一种基于UWB的双基站定位标签的方法及系统与流程

一种基于uwb的双基站定位标签的方法及系统
技术领域
1.本发明涉及uwb定位技术领域，尤其公开了一种基于uwb的双基站定位标签的方法及系统。


背景技术：

2.uwb（ultra wide band，超宽带）技术是一种无线载波通信技术，uwb不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。uwb技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。现有的uwb定位方案存在的缺点问题点为：1、目前精准定位方案均采用三个及以上的基站实现标签定位，基站造价昂贵、定位成本高；2、目前单基站定位方向角度偏移严重，存在定位准确性差的现象。
3.因此，现有uwb定位方案存在的上述缺陷，是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于uwb的双基站定位标签的方法及系统，旨在解决现有uwb定位方案存在的上述缺陷。
5.本发明的一方面涉及一种基于uwb的双基站定位标签的方法，应用于基于uwb的定位设备中，基于uwb的定位设备包括主基站、从基站、以及标签，主基站、从基站和标签之间建立通信连接，基于uwb的双基站定位标签的方法包括以下步骤：主基站开机后广播自身信息，实现信号发射和接收；当主基站与从基站完成蓝牙连接后，主基站与从基站之间通过tof方案进行第一时间差收集，采用uwb方案计算主基站与从基站之间的距离及角度；标签开机后更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后与标签建立连接，标签发送自身mac地址给主基站；主基站通对标签的mac地址进行数据加密，并将加密后的数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信连接；标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1；标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签与从基站之间的角度θ2；定义主基站与从基站的中心点为原点，根据标签与主基站之间的距离r1、以及标签与从基站之间的距离r2，计算得出标签可能位置为位置点a、或者位置点b；通过预设的第一角度阈值和第二角度阈值分别对位置点a和位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点；则保留的正确点为标签在当前时间的位置，完成主基站和从基站双
基站的定位。
6.进一步地，标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1的步骤中，标签与主基站之间的距离r1通过tof方案进行计算，标签与主基站之间的角度θ1通过aod角度进行计算。
7.进一步地，标签与主基站之间的角度θ1通过以下公式计算出：θ1=arcos((ψ1λ)/(2πd1))其中，θ1为标签与主基站之间的角度，ψ1为来自主基站上的第一uwb天线的信号相位与来自主基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，d1为主基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
8.进一步地，标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签与从基站之间的角度θ2的步骤中，标签与从基站之间的距离r2通过tof方案进行计算，标签与从基站之间的角度θ2通过aod角度进行计算。
9.进一步地，定义主基站与从基站的中心点为原点，根据标签与主基站之间的距离r1、以及标签与从基站之间的距离r2，计算得出标签可能位置为位置点a、或者位置点b的步骤包括：以主基站为圆心、标签与主基站之间的距离r1为半径画圆；以从基站为圆心、标签与从基站之间的距离r2为半径画圆；定义两个圆交点上方为位置点a，交点下方为位置点b；设定主基站为零点，从基站方向为x轴正向，主从基站上方为y轴正向，则位置点a、位置点b的坐标为（（r
32
+r
12-r
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）/2/r3，
±
（（r
12
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12-r
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）1/2），若（θ1+θ2）《180
°
，则计算的点为位置点a（（r
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+r
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，则计算的点为位置点b（（r
32
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）1/2），其中，r1为主基站与标签之间的距离，r2为从基站与标签之间的距离，r3为主基站与从基站之间的距离；θ1为主基站与标签之间的角度，θ2为从基站与标签之间的角度。
