利用无线电定位的相对位置测量方法及测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种利用无线电定位的相对位置测量方法和测量装置，包括发射单元、接收单元，以及信号处理单元，通过记录各接收单元的位置、各接收单元的间距以及各接收单元与初始状态下发射单元的距离，提取各接收单元的接收信号解出相位信息。根据接收单元与发射单元的空间四边形几何关系，可求出所述发射单元相对于平台的位置。本发明解决了相位模糊问题，通过单一频率的发射信号即可实现移动点的方向和相对位置的测量；系统实现简单、可靠性高,受外界因素影响较小，可实时控制移动节点的移动距离和位置，可广泛应用于需要长期监测及预警系统中。
【专利说明】
利用无线电定位的相对位置测量方法及测量装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种确定相对位置的方法和装置，尤其涉及一种利用无线电定位的相 对位置测量方法及测量装置，属于无线定位领域。
【背景技术】
[0002] 现今，在一些需要长时间进行侦查、监督、通信、搜救、巡逻、航拍以及工业生产等 领域中，通常将移动节点（如系留接收节点、工业机器人手)安装在平台（包括地面车辆、船 舰、地面固定站、车间等)的线缆或可移动臂上。为了便于更好地对目标信息进行处理，获取 移动节点相对于平台的实时和精确的相对位置信息，对移动节点的控制如定点悬停、自动 收放等变得尤为重要。
[0003] 近年来，随着科学技术日新月异的发展，定位技术也得到迅猛的发展，对目标物体 的定位也越来越精确。现有应用较为广泛的定位技术，如GPS、北斗卫星导航、气压高度计、 光学定位以及无线定位等，这些方法设备成本很高，受外界环境影响较大，实现过程较为复 杂。而基于电磁波传播的无线定位技术，具备系统设备简单、功耗小、计算量和通信开销小、 稳定性好、受环境的干扰较小而且定位精确等优点，现已广泛应用于社会的各个领域中。
[0004] 目前，无线电定位技术主要根据测距原理的不同分为基于接收信号强度(RSSI)方 法，基于信号到达角度（A0A)方法，基于信号到达时间（T0A)方法，基于信号到达时间差 (TD0A)以及基于信号到达相位差(PD0A)方法等。其中RSSI易受环境因素影响，多径干扰严 重，定位精度低;而A0A能提供方位信息，却无法获得距离信息，因此不能得到精确的三维相 对位置关系;T0A的测距原理是通过测量电磁波传播的时间来进行测距，如果要求测距精度 较高，则需要其脉冲宽度很短或调制带宽很宽，系统实现难度很高，且需要基站和移动节点 间精确的时间同步；同样TD0A虽然放宽了基站和移动节点间的时间同步要求，但也存在测 距精度高的情况下系统实现难度高的问题;PD0A中若根据多站雷达测距原理，收发器测出 不同位置接收天线的两个信号，通过它们的相位差值，来计算信号传播的方向，但不具备测 距能力；若根据多频雷达测距原理，同一天线对不同发射固定频率的连续波产生的相位延 迟不同，通过解相位差来计算距离。两种方式均产生相位缠绕，需要较为复杂的相位解模糊 算法，而且需要发射和接收相距很近的若干点频信号，系统实现难度也很高。
[0005] 综上所述，在实际应用过程中，需要一种同时具有高精度、高可靠性和易于工程实 现的相对位置无线定位系统来解决移动节点相对于平台的实时和精确的相对位置信息。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的问题是提供一种易于实现的利用无线电定位的相对位置测量方 法及测量装置，解决相位缠绕问题，具有良好的定位精度。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种相对位置测量方法，其特征 在于：以任一点作为坐标原点建立三维坐标系，在被测物体上设置用于发射无线电信号的 发射单元，所述发射单元随被测物体移动，在同一 X0y平面或y〇z平面或X0Z平面上设置至少 3个接收单元或在空间中任意设置至少4个接收单元，所述接收单元用于接收无线电信号， 且至少3个接收单元不在同一条直线上，所述相对位置测量方法包括如下步骤：
[0008] 1)计算被测物体在初始位置时发射单元和各接收单元的坐标，以及发射单元与各 接收单元之间的初始距离；
