一种超宽带室内定位方法技术

本发明专利技术提供一种超宽带室内定位方法，主要为了解决目前超宽带室内定位系统精度低、用户数量受限、时间同步误差大等问题。首先建立室内导航坐标系，并布置基站；其次基站按照系统信号交流机制发射定位信号，使用户所持定位设备只被动接收来自基站的测距信号；然后利用卡尔曼滤波算法的时钟偏差补偿算法，在算法上实现时钟同步；最后通过泰勒迭代算法求解出用户的坐标。本发明专利技术可实现无限定位设备的同时实现室内三维精确定位，不需要额外的硬件网络实现时钟同步，定位设备只需接收定位信号而不需发射信号，能够在视距场景和非视距场景间平稳切换。

Ultra wideband indoor positioning method

The invention provides an ultra wideband indoor positioning method, mainly aiming at solving the problems of low precision, limited number of users and large time synchronization error of the ultra wideband indoor positioning system. Firstly, indoor navigation coordinates, and the layout of base stations; second base station according to the signal communication system transmitting location signal, the user holds the positioning device only passively received ranging signal from the base station; then the clock skew compensation algorithm of Calman filter algorithm, clock synchronization algorithm; finally through the Taylor iterative algorithm for solving user coordinate. The invention can realize unlimited positioning equipment at the same time to achieve indoor three dimensional positioning and does not require additional hardware network clock synchronization, positioning equipment only receives a positioning signal without signal, can be switched smoothly in LOS and NLOS scene scene.