10.本发明的另一方面涉及一种基于uwb的双基站定位标签的系统，应用于基于uwb的定位设备中，基于uwb的定位设备包括主基站、从基站、以及标签，主基站、从基站和标签之间建立通信连接，基于uwb的双基站定位标签的系统包括：第一通信连接模块，用于主基站开机后广播自身信息，实现信号发射和接收；第一计算模块，用于当主基站与从基站完成蓝牙连接后，主基站与从基站之间通过tof方案进行第一时间差收集，采用uwb方案计算主基站与从基站之间的距离及角度；第二通信连接模块，用于标签开机后更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后与标签建立连接，标签发送自身mac地址给主基站；主基站通对标签的mac地址进行数据加密，并将加密后的数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信连接；第二计算模块，用于标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1；
第三计算模块，用于标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签与从基站之间的角度θ2；第四计算模块，用于定义主基站与从基站的中心点为原点，根据标签与主基站之间的距离r1、以及标签与从基站之间的距离r2，计算得出标签可能位置为位置点a、或者位置点b；定位模块，用于通过预设的第一角度阈值和第二角度阈值分别对位置点a和位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点；则保留的正确点为标签在当前时间的位置，完成主基站和从基站双基站的定位。
11.进一步地，第二计算模块中，标签与主基站之间的距离r1通过tof方案进行计算，标签与主基站之间的角度θ1通过aod角度进行计算。
12.进一步地，标签与主基站之间的角度θ1通过以下公式计算出：θ1=arcos((ψ1λ)/(2πd1))其中，θ1为标签与主基站之间的角度，ψ1为来自主基站上的第一uwb天线的信号相位与来自主基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，d1为主基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
13.进一步地，第三计算模块中，标签与从基站之间的距离r2通过tof方案进行计算，标签与从基站之间的角度θ2通过aod角度进行计算。
14.进一步地，第四计算模块包括：第一绘图单元，用于以主基站为圆心、标签与主基站之间的距离r1为半径画圆；第二绘图单元，用于以从基站为圆心、标签与从基站之间的距离r2为半径画圆；计算单元，用于定义两个圆交点上方为位置点a，交点下方为位置点b；设定主基站为零点，从基站方向为x轴正向，主从基站上方为y轴正向，则位置点a、位置点b的坐标为（（r
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22
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°
，则计算的点为位置点b（（r
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12
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32
/4-（r
12-r
22
）2/4/r
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）1/2），其中，r1为主基站与标签之间的距离，r2为从基站与标签之间的距离，r3为主基站与从基站之间的距离；θ1为主基站与标签之间的角度，θ2为从基站与标签之间的角度。
15.本发明所取得的有益效果为：本发明提供一种基于uwb的双基站定位标签的方法及系统，应用于基于uwb的定位设备中，通过主基站开机后广播自身信息，实现信号发射和接收；当主基站与从基站完成蓝牙连接后，主基站与从基站之间通过tof方案进行第一时间差收集，采用uwb方案计算主基站与从基站之间的距离及角度；标签开机后更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后与标签建立连接，标签发送自身mac地址给主基站；主基站通对标签的mac地址进行数据加密，并将加密后的数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信连接；标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1；标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签
与从基站之间的角度θ2；定义主基站与从基站的中心点为原点，根据标签与主基站之间的距离r1、以及标签与从基站之间的距离r2，计算得出标签可能位置为位置点a、或者位置点b；通过预设的第一角度阈值和第二角度阈值分别对位置点a和位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点；则保留的正确点为标签在当前时间的位置，完成主基站和从基站双基站的定位。本发明提供的基于uwb的双基站定位标签的方法及系统，通过双基站实现精准定位，通过蓝牙进行基站信息通讯连接和通信群组建立，相比三个或三个以上基站进行定位降低成本，相比单基站定位提高定位精度。
