一种基于协作通信的定位天线系统及定位方法

技术领域

本发明属于天线定位技术领域，特别涉及一种基于协作通信的定位天线系统及定位方法。

背景技术

作为无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件，天线是一种把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁波，或进行相反变换的变换器。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、定位、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线进行工作。随着5G、物联网、互联网等网络技术的快速发展，出现了万物互联的场景，大到飞机、轮船，小到无人机、手表、传感器等电子产品都通过无线网络互通互联，天线作为通信和信号传输普遍采用的发射和接收装置，广泛应用于无线通信系统中。

随着通信技术和定位技术的快速发展，目前无人机、无人车、手机、车辆等都能够借助天线，并基于GPS或北斗卫星进行自身的定位，或者是通过信息沟通对其进行辅助定位。目前，通信天线大部分功能单一、灵活性差，比如目前的车载通信天线，只有通信功能，在需要对未知信号源、无人机等定位时，除雷达外几乎不可能实现，而且在限宽、限高、隧道、丛林等复杂道路情况下，天线调整更是不便，不仅耽误了时间，而且一旦误判还会破坏天线。随着定位算法的更新、软件开发和人工智能技术的快速发展，多功能天线越来越成为发展趋势。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于协作通信的定位天线系统及定位方法，既具有通信功能，又具有定位功能，且能够灵活调整天线高度和倾斜度，适用于多应用场景。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种基于协作通信的定位天线系统，包括天线组、激光测距仪、ACC雷达摄像机和控制机，所述天线组包括相互垂直的水平天线组和竖直天线组，所述水平天线组和竖直天线组均包含N个天线主体，N≥3，每个天线主体包括自动伸缩可倾斜的天线、天线底座以及设置于天线底座内的上下左右伸缩驱动模块、倾斜驱动模块、接收信号频率波长计算模块、定位模块和天线固定组件，每个天线组中的相邻两个天线主体之间的间距可调整，所述天线组、激光测距仪、ACC雷达摄像机分别与控制机通信连接。

进一步地，所述水平天线组和竖直天线组交叉点的天线主体作为基准参考天线主体，所述基准参考天线主体固定在车上或者地面上；每个天线组中的相邻天线底座之间通过伸缩杆连接。

进一步地，所述天线为PCB天线、喇叭天线、螺旋天线或振子天线；所述天线的极化方式为圆极化、线极化或者椭圆极化。

进一步地，所述上下左右伸缩驱动模块用于控制天线上下伸缩以及伸缩杆左右伸缩；所述倾斜驱动模块用于控制天线在±90度范围内左右倾斜。

进一步地，所述接收信号频率波长计算模块用于计算接收信号的频率和波长；所述水平天线组的定位模块用于计算信号的方位角，所述竖直天线组的定位模块用于计算信号的高低角。

进一步地，所述水平天线组和竖直天线组中除基准参考天线主体以外其他的天线主体的下端设置有带有止锁功能的万向轮。

进一步地，所述ACC雷达摄像机上设置有刻度盘用于读取信号的方位角和高低角，或者ACC雷达摄像机将测量的方位角和高低角直接传送给控制机。

进一步地，所述天线底座的正面设置有天线上下左右伸缩控制按钮、天线倾斜控制按钮和天线主体开关按钮，所述天线上下左右伸缩控制按钮与上下左右伸缩驱动模块连接，所述天线倾斜控制按钮与倾斜驱动模块连接，所述天线主体开关按钮用于控制天线的开启和关闭。

本发明还提供了一种基于协作通信的定位天线系统的定位方法，包括：

对于可视目标定位时，首先通过接收信号频率波长计算模块计算接收信号的频率和波长，根据信号波长、频率和定位算法自动调整天线间距，再利用相互垂直的水平天线组和竖直天线组分别计算信号的方位角、高低角或者使用ACC雷达摄像机测量信号的方位角、高低角，结合激光测距仪测量目标到天线的距离和目标高度，进而对可视目标进行定位；