[0009] 2)被测物体从初始位置移动后，对接收单元接收到的无线电接收信号采用解调测 相方法，计算t时刻无线电接收信号的相位值，以及由t-1时刻到t时刻的无线电接收信号的 相位变化值；
[0010] 3)根据公式
由所述相位变化值计算t-1时刻到t时刻发射单元与第 i个接收单元之间的距离变化值△ Ri,t，并结合发射单元与各接收单元之间的初始距离，计 算被测物体移动后发射单元与各接收单元之间的距离，其中为t_l时刻到t时刻的第i 个接收单元的无线电接收信号的相位变化值，A为无线电接收信号的波长，其中i>3;
[0011] 4)由所述各接收单元的坐标、所述被测物体移动后发射单元与各接收单元之间的 距离，计算被测物体移动后发射单元的坐标，得到移动后的被测物体的坐标；
[0012] 5)计算被须_体移动的相对距离。
[0013]上述技术方案中，所述的步骤2)中，所述解调测相方法为正交解调测相方法。
[0014]上述技术方案中，所述正交解调测相方法还包括相位校正方法，所述相位校正方 法包括：
[0015] 1)设置跳变门限a及相位校正值k;
[0016] 2)若无线电接收信号的相位变化的绝对值大于跳变门限，则根据相位校正值对相 位进行校正，且初始值k = 0,则t时刻第i个接收单元的无线电接收信号经校正后的相位值 为 2k^ + (Pi,r 若 |识m
[0017] j 2(灸 + 1) + 炉若 厂免& | ?，且供〈供;;_1; 、2(炎一1) + %' ,，若卜y.厂 4 |>【,：且~>
[0018] 其中，汽^为t-1时刻第i个接收单元接收到的无线电接收信号进行校正后的相位 校正值肩时刻第i个接收单元接收到的无线电接收信号的相位值，％为t时刻第i个接 收单元接收到的无线电接收信号进行校正后的相位校正值。
[0019] 本发明还提供了一种利用无线电定位的相对位置测量装置，其特征在于，包括发 射单元、接收单元，以及信号处理单元，其中：
[0020] 发射单元:所述发射单元用于发射无线电信号，所述发射单元设置于被测物体上， 且随被测物体移动；
[0021] 接收单元:所述接收单元用于接收所述无线电信号，所述接收单元为在同一xoy平 面或yoz平面或xoz平面上设置的至少3个接收单元或在空间中任意设置的至少4个接收单 元，且至少3个接收单元不在同一条直线上；
[0022] 以及信号处理单元：用于计算各接收单元的坐标，计算发射单元与各接收单元之 间的初始距离，将各接收单元接收的无线电接收信号进行解调测相，计算无线电接收信号 的相位变化值，并计算移动后的发射单元与各接收单元之间的距离;并根据各接收单元的 坐标、移动后的发射单元与各接收单元之间的距离，计算移动后的发射单元的坐标;计算发 射单元的移动距离。
[0023] 本发明可用于确定移动节点和平台的相对位置关系，具有的优点和积极效果是：
[0024] (1)利用相位跟踪实现的相位解缠绕方法，解决了相位模糊问题；
[0025] (2)通过单一频率的发射信号即可实现移动点的方向和相对位置的测量；
[0026] (3)相比于现有定位技术，系统实现简单、可靠性高，受外界因素影响较小；
[0027] (4)通过对移动后的发射单元与其初始位置的连续测量，可实时控制移动节点的 移动距离和位置，可广泛应用于需要长期监测及预警系统中；
[0028] (5)简化了无线定位测距方法。
【附图说明】
[0029]图1是本发明的利用无线电定位的相对位置测量装置示意图；
[0030]图2是本发明的利用无线电定位的相对位置测量方法的流程图；
[0031] 图3是本发明的实施例1的相对位置测量方法计算图解；
[0032] 图4是本发明的实施例2的相对位置测量方法计算图解。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0034] 如图1至图3所示，本发明提供了一种利用无线电定位的相对位置测量装置，包括 发射单元、接收单元，以及信号处理单元，发射单元用于发射无线电信号，发射单元设置于 被测物体上，且随被测物体移动;接收单元用于接收所述无线电信号，接收单元可有多种方 案，可在同一 xoy平面或yoz平面或xoz平面上设置至少3个接收单元，也可以在空间中任意 设置至少4个接收单元，但需满足至少3个接收单元不在同一条直线上的条件;信号处理单 元用于计算各接收单元的坐标，计算发射单元S与各接收单元Ti之间的初始距离，将各接收 单元^接收的无线电接收信号进行解调测相，计算无线电接收信号的相位变化值，并计算 移动后的发射单元S与各接收单元Ti之间的距离;并根据各接收单元Ti的坐标、移动后的发 射单元S与各接收单元之间的距离，计算移动后的发射单元S的坐标;计算发射单元S的初 始位置与移动后发射单元S的坐标之间的相对距离。