附图说明
16.图1为本发明提供的基于uwb的双基站定位标签的方法一实施例的流程示意图；图2为本发明基于uwb的定位设备一实施例的功能框图；图3为图1中所示的定义主基站与从基站的中心点为原点，根据标签与主基站之间的距离r1、以及标签与从基站之间的距离r2，计算得出标签可能位置为位置点a、或者位置点b的步骤一实施例的流程示意图；图4为本发明tof的实现和优化示意图；图5为本发明aod角度计算的原理示意图；图6为本发明通过主基站和从基站计算出与标签的距离的原理示意图；图7为本发明提供的基于uwb的双基站定位标签的系统一实施例的功能框图；图8为图7中所示的定位模块一实施例的功能模块示意图。
17.附图标号说明：100、主基站；200、从基站；300、标签；10、第一通信连接模块；20、第一计算模块；30、第二通信连接模块；40、第二计算模块；50、第三计算模块；60、第四计算模块；70、定位模块；61、第一绘图单元；62、第二绘图单元；63、计算单元。
具体实施方式
18.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
19.如图1和图2所示，本发明第一实施例提出一种本发明的一方面涉及一种基于uwb的双基站定位标签的方法，应用于基于uwb的定位设备中，基于uwb的定位设备包括主基站100、从基站200、以及标签300，主基站100、从基站200和标签300之间建立通信连接，主基站单元100包括第一uwb模组单元110及与第一uwb模组单元110相连接的第一uwb天线组120，从基站200包括第二uwb模组单元210及与第二uwb模组单元210相连接的第二uwb天线组220，标签300包括第三uwb模组单元310及分别与第三uwb模组单元310相连接的第三uwb天线组320、方向传感单元330和动作执行模块340。在本实施例中，通过将标签300作为定位点进行辅助定位，并通过对定位点进行取舍，实现精准定位。其中，主基站单元100、从基站200和标签300之间可建立蓝牙通信连接，也可以建立其他通信连接，均在本专利的保护范围之内。本实施例提供的基于uwb的定位系统，第一uwb天线组120包括第一蓝牙芯片及与第一蓝牙芯片相连接的第一蓝牙天线。第二uwb天线组220包括第二蓝牙芯片及与第二蓝牙芯片相连接的第二蓝牙天线。第三uwb天线组320包括第三蓝牙芯片及与第三蓝牙芯片相连接的第
三蓝牙天线。
20.在本实施例中，基于uwb的双基站定位标签的方法包括以下步骤：步骤s100、主基站开机后广播自身信息，实现信号发射和接收。
21.通过闪存及芯片预存软件，通过适配器或内置电池进行pcba供电，开机后主基站通过其内部设置的蓝牙芯片广播自身信息，通过其内部设置的蓝牙天线实现信号发射和接收。
22.步骤s200、当主基站与从基站完成蓝牙连接后，主基站与从基站之间通过tof方案进行第一时间差收集，采用uwb方案计算主基站与从基站之间的距离及角度。
23.主基站与从基站完成蓝牙连接后，通过flash预存软件实现软件层面的分组定义，通过uwb芯片控制pcba释放信号，通过uwb天线进行信号发射与接收，通过tof方案进行时间差收集（tof采用双向测距方式（ds-twr），其中，ds-twr测距原理如附图4所示），通过uwb芯片进行主基站与从基站距离及角度计算（距离计算通过tof方案进行计算，角度计算通过aod（出发角度法）进行计算，aod计算原理如附图5及说明所示），通过芯片及闪存对信息进行记录留存。
24.请见图4，devicea、deviveb为主基站与从基站。tx为发射数据，rx为接收数据。主基站与从基站之间的距离通过tof测距公式进行得出：
ꢀꢀ
（1）公式（1）中，t
prop
为信号飞行时间，t
round1
为第一次通讯循环时间，t
reply1
为第一次信号回复时间，
tround2
为第二次通讯循环时间，t
reply2
为第二次信号回复时间使用两个往返时间测量，并将其组合在一起，从而得到飞行时间结果，最后乘以光速，即可获得设备之间的实时距离，为tprop*299792458米。
25.步骤s300、标签开机后更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后与标签建立连接，标签发送自身mac地址给主基站；主基站通对标签的mac地址进行数据加密，并将加密后的数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信连接。
26.标签（实际被定位设备，可自由移动）通过内置电池进行pcba供电，开机后通过蓝牙芯片更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后通过蓝牙芯片进行标签与主基站的连接，标签发送自身mac地址给主基站。主基站通过uwb芯片内置功能对标签的mac地址进行数据加密，通过uwb芯片进行数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid（media access control identifier，媒体访问控制标识符）作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信。
27.步骤s400、标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1。
