一种UWB多天线虚拟锚点定位系统及方法

技术领域

本发明涉及UWB定位领域，具体涉及一种UWB多天线虚拟锚点定位系统及方法。

背景技术

在常规的定位场景和定位应用中，需要使用多个锚点以实现较好的定位效果，通常要求锚点数量大于4个，且每个锚点都需要配有完整的UWB收发设备来保证对应的锚点具备测距功能，现有技术中的定位系统整体造价成本高，多个锚点之间在构成系统时还需要额外增加相互之间的通信，这也会产生额外的成本。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种UWB多天线虚拟锚点定位系统及方法，可以解决如何利用一个UWB收发设备通过多路射频天线的切换，实现将多个射频天线虚拟为独立且完整的锚点的问题。

本发明为了实现上述的发明目的，提供了一种UWB多天线虚拟锚点定位系统，包括：一个UWB收发设备、主控设备、射频开关以及多个射频天线；

所述UWB收发设备通过所述射频开关连接所述多个射频天线，所述主控设备控制所述UWB收发设备，并通过切换所述射频开关从而分别使得多个所述射频天线成为独立的虚拟锚点。

可选的，所述射频开关通过同轴线或屏蔽线分别与所述多个射频天线连接。

可选的，所述虚拟锚点用于与移动终端通讯，进行测距信息的传输与接收，完成测距活动；所述主控设备根据所述移动终端到不同的所述虚拟锚点之间的距离，解算出所述移动终端的位置信息，实现定位。

可选的，所述主控设备为所述多个射频天线分配对应的地址、ID和矫正参数以实现所述虚拟锚点与移动终端的适配，每个所述虚拟锚点根据所述ID获取自身对应的位置信息(x

可选的，所述虚拟锚点被配置以统一的地址用于与现有协议进行兼容，在完整测距的间隔进行所述虚拟锚点的切换。

本发明还提供了一种采用如上所述的UWB多天线虚拟锚点定位系统进行定位的UWB多天线虚拟锚点定位方法，包括：

任一虚拟锚点接收移动终端发送的第一数据帧；

N个所述虚拟锚点依次接收所述移动终端发送的N个第一测距帧，分别记录N个接收时间戳tpr

N个所述虚拟锚点依次发送第二测距帧，记录N个发送时间戳trt

任一所述虚拟锚点接收第二数据帧，所述第二数据帧携带有N个与第一测距帧相关的发送时间戳tpt

所述主控设备根据tpr

可选的，还包括OOB同步：主控设备和移动终端进行配对、加密以及交换测距网络必要的信息。

可选的，所述交换测距网络必要的信息包括：测距协议版本、UWB参数、测距局域网信息、测距方法、帧结构、STS密钥以及所述虚拟锚点的列表及顺序。

可选的，所述第一数据帧用于进行信息验证和时间同步。

可选的，在所述任一所述虚拟锚点接收移动终端发送的第一数据帧之后还包括：分配每个所述虚拟锚点进行测距的顺序。

可选的，所述N个所述虚拟锚点依次发送第二测距帧，记录N个发送时间戳trt

可选的所述第二数据帧携带有N个与所述第一测距帧相关的发送时间戳tpt

可选的，任一所述虚拟锚点接收一个所述第一测距帧或一个所述第三测距帧，并记录一个接收时间戳tpr

可选的，其余虚拟锚点利用收发所述一个第一测矩帧产生的两个时间戳tpt

tpt

tpr

可选的，其余虚拟锚点利用收发所述一个第三测矩帧产生的两个时间戳tft

tft

tfr

可选的，所述解算距离包括：对共4N个时间戳进行分组，将与每个所述虚拟锚点相对应的时间戳分为一组，共有N组时间戳，每组中有4个时间戳：tpt

D

其中，D1为采用单边双向测距方法解算出的距离，c为光速。

可选的，所述解算距离包括：对共6N个时间戳进行分组，将与每个所述虚拟锚点相对应的时间戳分为一组，共有N组时间戳，每组中有6个时间戳tpt

D

＝c*((trr

-trt

其中，D2为采用双边双向测距方法解算出的距离，c为光速。

可选的，所述解算距离之后还包括：任一虚拟锚点发送携带解算距离的第三数据帧，所述主控设备解析所述解算距离，获取距离值。

可选的，所述解算距离之后还包括进行距离矫正：根据系统初始化过程中提供的校正值对测量得到的距离值进行矫正，其中，所述移动终端和所述虚拟锚点之间的真实距离与所述距离值之间的差值为矫正值。