对于不可视目标定位时，通过位于两处的定位天线系统的水平天线组协作计算信号的方位角，根据得到的两个方位角以及两个定位天线系统之间的距离对不可视目标进行定位。

进一步地，在信号源多的情况下，通过改变天线间距增加天线自由度对多点信号源进行定位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

为了解决目前通信天线功能单一、天线灵活性不够的问题，本发明提出一种基于协作通信的定位天线系统，在需要对某可视目标进行定位时，使用接收信号频率波长计算模块计算接收信号的频率和波长，根据信号波长、频率和定位算法自动调整天线间距，以适应多种波长、多种定位算法、大宽带通信频率等多种需求，再利用相互垂直的天线组的定位模块或者ACC雷达摄像机测量信号的方位角、高低角，结合激光测距仪测量目标到天线的距离和目标高度，实现对可视目标进行定位；对于不可视目标，通过多个基于协作通信的定位天线系统进行协作定位。控制机控制每根天线做上下伸缩、±90度范围内左右倾斜运动，使载有天线的车辆能顺利通过限宽、限高、隧道、丛林等复杂道路，增强了天线灵活性。本发明的基于协作通信的定位天线系统既方便调整天线，又可以对目标进行定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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发明的一些实施例，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他的附图。

图1是本发明实施例的基于协作通信的定位天线系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的控制机的面板显示界面图；

图3是本发明实施例的车辆遇到限高时天线调整后的状态示意图；

图4是本发明实施例的车辆遇到限高时将天线收起的状态示意图。

图中序号所代表的含义为：

1.激光测距仪，2.ACC雷达摄像机，3.控制机，4.天线，5.天线底座，6.伸缩杆，7.万向轮，8.天线上下左右伸缩控制按钮，9.天线倾斜控制按钮，10.天线主体开关按钮，11.安全帽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例的基于协作通信的定位天线系统包括天线组、激光测距仪1、ACC雷达摄像机2和控制机3四个部分，天线组包括相互垂直的水平天线组和竖直天线组，水平天线组和竖直天线组均包含N个天线主体，N≥3，本实例中的水平天线组和竖直天线组均包含3个天线主体。每个天线主体包括自动伸缩可倾斜的天线4、天线底座5以及设置于天线底座5内的上下左右伸缩驱动模块、倾斜驱动模块、接收信号频率波长计算模块、定位模块和天线固定组件。天线组、激光测距仪1、ACC雷达摄像机2分别与控制机3通过有线或者无线方式连接。可选的，控制机3可以是计算机、手机、平板等电子设备。

针对不同定位算法对天线间距要求不同的问题，使每个天线组中的相邻两个天线主体之间的间距可调整，以适应多种定位算法、多种波长、大宽带通信频率等多种需求，同时通过改变天线间距增加了天线自由度，实现对多点信号源的定位。

水平天线组和竖直天线组交叉点的天线主体作为基准参考天线主体，基准参考天线主体通过支架上的孔用螺栓固定在车上，或者通过地钉直接固定在地面上。每个天线组中的相邻天线底座5之间通过伸缩杆6连接，天线之间的间距可以通过伸缩杆6进行调整。基准参考天线主体、激光测距仪1、ACC雷达摄像机2的中心点在一条直线上。

优选的，天线采用PCB天线、喇叭天线、螺旋天线或振子天线；天线的极化方式为圆极化、线极化或者椭圆极化。

天线底座5的正面设置有天线上下左右伸缩控制按钮8、天线倾斜控制按钮9和天线主体开关按钮10，天线上下左右伸缩控制按钮8与上下左右伸缩驱动模块连接，天线倾斜控制按钮9与倾斜驱动模块连接，天线主体开关按钮10用于控制天线的开启和关闭，当天线开启时，天线自动展开，当天线关闭时，天线自动收缩成预置状态。天线底座5的上表面设置有凹槽，用于收纳天线。在天线收回情况下，通过安全帽11的密封可以实现对天线进行防潮、防尘和防老化保护，天线长期不使用时，可以卸下来进行维护保养后存放在天线盒内。