[0035] 实施例1:设置至少3个接收单元的相对位置测量方法及测量装置
[0036]如图1 一图3所示，以任一点作为坐标原点建立三维坐标系；在被测物体上安装发 射单元S，发射单元S可发射频率为f的单频无线电信号，发射单元随被测物体移动;在同一 xoy平面或yoz平面或xoz平面上设置至少3个接收单元Ti，其中i>3,且至少3个接收单元不 在同一条直线上。发射单元S的运动轨迹具有连续性，发射单元S连续不断发射单频无线电 信号，通过持续观测，可获取发射单元S与各接收单元之间的距离。
[0037] 此处以在同一 xoy平面设置至少3个接收单元Ti为例，在同一 yoz平面或xoz平面设 置接收单元Ti的情况与此处的方法类似。
[0038] 本发明的相对位置测量方法包括：
[0039] (1)计算初始坐标值及发射单元与各接收单元之间的初始距离
[0040]计算被测物体在初始位置时发射单元的坐标为So(xo，y()，Z())，计算各接收单元Ti的 坐标Ti(xi，yi，0)，以及计算发射单元S与各接收单元Ti之间的初始距离为
[0042] (2)计算初始位置和t时刻各接收单元接收到的无线电接收信号的相位值、由t-1 时刻到t时刻的无线电接收信号的相位变化值及校正后的相位校正值，及被测物体移动后 发射单元与各接收单元之间的距离。
[0043]被测物体在初始位置时，发射单元S所发射的无线电信号被平台上的所有接收单 元1^接收，提取所有接收单元h的无线电接收信号，对其运用正交解调测相方法，计算出各 个接收单元1\所收到的无线电信号的初始相位值咚^
[0044] 所述发射单元S随移动平台移动，同时各接收单元以频率f对发射单元S发射的 信号进行接收，对各接收单元^接收到的无线电接收信号运用解调测相方法，计算接收单 元Ti在t时刻接收到的无线电接收信号的相位值,，且t = 0时，发射单元S位于t = 0时刻的初 始位置。
[0045] 记录被测物体从开始移动到t时刻这段过程中所有接收单元接收到的无线电接收 信号。t时刻无线电接收信号的相位可通过正交解调测相方法求得，但正交解调测相方法所 能测出的相位值在[1,幻范围内。而实际观测中，由于移动节点位置的变化(或飞行轨迹） 具有连续性，当信号的相位值超过[_\幻范围时，就会发生相位缠绕，出现相位模糊，不能 得到真实的相位信息。为此必须对相位模糊进行解缠绕，对信号的相位进行校正，以获得真 实的相位信息。当超过[-3T，3T]范围时，相位信息就会发生跳变，而整个运动过程中，相位信 息是不会发生突变的，信号的相位一旦发生突变，即相邻的两个相位之差的绝对值大于某 个门限值时，则在该相位加上2jt的整数倍。
[0046]本发明的相位校正方法如下：设置a为给定的相位跳变门限，整数k为相位校正系 数，对相位值进行校正，且k的初始值k = 0。假定t时刻某一接收单元接收到无线电接收信号 经校正后的相位校正值为凡h=2^t +氕,，且t时刻对接收到信号经解调后的信号相位值 为的，检查相邻时刻的相位值，则t时刻接收单元h接收的经校正后的信号相位值供 ;,为 2k7v + M (pi t - |<a;
[0047] j 2(女 + 1) + A ,，若卜，供;f-! | > OS 且 ％< 识;'卜1; 、2 (A~1) + 炉,,，若卜;.，一供;i | > ?，且~> ;
[0048]直到移动节点整个运动过程中所有相位信息均处理完毕，完成相位的测量。其中， 时刻第i个接收单元接收到的无线电接收信号进行校正后的相位校正值，幾，为t 时刻第i个接收单元接收到的无线电接收信号的相位值，凡，为t时刻第i个接收单元接收到 的无线电接收信号进行校正后的相位校正值。
[0049] 本发明获取真实的相位信息后，利用相位校正值代替相位值进行计算。若某一时 刻各接收单元所接收的信号相位值与相对应的各初始相位值相差为加的整数倍时，则发射 单元S位于其初始位置的正上方。
[0050] 在整个正交平面上，只有在横轴的负半轴上相位会发生突变，即此处的相位是不 连续的。当正交解调测相方法中的同相分量为负时，正交分量为+0或者比较小的正数，则相 位为+31或者+31附近的某个值，正交分量为-0附近的某个比较小的负数时，则相位为-JT附近 的某个值。