28.标签通过uwb芯片控制pcba释放信号，通过uwb天线进行信号发射与接收，通过tof方案进行时间差收集。定义标签与主基站通过tof方案进行时间差收集后，通过uwb芯片进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出距离为r1、角度为θ1。
29.如图5所示，假设主基站的天线阵列包含两根天线且天线间距为d1，标签使用一根
天线接收信号，则主基站上来自第一uwb天线的信号相位与来自第二uwb天线的信号相位间的差值ψ1的计算公式如下：ψ1=(2πd1cos(θ1))/λ （2）公式（2）中，ψ1为来自主基站的第一uwb天线的信号相位与来自主基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，θ1为标签与主基站之间的角度，d1为主基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
30.标签与主基站之间的角度θ1通过以下公式计算出：θ1=arcos((ψ1λ)/(2πd1))
ꢀꢀ
（3）公式（3）中，θ1为标签与主基站之间的角度，ψ1为来自主基站的第一uwb天线的信号相位与来自主基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，d1为主基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
31.步骤s500、标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签与从基站之间的角度θ2。
32.定义标签与从基站通过tof方案进行时间差收集后，通过uwb芯片进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出距离为r2、角度为θ2。
33.假设从基站的天线阵列包含两根天线且天线间距为d2，标签使用一根天线接收信号，则从基站上来自第一uwb天线的信号相位与来自第二uwb天线的信号相位间的差值ψ2的计算公式如下：ψ2=(2πd2cos(θ2))/λ （4）公式（4）中，ψ2为来自从基站的第一uwb天线的信号相位与来自从基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，θ2为标签与从基站之间的角度，d2为从基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
34.标签与主基站之间的角度θ2通过以下公式计算出：θ2=arcos((ψ2λ)/(2πd2))
ꢀꢀ
（5）公式（5）中，θ2为标签与从基站之间的角度，ψ2为来自从基站的第一uwb天线的信号相位与来自从基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，d2为从基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
35.步骤s600、定义主基站与从基站的中心点为原点，根据标签与主基站之间的距离r1、以及标签与从基站之间的距离r2，计算得出标签可能位置为位置点a、或者位置点b。
36.定义标签与从基站通过tof方案进行时间差收集后，通过uwb芯片进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出距离为r2、角度为θ2。通过定义主从基站中心点为原点，通过r1和r2计算得出标签可能位置为位置点a、位置点b。
37.步骤s700、通过预设的第一角度阈值和第二角度阈值分别对位置点a和位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点；则保留的正确点为标签在当前时间的位置，完成主基站和从基站双基站的定位。
38.通过预设的第一角度阈值θ1
±3°
和第二角度阈值θ2
±3°
对位置点a和位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点。则该点为当前时间标签的精准位置，完成双基站的tof及角度判定精准定位。
39.本实施例提供的基于uwb的双基站定位标签的方法，应用于基于uwb的定位设备中，同现有技术相比，通过主基站开机后广播自身信息，实现信号发射和接收；当主基站与从基站完成蓝牙连接后，主基站与从基站之间通过tof方案进行第一时间差收集，采用uwb方案计算主基站与从基站之间的距离及角度；标签开机后更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后与标签建立连接，标签发送自身mac地址给主基站；主基站通对标签的mac地址进行数据加密，并将加密后的数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信连接；标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1；标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签与从基站之间的角度θ2；定义主基站与从基站的中心点为原点，根据标签与主基站之间的距离r1、以及标签与从基站之间的距离r2，计算得出标签可能位置为位置点a、或者位置点b；通过预设的第一角度阈值和第二角度阈值分别对位置点a和位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点；则保留的正确点为标签在当前时间的位置，完成主基站和从基站双基站的定位。本实施例提供的基于uwb的双基站定位标签的方法，通过双基站实现精准定位，通过蓝牙进行基站信息通讯连接和通信群组建立，相比三个或三个以上基站进行定位降低成本，相比单基站定位提高定位精度。
