基于阵列天线的室内定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于阵列天线的室内定位系统，涉及室内定位技术领域，本发明专利技术包括定位标签、定位基站和定位服务器，定位标签间歇性发送信号，信号包含标签ID信息，定位基站接收信号并解析定位标签的相对位置，将相对位置信息发送给定位服务器，定位服务器根据预设坐标计算定位标签的位置。本发明专利技术采用低成本阵列天线+蓝牙实现高精度室内定位，定位精度可达10cm，是纯蓝牙定位精度的10倍以上，系统整体部署成本与蓝牙定位相当，利用阵列天线的测角功能测量信号发射源的方位，结合阵列定位算法实现精确定位；利用蓝牙低成本、低功耗、普及性强等特点实现密集用户的辨识和低成本系统建设，市场前景巨大。

Indoor Positioning System Based on Array Antenna

【技术实现步骤摘要】
基于阵列天线的室内定位系统
本专利技术属于室内定位领域，涉及室内精确定位技术，具体是一种基于阵列天线的室内定位系统。
技术介绍
随着信息化、智能化的发展，越来越多的行业领域开始采用高精度室内定位技术来推动行业管理或服务升级。工业4.0需要室内精确定位技术提供精确的位置信息，室内的各类机器人需要精确的位置信息用于辅助导航或工作，机场、火车站等公共场所需要为乘客提供定位导航服务，引导乘客以最快时间到达登机口或检票口；商场商城需要方便简洁的获得顾客的地理位置信息，以提供基于位置的增值服务推送业务。而看守所、戒毒所等监所由于警情预警、人员追踪、轨迹分析、无陪同告警等的需要，也有对工作人员及受监人员的精确定位需求。目前的室内定位技术和产品的精度和成本难以满足市场的需求，主要原因有以下几点：(一)成本低的精度过低：如目前技术成熟价格便宜的蓝牙、WIFI、ZigBee等技术，定位精度3m～10m，不能满足实际精确定位的需求。同时，这些受环境因素影响大，定位精度不稳定，不能持续可靠提供有效的可信赖的定位服务；(二)精度高的成本高：相比WIFI、蓝牙这种精度太低只能做做导航类的技术，UWB定位体现了厘米级的高精度，但成本过高。像监所这种房间很多的场景，UWB基站数量需要随房间数成倍数增长。有过统计表明，一个5000人左右的监狱需要布置至少2000个基站，按8000元/基站计算，单基站成本就至少需要1600万元，这种成本的技术很难在监所普及。(三)现有的技术应用存在诸多限制：如RFID、UWB，其通信距离和用户容量受限，一般仅支持1m～10m范围内单个用户定位，不能满足公共场所人员密集场景的实际定位需求。已有的定位和区域管控技术主要基于RSSI强度测量和相位测量两种，具体的定位算法和方法主要包括DOA、TOA几种技术体制，根据载体和技术手段不同，室内定位的有以下六种类型：(1)基于RFID的室内定位RFID定位精度一般在3m量级，仅用于区域性定位。RFID定位常用频段有2.4GHz、900MHz、433MHz用于室内粗定位，实施方案是在室内部署大量RFID基站，定位客户端(一般是卡片或手环)发射ID信号，通过接收基站及信号强度确定客户端位置。为了提高定位精度，便边界更加明确，常常与125K激励器共同使用。由于RFID的专用性强，各家设备采用自定义通信协议，不同厂家设备不能互相通信，难以在整行业拓展。当客户端较多时，RFID标准未能给出有效的规避机制，容易发生拥塞，导致通信效率下降。这类方法目前比较常见，中国专利(授权公告号CN108074206A)基于RFID的校园监护方法、装置、服务器及系统采用的这种方法；(2)基于蓝牙beacon的定位方法蓝牙定位的精度与布设密集有关，精度一般在1m～10m之间。目前市场上已有较多的基于蓝牙的定位方法，主要手段是通过检测RSSI强度推算标签的距离，再通过多点联合测算出标签位置，其中中国专利(授权公告号CN201711238640.6)一种基于蓝牙的室内定位系统及方法就是采用这种方法，这种方法的缺陷是定位精度有限，RSSI强度容易受环境、人员移动、人体遮挡的影响，信号强度波动大，定位精度和稳定性差。如果要达到较高的定位精度，则需要部署高密度的基站；(3)基于WIFI的定位基于WIFI的定位与蓝牙基本相同，精度相当，一般在1m～10m，都是根据2.4G信号的强度确定标签或终端的位置，为保证准确性，通常会增加一些抗干扰或滤波的算法，中国专利(授权公告号CN108168563A)一种基于WiFi的大型商场室内定位导航方法采用这种方法，该方法与蓝牙存在同样的问题；(4)基于雷达阵列天线技术的定位雷达阵列天线具备测角功能，根据所测DOA角度，根据三角计算可以测得基站与终端之间的距离，但传统具有较高精度测角能力的阵列天线规模较大，成本高昂，目前未见产品应用；(5)基于UWB测距的定位UWB采用高频信号和TOA方法测量基站与终端的距离，定位精度较高，但UWB工作频率较高，容易被遮挡，信号衰减大，覆盖范围一般在10米以内，需要部署更多的基站，实施成本高；(6)基于led可见光定位基于可见光的定位是利用LED光调制测距码，根据传播时间延迟计算距离标签与基站的距离，再利用三个以上的基站测定位置。中国专利(授权公告号CN201810184130)一种室内LED可见光定位方法、系统及装置采用这种方法，LED可见光存在互相干扰、容易被遮挡，而且LED可见光标签无法上传输位置信息，需要另加微波发射器，结构复杂，成本较高，目前尚不具备工程应用性。现提供一种低成本、高精度、大容量、广兼容的基于阵列天线的室内定位系统，解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于阵列天线的室内定位系统，利用阵列天线的测角功能测量信号发射源的方位，结合阵列定位算法实现精确定位，利用蓝牙低成本、低功耗、普及性强等特点实现密集用户的辨识和低成本系统建设，为工业4.0、室内机器人、公共安全、室内导航等提供精确的室内位置信息。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：基于阵列天线的室内定位系统，包括定位标签、定位基站、定位服务器；其中，所述定位标签间歇性向定位基站发送标签信号，该标签信号内包含标签ID信息；所述定位基站接收标签信号并根据标签信号解析定位标签的相对位置，所述定位基站将相对位置信息传输到定位服务器，所述定位服务器用于根据预设坐标系和相对位置信息计算定位标签的位置；定位的核心是测定标签位置的方法，具体计算方法为：步骤一：定位基站采用阵列天线测量蓝牙标签与定位基站垂线之间的夹角，获取到夹角信息，夹角信息包括水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；步骤二：将夹角信息传送至定位服务器，定位服务器建立坐标系，并自动获取到定位基站的位置(x0,y0)；同时获取到定位基站与标签的之间的水平高度差，将该水平高度差标记为h；步骤三：根据定位基站的位置(x0,y0)和高度h计算标签的位置(x,y)：x＝h*tanθ+x0，y＝h*tanβ+y0。进一步地，其中，所述定位标签发送的标签信号为蓝牙或RFID信号，发送频率为100ms—5000ms一次，发射功率-4dBm—+4dBm。进一步地，所述定位基站包括阵列天线、定位模块、蓝牙解析模块、同步处理模块和通信模块；其中，所述阵列天线用于对标签信号进行接收、放大和滤波之后得到点频信号，并将点频信号传输到定位模块；所述阵列天线的设计采用矩形布阵，单元间距选为60cm，阵列天线实现选用贴片天线形式；阵列天线与蓝牙解析模块、定位模块通过PCB印刷一次成型加工制作；所述定位模块同时接收若干个阵列天线的点频信号，通过比较若干个天线单元接收信号时间差可以计算发射源即定位标签与阵列天线阵面之间的夹角信息；具体表现为：S1：通过排列成面阵的天线单元，获得信号源的二维角度信息，计算出水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；S2：将角度信息输出至同步模块，使用中，将阵列天线基站安装在天花板屋顶，已知其距离地面的高度；S3：根据高度与二维角度信息，可以测算出信号源的实际坐标，也就是信号源的地理位置信息；其中，蓝牙解析模块通过天线接收标签信号并解析标签ID信息，以区分多个标签，将标签ID信息传输到同步处理模块；其中，所述同步处理模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于阵列天线的室内定位系统，其特征在于，包括定位标签、定位基站、定位服务器；其中，所述定位标签间歇性向定位基站发送标签信号，该标签信号内包含标签ID信息；所述定位基站接收标签信号并根据标签信号解析定位标签的相对位置，所述定位基站将相对位置信息传输到定位服务器，所述定位服务器用于根据预设坐标系和相对位置信息计算定位标签的位置；定位的核心是测定标签位置的方法，具体计算方法为：步骤一：定位基站采用阵列天线测量蓝牙标签与定位基站垂线之间的夹角，获取到夹角信息，夹角信息包括水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；步骤二：将夹角信息传送至定位服务器，定位服务器建立坐标系，并自动获取到定位基站的位置(x0,y0)；同时获取到定位基站与标签的之间的水平高度差，将该水平高度差标记为h；步骤三：根据定位基站的位置(x0,y0)和高度h计算标签的位置(x,y)：x＝h*tanθ+x0，y＝h*tanβ+y0。