相比于现有技术，本发明揭示了一种UWB多天线虚拟锚点定位系统，包括UWB收发设备、主控设备、射频开关以及多个射频天线；实现了基于单个UWB收发设备，通过多路射频天线的切换，将射频天线虚拟为一个独立、完整的锚点以实现测距，在现有测距流程的基础上不增加较大改变的情况下，减少UWB设备的数量，简化系统的结构，通过将锚点更换为成本更低的射频天线，降低整体方案的成本；此外，本发明还揭示了一种UWB多天线虚拟锚点定位方法，基于UWB多天线虚拟锚点定位系统的时隙安排方法以及距离获取方法，并结合切换天线的特性，进一步优化测距的流程，简化测距工作的复杂性。

附图说明

图1为本发明实施例一中UWB多天线虚拟锚点定位系统框图一；

图2为本发明实施例一中UWB多天线虚拟锚点定位系统框图二；

图3为本发明实施例二中传统方法中SS-TWR测距流程时隙安排示意图；

图4为本发明实施例二中UWB多天线虚拟锚点定位方法流程图；

图5为本发明实施例二中UWB多天线虚拟锚点定位方法采用SS-TWR方式的测距流程时隙安排示意图；

图6为本发明实施例三中传统方法中DS-TWR测距流程时隙安排示意图；

图7为本发明实施例三中UWB多天线虚拟锚点定位方法采用DS-TWR方式的测距流程时隙安排示意图；

图8为本发明实施例四中采用DS-TWR测距方式时简化Poll步骤后的定位方法流程图；

图9为本发明实施例四中采用DS-TWR测距方式时简化Final步骤后的定位方法流程图；

图10为本发明实施例四中DS-TWR距离解算方式的时间戳获取时隙安排示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，本发明实施例中还涉及的数据帧为SP0帧，测矩帧均为SP3帧，SP0和SP3为当前标准中(IEEE 802.15.4z)主要支持的两种UWB帧：

数据帧(SP0帧)包括：数据帧由前导码(SYNC)、帧起始分隔符(SFD)、物理报头(PHR)字段和物理服务数据单元(PSDU)字段；此类帧在相关的标准中仅负责发送包含在PSDU字段中的数据，不参与飞行时间(ToF)计算；此改进主要出发点在于使用已知前导码，在时间戳的获取上，可能会受到其他干扰设备的攻击，进而导致测距的不安全，这也是在IEEE 802.15.4z协议中重点增加的部分。

测距帧(SP3帧)包括：由SYNC、SFD字段和加扰时间戳序列(STS)字段；此类帧仅负责通过STS字段获取时间戳，用于飞行时间的计算，不传输任何数据，在一定程度上也可以减少了测距帧的长度。

实施例一

请参考图1-图2，本发明方案提供了一种UWB多天线虚拟锚点定位系统，包括：一个UWB收发设备、主控设备、射频开关(RF Switch)以及多个射频天线。

UWB收发设备通过所述射频开关连接所述多个射频天线，主控设备控制所述UWB收发设备，并通过切换所述射频开关从而分别使得多个所述射频天线成为独立的虚拟锚点。

对于常规的UWB锚点实现定位的系统中，通常需要多个锚点实现测距定位工作，一个UWB收发设备是一个测距锚点，则整个系统需要多个UWB收发设备；而在本发明方案中，通过设置一个UWB收发设备，并通过多路射频天线的切换，将多个射频天线抽象为N个独立且完整的虚拟锚点(Virtual Anchor，VA)以完成定位以及测距活动。

具体的，在本实施例中使用VA发送或接收信号的流程是：先由主控设备控制RFSwitch切换到对应的射频天线，再由UWB收发设备进行信号的发送或接收。

进一步的，主控设备为每个VA分配对应的地址、ID和矫正参数，以实现所述虚拟锚点与移动终端的适配，在最终的定位处理算法上，每个VA根据ID获取对应的安装位置(x

进一步的，射频开关(RF Switch)通过同轴线或屏蔽线分别与多个射频天线连接。

进一步的，在本实施例中，虚拟锚点用于与移动终端通讯，进行测距信息的传输与接收，完成测距活动。

主控设备根据所述移动终端到不同的所述虚拟锚点之间的距离，解算出所述移动终端的位置信息，实现定位。

进一步的，对UWB设备而言，测距前OOB(out-of-brand，带外通信)同步通常使用蓝牙交换测距网络的必要信息，在本实施例中主控设备与移动终端通过蓝牙进行配对以进行测距前OOB同步，以完成必要信息的同步。