40.进一步地，请见图3和图6，图3为图1中所示的步骤s600一实施例的流程示意图，在本实施例中，步骤s600包括：步骤s610、以主基站为圆心、标签与主基站之间的距离r1为半径画圆。
41.步骤s620、以从基站为圆心、标签与从基站之间的距离r2为半径画圆。
42.步骤s630、定义两个圆交点上方为位置点a，交点下方为位置点b；设定主基站为零点，从基站方向为x轴正向，主从基站上方为y轴正向，则位置点a、位置点b的坐标为（（r
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）1/2）；若（θ1+θ2）》180
°
，则计算的点为位置点b（（r
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22
）/2/r3，-（（r
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22
）2/4/r
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）1/2），其中，r1为主基站与标签之间的距离，r2为从基站与标签之间的距离，r3为主基站与从基站之间的距离；θ1为主基站与标签之间的角度，θ2为从基站与标签之间的角度。
43.本实施例提供的基于uwb的双基站定位标签的方法，应用于基于uwb的定位设备中，同现有技术相比，通过以主基站为圆心、标签与主基站之间的距离r1为半径画圆；以从基站为圆心、标签与从基站之间的距离r2为半径画圆；定义两个圆交点上方为位置点a，交点下方为位置点b；设定主基站为零点，从基站方向为x轴正向，主从基站上方为y轴正向，则位置点a、位置点b的坐标为（（r
32
+r
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22
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）1/2），若（θ1+θ2）《180
°
，则计算的点为位置点a（（r
32
+r
12-r
22
）/2/r3，（（r
12
+r
22
）/2-r
32
/4-（r
12-r
22
）2/4/r
32
）1/2）；若（θ1+θ2）》180
°
，则计算的点为位置点b（（r
32
+r
12-r
22
）/2/r3，-（（r
12
+r
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）/2-r
32
/4-（r
12-r
22
）2/4/r
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）1/2），其中，r1为主基站与标签之间的距离，r2为从基站与标签之间的距离，r3为主基站与从基站之间的距离；θ1为主基站与标签之间的角度，θ2为从基站与标签之间的角度。本实施例提供的基于uwb的双基站定位标签的方法，通过双基站实现精准定位，通过蓝牙进行基站信息通讯连接和通信群组建立，相比三个或三个以上基站进行定
位降低成本，相比单基站定位提高定位精度。
44.如图7所示，图7为本发明提供的基于uwb的双基站定位标签的系统一实施例的功能框图，在本实施例中，基于uwb的双基站定位标签的系统应用于基于uwb的定位设备中，基于uwb的定位设备包括主基站100、从基站200、以及标签300，主基站100、从基站200和标签300之间建立通信连接，基于uwb的双基站定位标签的系统包括第一通信连接模块10、第一计算模块20、第二通信连接模块30、第二计算模块40、第三计算模块50、第四计算模块60和定位模块70，其中，第一通信连接模块10，用于主基站开机后广播自身信息，实现信号发射和接收；第一计算模块20，用于当主基站与从基站完成蓝牙连接后，主基站与从基站之间通过tof方案进行第一时间差收集，采用uwb方案计算主基站与从基站之间的距离及角度；第二通信连接模块30，用于标签开机后更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后与标签建立连接，标签发送自身mac地址给主基站；主基站通对标签的mac地址进行数据加密，并将加密后的数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信连接；第二计算模块40，用于标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1；第三计算模块50，用于标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签与从基站之间的角度θ2；第四计算模块60，用于定义主基站与从基站的中心点为原点，根据标签与主基站之间的距离r1、以及标签与从基站之间的距离r2，计算得出标签可能位置为位置点a、或者位置点b；定位模块70，用于通过预设的第一角度阈值和第二角度阈值分别对位置点a和位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点；则保留的正确点为标签在当前时间的位置，完成主基站和从基站双基站的定位。