[0051] 计算由t_l时刻至t时刻接收单元接收到的无线电接收信号的相位变化值 八的.，=Hu _。通过对接收单元进行长时间观测，由相位变化值A的,/计算t-1时刻至t时刻 发射单元与第i个接收单元的距离变化值
.4.，则t时刻发射单元S与接收单元Ti 之间的距尚为Ri,t = Ri,0+ A Ri,l+ A Ri,2+......+ A Ri)t;
[0052] (3)选取任意3个不在同一条直线上的接收单元1'1(11,71，0)、12(12,72,0)、13(13， y3，0)，测量发射单兀S与各接收单兀Tl、T2、T3之间的距呙分别为1?1,1;、1?2,1;、1?3,1;，1：时刻发射单 元的坐标为s(x，y，z)，建立方程组 (x-x1)2+(j；~3；1)2 + z2 =Rl
[0053] . (x - ) + ( y - ii,) + z. - /?,,, V - / v j (.T-X3)2+(V-V3)2+Z2=i?￡,
[0054]由于所述3个接收单元不在同一条直线上，因此上式的系数矩阵的秩为3,因此有唯 一解，即可解出x、y、z值，由此求解得到t时刻发射单元S的坐标为S(x，y，z)，即移动后的被测 物体的坐标为(x，y，z)，则被测物体移动的相对距离为& = ^(x-xaf + (y-y0)2 + (z-z〇f 〇
[0055] 也可将发射单元S的初始位置设置为坐标原点，可相应地简化计算。
[0056] 实施例2:设置至少4个接收单元的相对位置测量方法及测量装置
[0057] 如图1、图2和图4所示，以任一点作为坐标原点建立三维坐标系;在被测物体上安 装发射单元s，发射单元s可发射频率为f?的单频无线电信号，发射单元随被测物体移动;在 空间中任意设置至少4个接收单元h，其中i多4,且至少3个接收单元不在同一条直线上。发 射单元S的运动轨迹具有连续性，发射单元S连续不断发射单频无线电信号，通过持续观测， 可获取发射单元S与各接收单元之间的距离。
[0058] (1)计算初始坐标值及发射单元与各接收单元之间的初始距离
[0059]计算被测物体在初始位置时发射单元的坐标为So(XQ，y()，Z())，计算各接收单元Ti的 坐标Ti(xi，yi，zi)，以及计算发射单元S与各接收单元Ti之间的初始距离为
[0060] =- >/(-V, - x0)~ + (yt - v0)' + (z； - z0)~ ；
[0061] (2)计算初始位置和t时刻各接收单元接收到的无线电接收信号的相位值、由t-1 时刻到t时刻的无线电接收信号的相位变化值及校正后的相位校正值，及被测物体移动后 发射单元与各接收单元之间的距离。
[0062]此处计算过程与实施例1相同。
[0063] (3)选取任意4个接收单元1'1(叉1，丫1，21)、丁2(叉2,72,22)、丁3(叉3,73,23)、丁4(叉4,74,24)， 且其中至少3个接收单元不在同一条直线上，测量发射单元S与各接收单元1'1、12、13、14之间 的距离分别为1^、1^、1^、1^，切寸刻发射单元的坐标为3(1，7,2)，建立方程组 (x-^) +(v-Vj) +(z-zl) =Rl (x-.t3) +(v-v3) +(z-z2) =R;t
[0064] i - - , (.v-.v,)" + (.r- .r,)' + (r - z; )' - Rl ? -x4f +(y-y4)2 +(z-z4f = R；,
[0065] 化简上述方程组，得到， 2(x4 - .Tj).r + 2( v4 - v'i) v + 2(^4 -^j)z = ^ +(.t^ -.^) + (3^ -y^ + Cz^ -z^)
[0066] ' 2(x4 ~x2)x + 2( v4 ~y2) + 2(z4 -z2)z = R；t -R^t ~x；)-t-(v4 - v；) + (z4 -z；) ? 2 (x4 -).t + 2 (v4 - v3) v + 2(z4 - z,)z = R；, - R；t + (x； - x；) + (y； - y； ) + (z； - z,2)
[0067] 由于至少3个接收单元不在同一条直线上，因此上式的系数矩阵 2(^4-^) 2(v4-v.) 2(z4-Z[) 2(x4-.y2) 2(-v4-y2) 2(z4-z2)的秩为3,因此上式有唯一解，即可解出x、y、z值，得到t _2(x4-x3) 2(v4-v3) 2(z4-z3)_ 时刻发射单元的坐标为S(x，y，z)，即移动后的被测物体的坐标为(x，y，z)，则被测物体移动 的相对距离为