所述必要信息包括：测距协议版本、UWB参数、测距局域网(RAN)信息(测距网络ID、测距周期/频率，测距块、测距轮、时隙长度，时隙分布)，测距方法(SS-TWR或DS-TWR)、帧结构(SS-TWR下帧结构、DS-TWR下完整帧结构、单一Poll帧结构或单一Final帧结构)，STS密钥以及测距虚拟锚点的列表及顺序。

需要说明的是，请继续参考图1中的UWB收发、主控设备、蓝牙设备可以集成在一块芯片上，也可以分别集成在不同芯片上。

在一些实施例中，当UWB多天线虚拟锚点定位系统需要与现有的测距方法进行兼容时，如与CCC(车联网联盟，Car Connectivity Consortium)或FiRa(FiRa联盟，FiRaConsortium)等安全测距标准进行兼容，可以根据VA数量的不同，由主控设备对N个VA进行调度，在现有协议工作时，将所有VA配置以统一的地址，在完整测距的间隔进行VA的切换从而实现测距。

综上，本发明实施例一中提供的UWB多天线虚拟锚点定位系统可以基于单个UWB收发设备，通过多路射频天线的切换，将射频天线虚拟为一个独立、完整的锚点来实现测距活动，在现有测距流程基础上不增加较大改变的情况下，减少UWB设备的数量，简化系统的结构，通过将锚点更换为成本更低的射频天线，降低整体方案的成本。

实施例二

本发明实施例二给出了基于实施例一中提供的UWB多天线虚拟锚点定位系统的时隙安排方法以及距离获取方法，并采用SS-TWR(单边双向测距)的方式实现定位。

本发明实施例二提供了一种UWB多天线虚拟锚点定位方法，在如图3所示的传统SS-TWR测距流程时隙安排的基础上，做出了相应的调整，请参考图4，包括以下步骤：

S11、任一所述虚拟锚点接收第一数据帧(Pre Poll数据帧，该帧通常为SP0)；

S12、N个所述虚拟锚点依次接收N个第一测距帧(Poll测距帧，该帧通常为SP3)，分别记录N个接收时间戳tpr

S13、N个所述虚拟锚点依次发送第二测距帧(Resp测距帧，该帧通常为SP3)，记录N个发送时间戳trt

S14、任一所述虚拟锚点接收第二数据帧(Final Data数据帧，该帧通常为SP0)，所述第二数据帧(Final Data数据帧)携带有N个与第一测距帧(Poll测距帧)相关的发送时间戳tpt

S15、所述主控设备根据tpr

在步骤S11中，第一数据帧(Pre Poll数据帧)用于进行信息验证和时间同步。

请参考图5，具体的，S11-S15的步骤还可以是：

S21、测距前OOB(out-of-brand，带外通信)同步：如使用BLE等信道完成测距所需必要信息的同步，以及进行必要的时钟同步；

S22、Pre Poll：移动终端发送第一数据帧(Pre Poll数据帧，该帧通常为SP0)，任一虚拟锚点(如VA

S23、Poll：所述移动终端发送N次第一测距帧(Poll测距帧，该帧通常为SP3)，记录N个发送时间戳tpt

S24、Resp：N个所述虚拟锚点(VA1,VA2...VAN)依次发送第二测距帧(Resp测距帧，该帧通常为SP3)，记录N个发送时间戳trt

S25、Final Data：所述移动终端发送第二数据帧(Final Data数据帧，该帧通常为SP0)，任一所述虚拟锚点(如VA

S26、解算距离；

S27、进行距离矫正。

对UWB设备而言，测距前OOB同步通常使用蓝牙配对建立交换测距的必要信息，步骤S21中包括：主控设备和移动终端进行配对、加密以及交换测距网络必要的信息。

其中，交换的测距网络必要的信息包括：测距协议版本、UWB参数、测距局域网(RAN)信息(测距网络ID、测距周期/频率，测距块、测距轮、时隙长度，时隙分布)，测距方法(SS-TWR或DS-TWR)、帧结构(SS-TWR下帧结构、DS-TWR下完整帧结构、单一Poll帧结构或单一Final帧结构)，STS密钥以及测距虚拟锚点的列表及顺序。

