阅读说明：本技术 基于aoa和tdoa的室内三维定位方法 (Indoor three-dimensional positioning method based on AOA and TDOA ) 是由 刘思平 于 2021-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于AOA和TDOA的室内三维定位方法,属于室内定位领域,具体包括按照预定位置设置TDOA基站和AOA基站；待测标签卡发送UWB信号；AOA基站接收到UWB信号,解析数据获得与待测标签卡的距离和Z轴与AOA基站和待测标签卡连线之间的角度；根据角度和距离,计算得到待测标签卡的位置点与AOA基站的高度差；根据高度差计算待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度；将三维空间中的时间差转为平面XOY上的时间差,并计算待测标签卡到达各TDOA基站的时间；根据TDOA原理和时间得到待测标签卡在XOY平面的二维坐标；根据二维坐标和待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度得到待测标签卡的空间坐标。通过本申请的处理方案,更加快速准确的传递信息。(The invention provides an indoor three-dimensional positioning method based on AOA and TDOA, which belongs to the field of indoor positioning and specifically comprises the steps of setting a TDOA base station and an AOA base station according to preset positions; the tag card to be tested sends UWB signals; the AOA base station receives the UWB signal, analyzes the data to obtain the distance between the AOA base station and the tag card to be detected and the angle between the Z axis and the connecting line of the AOA base station and the tag card to be detected; calculating to obtain the height difference between the position point of the tag card to be detected and the AOA base station according to the angle and the distance; calculating the height of the tag card to be tested relative to the plane XOY of the TDOA base station according to the height difference; converting the time difference in the three-dimensional space into the time difference on the plane XOY, and calculating the time of the tag card to be tested reaching each TDOA base station; obtaining a two-dimensional coordinate of the tag card to be detected on an XOY plane according to a TDOA principle and time; and obtaining the space coordinate of the tag card to be tested according to the two-dimensional coordinate and the height of the tag card to be tested relative to the plane XOY where the TDOA base station is located. Through the processing scheme of the application, the information is transmitted more quickly and accurately.)

基于AOA和TDOA的室内三维定位方法

技术领域

本发明涉及室内定位领域，具体涉及一种基于AOA和TDOA的室内三维 定位方法。

背景技术

在传统的AOA(Angle Of Arrival，到达角度)和TDOA(Time Difference OfArrival，到达时间差)三维定位，待测标签需同时发射无线射频信号和超声波 信号，基站接收信号后会记录信号到达时间，并根据信号不同速度计算出两点 间的距离。

由于待测标签同时发射两种信号，存在一定的时间差，且超声波信号的速 度的数量级与无线射频信号的速度数量级上差别太大，导致由速度计算距离 时，会不容易区分距离的变化。

发明内容

因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种有效防止不同信号 的速度差异带来的计算误差，可以更加快速准确的传递信息的基于AOA和 TDOA的室内三维定位方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于AOA和TDOA的室内三维定位 方法，包括：按照预定位置设置TDOA基站和AOA基站；待测标签卡发送UWB信号；AOA基站接收到UWB信号，解析数据获得与所述待测标签卡的 距离和Z轴与AOA基站和所述待测标签卡连线之间的角度；根据角度和距离， 计算得到所述待测标签卡的位置点与AOA基站的高度差；根据高度差计算所 述待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度；将三维空间中的时间 差转为平面XOY上的时间差，并计算所述待测标签卡到达各所述TDOA基站 的时间；根据TDOA原理和时间得到所述待测标签卡在XOY平面的二维坐标； 根据所述二维坐标和所述待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度 得到所述待测标签卡的空间坐标。

在其中一个实施例中，所述按照预定位置设置TDOA基站和AOA基站包 括：将三个TDOA基站设置在在同一水平面XOY上，AOA基站的双天线构 成的直线平行于Z轴，AOA基站的双天线之间的距离为半个波长。