[0068] 实施例3:对被测物体的移动方向和移动距离进行控制
[0069] 在实际应用过程中，若需要获取某个被测物体移动的实时和精确的相对位置信 息，或需要对被测物体的移动方向和移动距离进行控制，如定点悬停、自动收放时，则仅需 要将发射单元S设置于被测物体上，利用上述实施例1或2所述的相对位置测量方法，即可获 得实时的被测物体移动的相对位置信息。需进行定点悬停时，则实时测量被测物体移动的 相对位置信息，当被测物体到达所需位置时，即操作相应控制结构令其停止移动即可。
[0070] 以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例， 不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应 仍归属于本专利涵盖范围之内。
【主权项】
1. 一种利用无线电定位的相对位置测量方法，其特征在于：以任一点作为坐标原点建 立三维坐标系，在被测物体上设置用于发射无线电信号的发射单元，所述发射单元随被测 物体移动，在同一 xoy平面或yoz平面或xoz平面上设置至少3个接收单元或在空间中任意设 置至少4个接收单元，所述接收单元用于接收无线电信号，且至少3个接收单元不在同一条 直线上，所述相对位置测量方法包括如下步骤： 1) 计算被测物体在初始位置时发射单元和各接收单元的坐标，以及发射单元与各接收 单元之间的初始距离； 2) 被测物体从初始位置移动后，对接收单元接收到的无线电接收信号采用解调测相方 法，计算t时刻无线电接收信号的相位值，以及由t-Ι时刻到t时刻的无线电接收信号的相位 变化值；?，由所述相位变化值计算t -1时亥U至lj t时刻发射单元与第i个 接收单元之间的距离变化值△ Ri,t，并结合发射单元与各接收单元之间的初始距离，计算被 测物体移动后发射单元与各接收单元之间的距离，其中为t-Ι时刻到t时刻的第i个接 收单元的无线电接收信号的相位变化值，λ为无线电接收信号的波长，其中i>3; 4) 由所述各接收单元的坐标、所述被测物体移动后发射单元与各接收单元之间的距 离，计算被测物体移动后发射单元的坐标，得到移动后的被测物体的坐标； 5) 计算被测物体移动的相对距离。2. 根据权利要求1所述的利用无线电定位的相对位置测量方法，其特征在于:所述的步 骤2)中，所述解调测相方法为正交解调测相方法。3. 根据权利要求2所述的利用无线电定位的相对位置测量方法，其特征在于:所述正交 解调测相方法还包括相位校正方法，所述相位校正方法包括： 1) 设置跳变门限α及相位校正系数k，且初始值k = 0; 2) 若无线电接收信号的相位变化值的绝对值大于跳变门限，则根据相位校正系数对相 位进行校正，则t时刻第i个接收单元的无线电接收信号经校正后的相位校正值为其中，P,'m为t_l时刻第i个接收单元接收到的无线电接收信号进行校正后的相位校正 值，《^为1时刻第i个接收单元接收到的无线电接收信号的相位值，#^为1时刻第i个接收单 元接收到的无线电接收信号进行校正后的相位校正值。4. 一种利用无线电定位的相对位置测量装置，其特征在于，包括发射单元、接收单元， 以及信号处理单元，其中： 发射单元:所述发射单元用于发射无线电信号，所述发射单元设置于被测物体上，且随 被测物体移动； 接收单元:所述接收单元用于接收所述无线电信号，所述接收单元为在同一 x〇y平面或 yoz平面或xoz平面上设置的至少3个接收单元或在空间中任意设置的至少4个接收单元，且 至少3个接收单元不在同一条直线上； 以及信号处理单元：用于计算各接收单元的坐标，计算发射单元与各接收单元之间的 初始距离，将各接收单元接收的无线电接收信号进行解调测相，计算无线电接收信号的相 位变化值，并计算移动后的发射单元与各接收单元之间的距离;并根据各接收单元的坐标、 移动后的发射单元与各接收单元之间的距离，计算移动后的发射单元的坐标;计算发射单 元的移动距离。
【文档编号】G01S5/02GK105929364SQ201610257367
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】王雅敏, 肖平
【申请人】湖南镭氪信息科技有限公司