45.第一通信连接模块10用于通过闪存及芯片预存软件，通过适配器或内置电池进行pcba供电，开机后主基站通过其内部设置的蓝牙芯片广播自身信息，通过其内部设置的蓝牙天线实现信号发射和接收。
46.第一计算模块20用于基站与从基站完成蓝牙连接后，通过flash预存软件实现软件层面的分组定义，通过uwb芯片控制pcba释放信号，通过uwb天线进行信号发射与接收，通过tof方案进行时间差收集（tof采用双向测距方式（ds-twr），其中，ds-twr测距原理如附图4所示），通过uwb芯片进行主基站与从基站距离及角度计算（距离计算通过tof方案进行计算，角度计算通过aod（出发角度法）进行计算，aod计算原理如附图5及说明所示），通过芯片及闪存对信息进行记录留存。
47.请见图5，devicea、deviveb为主基站与从基站。tx为发射数据，rx为接收数据。主基站与从基站之间的距离通过tof测距公式进行得出：
ꢀꢀ
（6）公式（6）中，t
prop
为信号飞行时间，t
round1
为第一次通讯循环时间，t
reply1
为第一次信号回复时间，
tround2
为第二次通讯循环时间，t
reply2
为第二次信号回复时间使用两个往返时间测量，并将其组合在一起，从而得到飞行时间结果，最后乘以光速，即可获得设备之间的实时距离，为tprop*299792458米。
48.第二通信连接模块30用于标签（实际被定位设备，可自由移动）通过内置电池进行
pcba供电，开机后通过蓝牙芯片更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后通过蓝牙芯片进行标签与主基站的连接，标签发送自身mac地址给主基站。主基站通过uwb芯片内置功能对标签的mac地址进行数据加密，通过uwb芯片进行数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid（media access control identifier，媒体访问控制标识符）作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信。
49.第二计算模块40中标签通过uwb芯片控制pcba释放信号，通过uwb天线进行信号发射与接收，通过tof方案进行时间差收集。定义标签与主基站通过tof方案进行时间差收集后，通过uwb芯片进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出距离为r1、角度为θ1。
50.如图5所示，假设主基站的天线阵列包含两根天线且天线间距为d1，标签使用一根天线接收信号，则主基站上来自第一uwb天线的信号相位与来自第二uwb天线的信号相位间的差值ψ1的计算公式如下：ψ1=(2πd1cos(θ1))/λ （7）公式（7）中，ψ1为来自主基站的第一uwb天线的信号相位与来自主基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，θ1为标签与主基站之间的角度，d1为主基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
51.标签与主基站之间的角度θ1通过以下公式计算出：θ1=arcos((ψ1λ)/(2πd1))
ꢀꢀ
（8）公式（8）中，θ1为标签与主基站之间的角度，ψ1为来自主基站的第一uwb天线的信号相位与来自主基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，d1为主基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
52.第三计算模块50定义标签与从基站通过tof方案进行时间差收集后，通过uwb芯片进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出距离为r2、角度为θ2。
53.假设从基站的天线阵列包含两根天线且天线间距为d2，标签使用一根天线接收信号，则从基站上来自第一uwb天线的信号相位与来自第二uwb天线的信号相位间的差值ψ2的计算公式如下：ψ2=(2πd2cos(θ2))/λ （9）公式（9）中，ψ2为来自从基站的第一uwb天线的信号相位与来自从基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，θ2为标签与从基站之间的角度，d2为从基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
54.标签与主基站之间的角度θ2通过以下公式计算出：θ2=arcos((ψ2λ)/(2πd2))
ꢀꢀ
（10）公式（10）中，θ2为标签与从基站之间的角度，ψ2为来自从基站的第一uwb天线的信号相位与来自从基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，d2为从基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。