在步骤S22(Pre Poll)中，任一虚拟锚点接收所述移动终端发送的Pre Poll数据帧用于进行信息验证和时间同步，该Pre Poll数据帧携带部分验证信息并起到同步时间的作用；优选的，任一虚拟锚点的选择可以通过车端主控选择中心覆盖最佳的VA实现。

具体的，可通过对所有VA的布置方式来营造一个或多个覆盖较好的VA，如车辆中心位置的VA可以安装在车顶内侧，由于四周均为玻璃遮挡，金属遮挡较少，则该VA为覆盖最佳的VA；又如车辆四周的VA安装在A柱B柱C柱上，由于VA四周均为玻璃遮挡，金属遮挡均较少，车辆四周的VA均为覆盖最佳的VA，则可任意选择其一。

在步骤S22之后还包括：主控设备分配每个VA进行测距时的顺序。

在步骤S25(Final Data)中，移动终端发送Final Data数据帧，携带自身发送的N个Poll测距帧的时间戳和接收Resp测距帧时的所有时间戳，共2N个，通过主控设备任意选择一个VA接收Final Data数据帧，解析数据，获取所携带的2N个时间戳。

进一步的，步骤S26中解算距离，包括步骤：

S261：对一共4N个时间戳进行分组，将移动终端与每个VA对应的时间戳分到一组中，共有N组时间戳，每组中有4个时间戳：tpt

D

其中，D

进一步的，在步骤S26之后还包括步骤：任意一个VA(如VA

在其他实施例中，若移动终端不需要获取具体的距离值，该步骤可省略。

由于本实施例中提供的方案所解算的距离值是移动终端到VA的距离值，而信号经历的路程除了移动终端到VA的距离以外，还存在VA通过同轴线/屏蔽线到UWB收发设备的距离，因此本实施例提供的UWB多天线虚拟锚点定位方法还需要进行距离矫正。

具体的，在步骤S27中：根据系统提供的校正值对后续测量结果进行矫正。

系统初始化过程中测量出移动终端到VA的真实距离，并与解算出的移动终端到VA的测量距离之间的差异作为矫正值，在后续测量结果中减去该矫正值使得最终结果贴近于真实距离。

实施例三

本实施例给出了基于实施例一中提供的UWB多天线虚拟锚点定位系统的时隙安排方法以及距离获取方法，并采用DS-TWR(双边双向测距)的方式实现定位。

请参考图7，本发明实施例三提供了一种UWB多天线虚拟锚点定位方法，在如图6所示的传统DS-TWR测距流程时隙安排的基础上，做出了相应的调整，包括步骤：

S31、测距前OOB(out-of-brand，带外通信)同步：主控设备和移动终端进行配对、加密以及交换测距网络必要的信息，如使用BLE等信道完成测距所需必要信息的同步，以及进行必要的时钟同步；

S32、Pre Poll：移动终端发送第一数据帧(Pre Poll数据帧，该帧通常为SP0)，任一虚拟锚点(如VA

S33、Poll：所述移动终端发送N次第一测距帧(Poll测距帧，该帧通常为SP3)，记录N个发送时间戳tpt

S34、Resp：N个所述虚拟锚点(VA1,VA2...VAN)依次发送第二测距帧(Resp测距帧，该帧通常为SP3)，记录N个发送时间戳trt

S35、Final：所述移动终端发送N个第三测距帧(Final测距帧，该帧通常为SP3)，记录N个发送时间戳tft

S36、Final Data：所述移动终端发送第二数据帧(Final Data数据帧，该帧通常为SP0)，任一所述虚拟锚点(如VA

S37、解算距离；

S38、进行距离矫正。

本发明实施例三中提供的方法与实施例二中提供的方法相比较，增加了步骤Final(S35)，在实施例二中Final步骤被省略，因此由于本实施例增加了步骤Final(S35)后，步骤(S36)Final Data中，移动终端发送Final Data数据帧，携带自身发送的N个Poll测距帧、接收Resp测距帧和发送Final测距帧时的所有时间戳，共为3N个，通过主控设备任意选择一个VA接收Final Data数据帧，解析数据，获取3N个时间戳。