在其中一个实施例中，所述将三维空间中的时间差转为平面XOY上的时 间差，并计算所述待测标签卡到达各所述TDOA基站的时间，包括：UWB信号 从所述待测标签卡到TDOA基站的时间为Tpa，已知高度h，将其转为时间为 T＝h/c，则平面时间T_p’a可根据T_pa和T计算得到，

与现有技术相比，本发明的优点在于：对标签节点和接收基站都要求采用 UWB信号进行无线传输，不需要考虑不同信号的速度得差异，且只需要通过 AOA获取一个角度信息，降低节点的运行功耗，实现低功耗，可有效防止不 同信号的速度差异带来的计算误差，可以更加快速准确的传递信息。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些 实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的实施例中基站和标签卡在三维空间内的部署示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本 说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实 施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另 外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不 同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是， 在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请 中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有 其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。 应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述 的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员 应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种 方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任 何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的 方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的 基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意 的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所 属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。

本申请实施例提供一种基于AOA和TDOA的室内三维定位方法，包括：

1)按照预定位置设置TDOA基站和AOA基站。

2)待测标签卡发送UWB(Ultra Wide Band，超宽带)信号。

3)AOA基站接收到UWB信号，解析数据获得与待测标签卡的距离和Z 轴与AOA基站和待测标签卡连线之间的角度。AOA基站解析数据获得角度α 和与标签卡P的距离d，距离d是由无线信号传播速度c乘以无线信号在空中 的传播时间得到，即d＝c*T_l。

4)根据角度和距离，计算得到待测标签卡的位置点与AOA基站的高度 差。高度差l＝cos(α)*d。

5)根据高度差计算待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度。 高度d＝z_a-高度差l。其中，z_a为AOA基站的Z坐标；待测标签卡的z坐标为 d。

6)将三维空间中的时间差转为平面XOY上的时间差，并计算待测标签 卡到达各TDOA基站的时间。在其中一个实施例中，将三维空间中的时间差 转为平面XOY上的时间差，并计算待测标签卡到达各TDOA基站的时间，包 括：UWB信号从待测标签卡到TDOA基站的时间为Tpa，已知高度h，将其转 为时间为T＝h/c，则平面时间T_p’a可根据T_pa和T计算得到，以 标签卡P到TDOA基站A的转化为例进行说明，标签卡到A基站的时间为Tpa， 已知高度h，将其转为时间为T＝h/c，则平面时间T_p’a可根据T_pa和T计算得到，同理可得到在XOY平面上标签卡到其他两个TDOA基站的时间。

7)根据TDOA原理和时间得到待测标签卡在XOY平面的二维坐标。根据 TDOA原理，可以得到如下方程组：

其中(x_i,y_i)(i＝1,2，3)为TDOA基站在XOY平面的二维坐标，(x,y)为待 测标签卡在XOY平面的二维坐标。

8)根据二维坐标和待测标签卡相对于TDOA基站所在平面XOY的高度 得到待测标签卡的空间坐标。根据第7步求得(x,y)和第5步求得z合并构成了 标签卡在空间中的坐标(x,y,z)。

如图1所示，在其中一个实施例中，将三个TDOA基站设置在在同一水 平面XOY上，AOA基站的双天线构成的直线平行于Z轴，AOA基站的双天 线之间的距离为半个波长。三个TDOA基站A、B、C在同一水平面XOY上， AOA基站的双天线a1和a2构成的直线平行于Z轴，AOA基站的双天线之间 的距离为半个波长λ/2，三维空间内待测标签卡的位置为P点，所有基站(TDOA基站和AOA基站)的三维坐标都已知。

上述基于AOA和TDOA的室内三维定位方法，对标签节点和接收基站都 要求采用UWB信号进行无线传输，不需要考虑不同信号的速度得差异，且只 需要通过AOA获取一个角度信息，降低节点的运行功耗，实现低功耗，可有 效防止不同信号的速度差异带来的计算误差，可以更加快速准确的传递信息。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变 化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以 权利要求的保护范围为准。