55.第四计算模块60定义标签与从基站通过tof方案进行时间差收集后，通过uwb芯片进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出距离为r2、角度为θ2。通过定义主从基站中心点为原点，通过r1和r2计算得出标签可能位置为位置点a、位置点b。
56.定位模块70通过预设的第一角度阈值θ1
±3°
和第二角度阈值θ2
±3°
对位置点a和位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点。则该点为当前时间标签的精准位置，完成双基r22
）2/4/r
32
）1/2），其中，r1为主基站与标签之间的距离，r2为从基站与标签之间的距离，r3为主基站与从基站之间的距离；θ1为主基站与标签之间的角度，θ2为从基站与标签之间的角度。本实施例提供的基于uwb的双基站定位标签的系统，通过双基站实现精准定位，通过蓝牙进行基站信息通讯连接和通信群组建立，相比三个或三个以上基站进行定位降低成本，相比单基站定位提高定位精度。
60.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。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。

技术特征：
1.一种基于uwb的双基站定位标签的方法，应用于基于uwb的定位设备中，所述基于uwb的定位设备包括主基站（100）、从基站（200）、以及标签（300），所述主基站（100）、所述从基站（200）和所述标签（300）之间建立通信连接，其特征在于，所述基于uwb的双基站定位标签的方法包括以下步骤：主基站开机后广播自身信息，实现信号发射和接收；当主基站与从基站完成蓝牙连接后，主基站与从基站之间通过tof方案进行第一时间差收集，采用uwb方案计算主基站与从基站之间的距离及角度；标签开机后更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后与所述标签建立连接，标签发送自身mac地址给所述主基站；主基站通对标签的mac地址进行数据加密，并将加密后的数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信连接；标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1；标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签与从基站之间的角度θ2；定义主基站与从基站的中心点为原点，根据所述标签与主基站之间的距离r1、以及所述标签与从基站之间的距离r2，计算得出所述标签可能位置为位置点a、或者位置点b；通过预设的第一角度阈值和第二角度阈值分别对所述位置点a和所述位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点；则保留的所述正确点为所述标签在当前时间的位置，完成所述主基站和所述从基站双基站的定位。2.如权利要求1所述的基于uwb的双基站定位标签的方法，其特征在于，所述标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1的步骤中，所述标签与主基站之间的距离r1通过tof方案进行计算，所述标签与主基站之间的角度θ1通过aod角度进行计算。3.如权利要求2所述的基于uwb的双基站定位标签的方法，其特征在于，所述标签与主基站之间的角度θ1通过以下公式计算出：θ1=arcos((ψ1λ)/(2πd1))其中，θ1为标签与主基站之间的角度，ψ1为来自主基站上的第一uwb天线的信号相位与来自主基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，d1为主基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。4.如权利要求1所述的基于uwb的双基站定位标签的方法，其特征在于，所述标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签与从基站之间的角度θ2的步骤中，所述标签与从基站之间的距离r2通过tof方案进行计算，所述标签与从基站之间的角度θ2通过aod角度进行计算。5.如权利要求1所述的基于uwb的双基站定位标签的方法，其特征在于，所述定义主基站与从基站的中心点为原点，根据所述标签与主基站之间的距离r1、以及所述标签与从基站之间的距离r2，计算得出所述标签可能位置为位置点a、或者位置点b的步骤包括：
以所述主基站为圆心、所述标签与主基站之间的距离r1为半径画圆；以所述从基站为圆心、所述标签与从基站之间的距离r2为半径画圆；定义两个圆交点上方为位置点a，交点下方为位置点b；设定主基站为零点，从基站方向为x轴正向，主从基站上方为y轴正向，则位置点a、位置点b的坐标为（（r
32
+r
12-r
22
）/2/r3，
±
（（r
12
+r
22
）/2-r
32
/4-（r
12-r
22
）2/4/r
32
）1/2），若（θ1+θ2）<180
°
，则计算的点为位置点a（（r
32
+r
12-r
22
）/2/r3，（（r
12
+r
22
）/2-r
32
/4-（r
12-r
22
）2/4/r
32
）1/2）；若（θ1+θ2）>180
°
，则计算的点为位置点b（（r
32
+r
12-r
22
）/2/r3，-（（r
12
+r
22
）/2-r
32
/4-（r
12-r
