2.按照权利要求1所述的用于空间定位的uwb天线阵列布局方法，其特征在于天线阵列排布为八个uwb天线（7）。

技术总结
本发明属于无线定位通信技术领域，即用于空间定位的UWB天线阵列布局方法。具体涉及单基站空间定位的UWB天线阵列布局方法。其步骤如下：每个区域内设一个基站，基站内含有多个天线对组成的一组UWB天线阵列，通过UWB精确测量待定位标签到基站的距离L。UWB天线阵列采用PDOA相位差原理测量信号方向。计算出待定位标签发出的UWB信号相对基站的空间方向方位角；其中两个天线的间距d<，λ为UWB信号的波长，α为两个天线接收到同一个UWB信号的相位差。只要1台基站就可完成三维定位（或称单站定位），可以显著降低造价，高性能且成本可控。高性能且成本可控。高性能且成本可控。


技术研发人员：孙冬 杜国光 魏可强 王启刚 杨杰 刘宇 张英祥 赵哲龙 都延星
受保护的技术使用者：国网吉林省电力有限公司通化供电公司 北京全迹科技有限公司
技术研发日：2022.08.29
技术公布日：2022/12/5