进一步的，步骤S37中解算距离，并进行距离矫正的过程包括步骤：

S371：对共6N个时间戳进行分组，将移动终端与每个VA所对应的时间戳分为一组，共有N组时间戳，每组中有6个时间戳tpt

D

＝c*((trr

-trt

其中，D

在步骤S38中：根据系统提供的校正值对后续测量结果进行矫正，可以在同一距离采集多个测量值，将偏离实际值过多的坏值剔除，将剩余值的平均值作为测量距离，可以取多个不同的实际值，对测量值进行拟合，以获得更准确的校正值。

具体的，系统初始化过程中，将移动终端与VA固定，使用尺子或激光测距等方法测量移动终端与VA真实距离D，使用DS-TWR测距方式得到其测量距离D’，由此得到矫正值ΔD＝D-D’，在后续测量结果中减去该矫正值使得最终结果贴近于真实距离。

获取距离值后可根据VA的坐标与测得的距离值，使用质心加权、最小二乘或其他定位算法对移动终端进行定位。

在本实施例中，使用最小二乘定位算法对移动终端进行定位的具体步骤如下：

假定共有5个VA(VA1,VA2...VA5)，其坐标(x

X＝(A

可求得移动终端的定位坐标为(-1.137,1.114)。

式中，X为移动终端坐标的矩阵形式

n为VA的数量。

进一步的，可根据应用场景进行后续的判定与计算，例如，在一个具体示例中，在车端设定距离阈值，在距离值小于阈值时闪烁车灯进行迎宾，在距离值大于某阈值时锁车。

需要说明的是，本发明实施例三中提出的方法与实施例二中提出的方法仅有上述不同，其他相同的步骤不再进行赘述。

实施例四

本发明实施例在实施例三的基础上，结合切换天线的特性，进一步优化测距的流程，简化测距工作的复杂性。

本发明实施例提供了一种UWB多天线虚拟锚点定位方法，请参考图8-图9，如果使用DS-TWR测距方式，则在实施例三提供的方法的基础上，在Poll步骤(S33)和Final步骤(S35)中选择其一进行简化，另一个步骤则不可进行简化。

如果简化Poll步骤，移动终端只发送一次Poll测距帧以节省时间，任一VA接收该Poll测距帧，相应的，其余VA不接收Poll测距帧；具体的，请继续参考图8，则简化后的Poll步骤为(S43)：移动终端发送一次Poll测距帧，该帧通常为SP3，记录一个发送时间戳tpt

此外，对于DS-TWR测距方式，每一对需要测距的设备之间需要6个时间戳进行距离解算，如图10所示，分别为Poll的发送时间戳tpt

假设简化后Poll步骤中，移动终端只发送一次Poll测距帧，VA

tpt

tpr

即可推算出其余不接收Poll测矩帧的VA的tpt

如果简化Final步骤，移动终端只发送一次Final测距帧以节省时间，任一VA接收该Final测距帧，相应的，其余VA不接收Final测距帧；请继续参考图9，方法与原理与简化Poll步骤基本一致，则简化后的Final步骤变更为(S45)：移动终端发送一次Final测距帧，该帧通常为SP3，记录一个发送时间戳tft

其他不接收Final测距帧的VA推算时间戳的方法也与简化Poll步骤时推算过程一致，可以令：

tft

tfr

即可推算出即其余不接收Final测矩帧的VA的tft

简化之后，Final_Data帧中，传输的时间戳数量由3N减少为2N+1，整体流程简化、工作时间缩短。

综上所述，本发明揭示了一种UWB多天线虚拟锚点定位系统，包括单个UWB收发设备、主控设备、射频开关以及多个射频天线；实现了基于单个UWB收发设备，通过多路射频天线的切换，将射频天线虚拟为一个独立、完整的锚点以实现测距活动的目的；在现有协议工作时，将所有VA配置以统一的地址，在完整测距的间隔进行VA的切换以实现该系统与现有测距方法的兼容；在现有测距流程的基础上不增加较大改变的情况下，减少UWB设备的数量，简化系统的结构，通过将锚点更换为成本更低的射频天线，降低整体方案的成本；此外，本发明还揭示了UWB多天线虚拟锚点定位方法，基于UWB多天线虚拟锚点定位系统的时隙安排方法以及距离获取方法，并结合切换天线的特性，进一步优化测距的流程，简化测距工作的复杂性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。