【技术特征摘要】
1.基于阵列天线的室内定位系统，其特征在于，包括定位标签、定位基站、定位服务器；其中，所述定位标签间歇性向定位基站发送标签信号，该标签信号内包含标签ID信息；所述定位基站接收标签信号并根据标签信号解析定位标签的相对位置，所述定位基站将相对位置信息传输到定位服务器，所述定位服务器用于根据预设坐标系和相对位置信息计算定位标签的位置；定位的核心是测定标签位置的方法，具体计算方法为：步骤一：定位基站采用阵列天线测量蓝牙标签与定位基站垂线之间的夹角，获取到夹角信息，夹角信息包括水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；步骤二：将夹角信息传送至定位服务器，定位服务器建立坐标系，并自动获取到定位基站的位置(x0,y0)；同时获取到定位基站与标签的之间的水平高度差，将该水平高度差标记为h；步骤三：根据定位基站的位置(x0,y0)和高度h计算标签的位置(x,y)：x＝h*tanθ+x0，y＝h*tanβ+y0。2.根据权利要求1所述的基于阵列天线的室内定位系统，其特征在于，其中，所述定位标签发送的标签信号为蓝牙或RFID信号，发送频率为100ms—5000ms一次，发射功率-4dBm—+4dBm。3.根据权利要求1所述的基于阵列天线的室内定位系统，其特征在于，所述定位基站包括阵列天线、定位模块、蓝牙解析模块、同步处理模块和通信模块；其中，所述阵列天线用于对标签信号进行接收、放大和滤波之后得到点频信号，并将点频信号传输到定位模块；所述阵列天线的设计采用矩形布阵，单元间距选为60cm，阵列天线实现选用贴片天线形式；阵列天线与蓝牙解析模块、定位模块通过PCB印刷一次成型加工制作；所述定位模块同时接收若干个阵列天线的点频信号，通过比较若干个天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振华，池凌鸿，章慧，郑生华，
申请(专利权)人：合肥学院，中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34