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带室内定位方法
本专利技术涉及超宽带(UWB：Ultra-wideband)通信领域，特别涉及基于超宽带的室内无线定位方法。
技术介绍
超宽带技术是一种的无线通信技术，具有纳秒级别的时间分辨能力、高速传输速率、对信道衰落不敏感、有良好的抗多径干扰能力等优点，特别适合于室内定位系统的应用。现有的超宽带定位方法主要有：基于接收信号强度(RSS：ReceivedSignalStrength)、基于到达角(AOA：AngleofArrival)、基于到达时间(TOA：TimeofArrival)、基于到达时间差(TDOA：TimeDifferenceofArrival)、以及基于它们的组合形式。RSS是用于估计节点间传输距离的一种有用的参量。该参量可以使用较低复杂度的电路在数据通信中测量获得，因此RSS被广泛应用于室内定位，但是对RSS和传输距离之间的关系建立精确的数学模型非常困难，因此基于RSS的定位系统具有有限的定位精度。AOA不适合用户超宽带定位系统，因为信号路径数量可能非常大，导致精确的角度估计变得非常难。TOA和TDOA是超宽带系统中最常用的设计方案，因为这种基于时间测距的方式最能体现超宽带信号超高时间分辨率的特点。TOA可以进一步分为单向测距法(OWR：One-WayTOARanging)和双向测距法(TWR：Two-WayTOARanging)。OWR和TDOA都要求高精度的时钟同步，这在实际工程中实现起来比较困难。TWR也叫做基于双程时间(RTT：RoundTripTime)，是个很好的超宽带室内定位系统方案，因为该方式可以避免时钟同步问题。然而，基于RTT设计的超宽带室内定位系统有两个缺陷：一是系统中的设备的时间分辨率没有补偿，时间同步问题不能完全解决；二是系统中的基站和定位设备采用双向交流的，限制了用户的数量。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种有效解决设备时间同步问题且不限制用户数量的超宽带室内定位方法。本专利技术的实现包括以下步骤：步骤一：在室内建立空间直角坐标系，将基站布置在室内空间，测量并记录各个基站的坐标，选定其中一个基站为主基站，测量并记录主基站到其它基站的距离；步骤二：基站按照信号交流机制发射室内定位信号，室内定位设备接收室内定位信号，利用卡尔曼滤波进行时钟偏差补偿；所述的信号交流机制具体描述为：以其中一个基站为主基站，用于协调系统信号交流机制，向其它所有基站以及用户所持的室内定位设备发送测距信号并提供其时间信息。其他基站为副站，在主基站的控制下，分别向定位设备和主基站发送测距信号并提供其时间信息。定位设备通过接收各个基站的测距信号，以及各个基站和自身的时间信息完成定位。系统信号交流机制以组为单位进行信号交流：主基站发送一个测距信号，其他任意一个副站和定位设备分别接收来自主基站信号；接着，该副站经过延迟发送另一个测距信号，然后主基站和定位设备分别接收来自该副站的信号，至此完成一组信号交流。其它组的信号交流类似。全部信号交流时序组成系统信号交流机制的一个周期。所涉及时钟偏差补偿方法包含如下过程：1)从信号交流机制中分离出一组信号交流过程，利用接收信号和发射信号模型建立时间的数学模型；2)结合基站和定位设备的位置信息，建立时间和距离的数学模型；3)计算时钟偏差补偿系数观测值，即定位设备和基站的时间分辨率比值；4)建立时钟偏差补偿的状态方程和观测方程，进行卡尔曼滤波解算，得到时钟偏差补偿系数的估计值；5)通过判断时钟偏差补偿系数观测值相对于时钟偏差补偿系数估计值的差值是否超过门限值，去除观测数据中的野值，得到时钟偏差补偿后的结果。步骤三：利用泰勒迭代法估计定位设备空间坐标；步骤四：重复步骤二～步骤三，得到室内定位结果。本专利技术相比于现有超宽带室内定位方法具有以下优点：1.本专利技术设计的信号交流机制，使得定位设备只接收来自基站的信号，而不需要向基站发送信号，定位设备配置方式更加灵活，支持无限用户同时三维定位。2.利用信号交流机制使得基站、定位设备的时钟起点进行了同步；利用卡尔曼滤波算法对不同时钟分辨率的基站、定位设备实现时钟偏差补偿。通过时钟起点和时钟分辨率两方面同时进行软件算法层面的同步，不需要额外的同步硬件网络，时钟同步精度高，进而获取更高的定位精度。3.在时钟偏差补偿方法中通过引入门限值去除观测数据中的野值，有效抑制了在由视距场景切换至非视距场景、由非视距场景切换至视距场景过程中室内定位误差的跳变，提升了室内定位的精度。附图说明图1为本专利技术方法的流程图。图2为基站安装布局图。图3为系统发射信号过程示意图。图4为系统接收信号过程示意图。图5为系统信号交流机制示意图。图6为时钟偏差补偿算法信号交流示意图。图7为定位设备在实际中的位置关系示意图。图8Aa为第1组试验时钟偏差补偿滤波前仿真图。图8Ab为第1组试验时钟偏差补偿滤波后仿真图。图8Ba为第2组试验时钟偏差补偿滤波前仿真图。图8Bb为第2组试验时钟偏差补偿滤波后仿真图。图8Ca为第3组试验时钟偏差补偿滤波前仿真图。图8Cb为第3组试验时钟偏差补偿滤波后仿真图。图8Da为第4组试验时钟偏差补偿滤波前仿真图。图8Db为第4组试验时钟偏差补偿滤波后仿真图。图9a为第1个采样点的时间数据示意图。图9b为第2个采样点的时间数据示意图。图9c为第3个采样点的时间数据示意图。图10为时间数据和距离数据散点图。图11为距离和真实距离的差值计算示意图。图12为测试点平面图。图13a为室内静态定位X轴坐标值曲线。图13b为室内静态定位Y轴坐标值曲线。图13c为室内静态定位Z轴坐标值曲线。图14a为室内静态定位X轴定位误差曲线。图14b为室内静态定位Y轴定位误差曲线。图14c为室内静态定位Z轴定位误差曲线。图15为室内动态实验在XY平面的轨迹图。图16a为室内动态定位X轴坐标值曲线。图16b为室内动态定位Y轴坐标值曲线。图16c为室内动态定位Z轴坐标值曲线。具体实施方式本专利技术方法的流程图，如图1所示。下面通过以下2个具体实施例，结合说明书附图对本专利技术方法做进一步描述。具体实施例一.视距环境下的静态实验本专利技术优选的超宽带室内定位硬件芯片为DWM1000，该装置具有接收和发送超宽带信号的功能，可以在信号交流过程中实现数据无线传输，并可以提供接收时间戳和发送时间戳，时间分辨率为1/(128×499.2×106)秒。基站数量优选为4个及以上。本专利技术方法的具体实施步骤如下：步骤一：首先在室内建立空间直角坐标系。布置4个基站在室内固定位置，使得4个基站非共面。选定靠近室内中心位置的基站为主基站，记为基站1，其余基站分别记为基站2～基站4，测量并记录各个基站的坐标，测量并记录基站1到其它基站的距离，具体的布局如图2所示。步骤二：将定位设备固定在一个测试点，以构建静态实验条件，测量并记录定位设备到每个基站的距离；让基站和定位设备工作一个小时，从而使系统充分稳定。步骤三：基站按照信号交流机制发射室内定位信号，室内定位设备接收室内定位信号，利用卡尔曼滤波结合室内定位模型进行时钟偏差补偿。理想的时钟同步是指基站和定位设备使用同一个时钟信号作为时钟源，但这种方式很难实现，在实际应用中，系统中的每个设备都有自己的一套时钟系统，彼此相互独立。为了建立本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽带室内定位方法，包括以下步骤：步骤一：在室内建立空间直角坐标系，将基站布置在室内空间，测量并记录各个基站的坐标，选定其中一个基站为主基站，测量并记录主基站到其它基站的距离；步骤二：基站按照信号交流机制发射室内定位信号，室内定位设备接收室内定位信号，利用卡尔曼滤波进行时钟偏差补偿；步骤三：利用泰勒迭代法估计定位设备空间坐标；步骤四：重复步骤二～步骤三，得到室内定位结果；其特征在于：所述的基站按照信号交流机制发射室内定位信号，具体的信号交流机制为：主基站用于协调系统信号交流机制，向其他基站、室内定位设备发送测距信号、时间信息；其他基站为副站，在主基站的控制下，分别向定位设备、主基站发送测距信号、时间信息；定位设备通过接收主基站和副站的测距信号、时间信息。

【技术特征摘要】
1.一种超宽带室内定位方法，包括以下步骤：步骤一：在室内建立空间直角坐标系，将基站布置在室内空间，测量并记录各个基站的坐标，选定其中一个基站为主基站，测量并记录主基站到其它基站的距离；步骤二：基站按照信号交流机制发射室内定位信号，室内定位设备接收室内定位信号，利用卡尔曼滤波进行时钟偏差补偿；步骤三：利用泰勒迭代法估计定位设备空间坐标；步骤四：重复步骤二～步骤三，得到室内定位结果；其特征在于：所述的基站按照信号交流机制发射室内定位信号，具体的信号交流机制为：主基站用于协调系统信号交流机制，向其他基站、室内定位设备发送测距信号、时间信息；其他基站为副站，在主基站的控制下，分别向定位设备、主基站发送测距信号、时间信息；定位设备通过接收主基站和副站的测距信号、时间信息。2.根据权利要求1所述的一种超宽带室内定位方法中，所述的系统信号交流机制以组为单位进行信号交流：主基站发送一个测距信号，其他任...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，杨俊杰，王梦达，李欣，黄平，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23