22
）2/4/r
32
）1/2），其中，r1为主基站与标签之间的距离，r2为从基站与标签之间的距离，r3为主基站与从基站之间的距离；θ1为主基站与标签之间的角度，θ2为从基站与标签之间的角度。6.一种基于uwb的双基站定位标签的系统，应用于基于uwb的定位设备中，所述基于uwb的定位设备包括主基站（100）、从基站（200）、以及标签（300），所述主基站（100）、所述从基站（200）和所述标签（300）之间建立通信连接，其特征在于，所述基于uwb的双基站定位标签的系统包括：第一通信连接模块（10），用于主基站开机后广播自身信息，实现信号发射和接收；第一计算模块（20），用于当主基站与从基站完成蓝牙连接后，主基站与从基站之间通过tof方案进行第一时间差收集，采用uwb方案计算主基站与从基站之间的距离及角度；第二通信连接模块（30），用于标签开机后更改自身为可发现状态，主基站搜索到标签后与所述标签建立连接，标签发送自身mac地址给所述主基站；主基站通对标签的mac地址进行数据加密，并将加密后的数据收发至标签和从基站，通过加密后的macid作为通讯依据，实现主基站、从基站及标签之间的通信连接；第二计算模块（40），用于标签与主基站之间通过tof方案进行第二时间差收集后，采用uwb方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离r1、标签与主基站之间的角度θ1；第三计算模块（50），用于标签与从基站之间通过tof方案进行第三时间差收集后，采用uwb方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离r2，标签与从基站之间的角度θ2；第四计算模块（60），用于定义主基站与从基站的中心点为原点，根据所述标签与主基站之间的距离r1、以及所述标签与从基站之间的距离r2，计算得出所述标签可能位置为位置点a、或者位置点b；定位模块（70），用于通过预设的第一角度阈值和第二角度阈值分别对所述位置点a和所述位置点b进行判断，舍弃错误点，保留正确点；则保留的所述正确点为所述标签在当前时间的位置，完成所述主基站和所述从基站双基站的定位。7.如权利要求6所述的基于uwb的双基站定位标签的系统，其特征在于，所述第二计算模块（40）中，所述标签与主基站之间的距离r1通过tof方案进行计算，所述标签与主基站之间的角度θ1通过aod角度进行计算。8.如权利要求7所述的基于uwb的双基站定位标签的系统，其特征在于，所述标签与主基站之间的角度θ1通过以下公式计算出：θ1=arcos((ψ1λ)/(2πd1))其中，θ1为标签与主基站之间的角度，ψ1为来自主基站上的第一uwb天线的信号相位与
来自主基站上的第二uwb天线的信号相位间的差值，λ为信号波长，d1为主基站上的第一uwb天线与主基站上的第二uwb天线之间的天线间距，π为圆周率。9.如权利要求6所述的基于uwb的双基站定位标签的系统，其特征在于，所述第三计算模块（50）中，所述标签与从基站之间的距离r2通过tof方案进行计算，所述标签与从基站之间的角度θ2通过aod角度进行计算。10.如权利要求6所述的基于uwb的双基站定位标签的系统，其特征在于，所述第四计算模块（60）包括：第一绘图单元（61），用于以所述主基站为圆心、所述标签与主基站之间的距离r1为半径画圆；第二绘图单元（62），用于以所述从基站为圆心、所述标签与从基站之间的距离r2为半径画圆；计算单元（63），用于定义两个圆交点上方为位置点a，交点下方为位置点b；设定主基站为零点，从基站方向为x轴正向，主从基站上方为y轴正向，则位置点a、位置点b的坐标为（（r
32
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）1/2）；若（θ1+θ2）>180
°
，则计算的点为位置点b（（r
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）/2/r3，-（（r
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）2/4/r
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）1/2），其中，r1为主基站与标签之间的距离，r2为从基站与标签之间的距离，r3为主基站与从基站之间的距离；θ1为主基站与标签之间的角度，θ2为从基站与标签之间的角度。

技术总结
本发明公开了一种基于UWB的双基站定位标签的方法及系统，通过当主基站与从基站完成蓝牙连接后，主基站与从基站之间通过TOF方案进行第一时间差收集，采用UWB方案计算主基站与从基站之间的距离及角度；标签与主基站之间通过TOF方案进行第二时间差收集后，采用UWB方案计算标签与主基站之间距离及角度，计算得出标签与主基站之间的距离R1、标签与主基站之间的角度θ1；标签与从基站之间通过TOF方案进行第三时间差收集后，采用UWB方案进行标签与主基站距离及角度计算，计算得出标签与从基站之间的距离R2，标签与从基站之间的角度θ2。本发明相比三个或三个以上基站进行定位降低成本，相比单基站定位提高定位精度。比单基站定位提高定位精度。比单基站定位提高定位精度。


技术研发人员：丁云鹤 霍新明 李林显 胥亚伟
受保护的技术使用者：深圳派特科技有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/5