上下左右伸缩驱动模块用于控制天线上下伸缩以及伸缩杆6左右伸缩，上下左右伸缩驱动模块既可以由天线上下左右伸缩控制按钮8控制，也可以通过控制机3控制；倾斜驱动模块用于控制天线在±90度范围内左右倾斜，倾斜驱动模块既可以由天线倾斜控制按钮9控制，也可以通过控制机3控制。

接收信号频率波长计算模块用于计算接收信号的频率和波长；水平天线组的定位模块用于计算信号的方位角，水平天线组的定位模块可采用DOA算法，竖直天线组的定位模块用于计算信号的高低角。

水平天线组和竖直天线组中除基准参考天线主体以外其他的天线主体的下端设置有带有止锁功能的万向轮7，这些天线主体在伸缩杆6的控制下可以左右滑动，当到达天线间距后，伸缩杆6停止运动，万向轮7锁止。

ACC雷达摄像机2上设置有刻度盘用于读取信号的方位角和高低角，或者ACC雷达摄像机2将测量的方位角和高低角直接传送给控制机3，既可以通过刻度盘读取方位角和高低角，也可通过控制机3的面板读取方位角和高低角。

携带基于协作通信的定位天线系统的车辆行使在公路上，在路过限高、隧道、丛林等复杂道路情况时，为不影响天线通信，将天线的高度和倾斜度调整到最佳状态(如图3所示)，同时在控制机3的面板上显示天线的高度和倾斜度数据(如图2所示)，当然，对于限高比较低的情况，也可以直接将天线收起来(如图4所示)，通过障碍后再将天线恢复。

本实施例还提供一种基于协作通信的定位天线系统的定位方法，包括以下两种情况：

如图1所示，对于可视目标定位时，本实例目标为无人机，首先接收信号频率波长计算模块通过傅里叶变换技术计算无人机发射信号的频率和波长，根据信号波长、频率和定位算法自动调整天线间距，再利用相互垂直的水平天线组和竖直天线组分别计算无人机发射信号的方位角、高低角，结合激光测距仪1测量无人机到天线的距离和无人机高度，进而对无人机进行定位。在信号源多的情况下，通过改变天线间距增加天线自由度，实现对多点信号源进行定位。

无人机发射信号方位角和高低角的获取方式也可以为：利用可360度旋转的ACC雷达摄像机2瞄准目标，控制机3读出ACC雷达摄像机2测量信号的方位角、高低角。在多目标情况下，ACC雷达摄像机2自由旋转搜索目标，逐个进行定位。

对于不可视目标定位时，通过位于两处的定位天线系统的水平天线组协作计算信号的方位角，根据得到的两个方位角以及两个定位天线系统之间的距离对不可视目标进行定位。

针对多信源情况下天线自由度不足的问题，设计出通过改变天线间距增加天线自由度。假如信源距离接收天线足够远，到达天线是平行波，其中测量信号源方位角的一组天线有N(N≥3)根天线，周期为T的信源S

若天线间距变化所需时间为τ，则变化p次后第i根天线的接收信号为：

若τ＝LT,L＝1,2,…，则天线间距变化P次后，第i根天线的接收信号为：

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天线间距变化P次后，将N根天线等效成一个N×P的天线矩阵，该天线矩阵每组天线任意相邻两根天线间距可以根据需要调整，且每组天线的间距为q＝cτ，其中c为光速。

相邻两根天线的相位差为：

其中P为天线间距变化次数，d

理论上，随着天线间距改变次数p的增加，可以实现对任意多信源进行定位。这不仅降低了天线的硬件数量和成本，而且大大增加了天线的自由度。需要说明的是任意两次天线间距变化量的差都不能是波长的整数倍，即d

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。