[发明专利]基于天线阵列的二维平面定位方法

说明书

本发明公开了一种基于天线阵列的二维平面定位方法，主要解决现有天线阵列定位过程中因阵列不正交现象，影响定位准确性的问题。其技术方案是：首先将天线阵列产品至于产线的测试专用平台，使用全站仪建立标准坐标系和天线阵列载体真实坐标系；然后将被测终端置于平台的某个象限内，使用无线电测距和测角技术获取被测终端与天线阵列的测量距离、测量角；再使用坐标系旋转理论或椭圆拟合理论获取标准坐标系和天线阵列载体真实坐标系之间产生的不正交角；最后在定位算法解算中使用不正交角对终端位置信息进行校准，完成目标定位。本发明有效解决了使用天线阵列在二维平面定位时阵列存在的不正交问题，提高了定位精度，且容易实现，具有广泛适用性。

技术领域

本发明属于通信技术领域，进一步涉及定位技术，具体为一种基于天线阵列的二维平面定位方法，可用于室内定位基站。

背景技术

近年来，随着对室内定位的深入研究，定位技术逐步发展后出现了一系列的室内定位手段。例如，飞行时间TOF(time of flight)、时间差TDOA(time different ofarrival)、相位差PDOA(phase different of arrival)。由于时间差TDOA需要建立多个基站，且需要较大的物理距离部署，从而使得在某些应用场景中不适用；PDOA方案，可实现在一个基站上使用天线阵列，例如使用蓝牙天线阵列、ZigBee天线阵列、UWB超宽带天线阵列等对移动目标进行定位，且天线阵列之间的各个天线物理距离小于半波长即可，应用较为广泛。天线阵列在绝大多数室内定位方案中必不可少，目前室内定位技术中使用的天线阵列，均假定其是在理想条件下生产出来的完美天线阵列，即认为定位时使用的天线阵列是绝对互相垂直的，基于这种情况去获取最终定位结果。然而再精湛的生产工艺也不能保证数学上的完全垂直，天线阵列作为一种硬件产品，在其生产过程中一定会存在生产工艺带来的物理上x、y坐标轴的非完全垂直，即不正交，这个角定义为不正交角。因不正交的问题造成二维平面定位时精度下降。

清华大学提出了一种基于天线阵列的定位方法及系统，申请号为201810311606.5，通过将TOA算法和TDOA进行融合作为融合算法对目标物体先进行测距，再根据测距结果对目标物体进行定位，虽然使用该融合算法获取到的距离集合的精确度有所提高，但根据该方案定位的移动目标坐标位置，由于没有考虑到二维平面定位时坐标系不正交角带来的误差，定位结果的准确性有所降低。在天津大学提出的申请号为201710156453.7，名称为一种基于AOA和PDOA的阵列天线室内定位算法中，利用AOA估计方法来计算两条信号的到达角度，利用PDOA估计方法来计算两条信号的传播距离，同样也是忽略了二维平面定位时的不正交角问题。这两篇文献使用了天线阵列对移动目标进行定位，但对于不正交问题的处理均未提及。

现有采用阵列天线获取移动目标坐标位置的技术方案中，由于定位过程叠加了上述不正交角引入的误差，没有在二维平面定位时针对该不正交角进行有效处理，从而影响定位的准确性。

发明内容

本发明目的在于针对以上现有技术的不足，提供一种基于天线阵列的二维平面定位方法；解决由于现有天线阵列定位方案中存在不正交角，引入误差导致定位不准的问题。本发明通过对天线阵列硬件模型的重构，采用数学计算实现不正交角的标定，在实际应用场景中对定位过程使用该不正交角进行补偿，从而有效提高定位精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)使用高精度激光全站仪在标定环境中建立一个标准二维坐标系xoy；

(2)将PCB板中三个射频RF单元的天线顶端相位中分别置于坐标系的x轴、原点o以及y轴上；其中，第一射频RF1单元位于x轴上，第二射频RF2单元位于原点o，第三射频RF3单元心位于y轴上；

(3)在标准二维坐标系xoy的基础上再构建一个硬件真实二维坐标系xoy'，令第一射频RF1单元依然位于x轴上、第二射频RF2单元依然位于坐标原点o，第三射频RF3单元位于y'轴；