用于空间定位的UWB天线阵列布局方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
用于空间定位的UWB天线阵列布局方法


[0001]本专利技术属于无线定位通信
，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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]本专利技术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。
[0004]本专利技术的技术解决方案是：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。
[0005]（b）UWB天线阵列采用PDOA相位差原理测量信号方向。
[0006]（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。
[0007]（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。
[0008]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。
[0009]本专利技术的优点是：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。
[0010]下面将结合实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。
附图说明
[0011]图1是基站与天线通信示意图。
[0012]图2是天线对测角的示意图。
[0013]图3是一个天线对的电路组成示意图。
[0014]图4是天线阵列几何排布拓扑示意图。
具体实施方式
[0015]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。
[0016]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。
[0017]（2）UWB天线阵列采用PDOA相位差原理测量信号方向。
[0018]（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。
[0019]（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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]参见图4，天线阵列排布：在本专利技术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。本专利技术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。
[0025]上面描述，只是本专利技术的具体实施方式，各种举例说明不对本专利技术的实质内容构成限制。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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&l...

【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：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，
类型：发明
国别省市：