一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法制造技术

本发明专利技术提出了一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法。该算法为：首先获取定位环境的空间信息，根据UWB信号在空间结构中的误差模型，结合已知的定位环境空间获取定位区域中包含视距基站分布及非视距误差补偿函数的先验信息图；依据空间先验信息图在定位过程中对UWB基站进行选择和误差补偿；在定位过程中利用PDR的航向信息判断基站是否受到了行人身体的遮挡，若存在对测距值进行修正；最终将补偿后的多基站信息结合PDR通过分布式误差状态算法实现定位。本发明专利技术充分利用空间结构及UWB非视距误差模型等先验信息来优选基站实现精确定位，具有精度高和鲁棒性强的优点。具有精度高和鲁棒性强的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法

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[0001]本专利技术涉及室内定位方法，尤其是涉及一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法。
技术背景：
[0002]与室外相比，室内位置服务潜在的商业价值正在逐年攀升。目前，车站、机场、化工厂、医院、养老院、监狱/看守所/戒毒所、施工现场等都大规模引入室内定位，增长速度极快。具体到行业，《2018年室内定位的发展前景分析》报告指出，我国室内定位直接市场总量已突破3000亿元。目前，存在的室内定位技术有红外线、蓝牙、惯性导航、无线保真(wireless fidelity，Wi
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Fi)、超宽带(ultra wide band，UWB)技术等。UWB由于具有定位精度高、功耗低、有一定信号穿透性等优点而脱颖而出，已成为一个越来越被关注的

[0003]任何无线电技术不可避免地都有缺陷，UWB技术也不例外。超宽带在理想的室内环境下可以达到厘米级的定位精度，但其信号传输易受非视距干扰。因为UWB信号在室内的传输距离有限，且其信号在绕过障碍物时会产生较大误差，无法胜任NLOS场景或存在盲区的室内场景。解决这个问题的一般想法是将惯性导航技术与UWB 技术相结合。能在一定程度上提高是定位精度，但是并未从本质上解决UWB非视距情况下的测距误差，特别是因为非视距测量值的存在将会拉大定位误差。因此，本专利技术充分利用环境信息及UWB空间传播误差模型，提出一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法，从根本上解决UWB因空间环境特征引起的非视距误差。
专利技术内容：
[0004]本专利技术提出了一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法。该算法为：首先获取定位环境的空间信息，在定位空间中布设UWB定位基站，根据UWB信号在空间结构中的误差模型，结合已知的定位环境空间获取定位区域中包含视距基站分布及非视距误差补偿函数的先验信息图；依据空间先验信息图在定位过程中对UWB基站进行选择，当视距基站大于3个时只选择视距基站，当视距基站小于3个时根据误差函数对非视距基站进行误差补偿；在定位过程中结合PDR的航向信息对行人身体的遮挡误差进行补偿，最终通过补偿后的多基站信息结合 PDR实现定位。本专利技术充分利用空间结构及UWB非视距误差模型等先验信息来优选基站实现精确定位，具有精度高和鲁棒性强的优点。
[0005]实现本专利技术的技术解决方案为：一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法，包括以下步骤：
[0006]S1，获取定位区域环境空间信息，布设定位基站；
[0007]S2，建立定位环境UWB建站视距或非视距信息分布图；
[0008]S3，利用非视距误差补偿函数结合S2中基站分布情况建立定位环境先验信息图；
[0009]S4，对定位过程中的UWB基站进行选择；
[0010]S5，利用人体误差补偿函数对人体影响下的基站进行误差补偿；
[0011]S6，建立动态分布式误差滤波算法；
[0012]S7，将S6中获取的当前定位结果作为下一时刻的定位起点并反馈到PDR进行信息修正；
[0013]进一步，步骤3所述的建立定位环境先验信息图，具体如下：
[0014]首先通过激光雷达设备扫描定位区域空间环境，根据激光点云建立该区域空间模型；按照PDOP最优化准则结合空间环境进行UWB基站部署；在空间模型中将地面划分成边长为0.5米的正方形小方格，遍历区域中的每个小方格，在小方格中加入可视距的基站编号信息，获取基站视距环境图；针对空间环境中的UWB基站信号传播遮挡障碍物通过测距实验拟合出距离与角度相关信号传播误差函数；在每个小方格的中心点计算基站非视距环境下的误差值，并将该基站对应编号及误差值存入上一步建立的基站视距环境图，最终建成环境先验信息图；该信息图中每个小方格中包含视距基站编号和非视距基站编号，针对非视距基站并包含该位置点非视距情况下的测距误差补偿值。
[0015]进一步，步骤4所述的对UWB定位基站的选择策略，具体如下：
[0016]UWB定位算法需要获取至少三个基站的位置数据，通过三角定位方法获取动态标签的实时位置。
[0017]在上一时刻的定位位置的基础上，利用滤波状态预测方程和PDR的航向信息，预判当前时刻UWB移动站的位置，结合S2所建立的UWB建站视距或非视距信息分布图对定位基站进行选择，当该估计点可视化基站大于等于三个时，只选取视距定位基站进行定位；当该估计点可视距基站小于三个时，根据S3步骤中，选定包含视距基站和非视距情况相对较弱的非视距基站共计三个基站作为定位基站。
[0018]进一步，判断非视距基站非视距情况强弱的方法，具体如下：根据S3中非视距基站拟合的误差函数进行判断，根据误差值的大小进行排序。
[0019]进一步，步骤5所述的利用人体误差补偿函数对人体影响下的基站进行误差补偿，具体如下：
[0020]利用PDR定位中所获取的行进航向信息，根据当前时刻位置点，结合基站的空间位置信息，计算S4中已选基站与人体的方向角信息，判断所选基站是否受人体遮挡影响，对受影响基站采用人体影响误差函数进行误差补偿。
[0021]进一步，步骤6所述的建立动态分布式误差滤波算法，具体如下：
[0022]其中量测信息利用UWB的RTT测距信息与PDR定位之间的差值获取；用UWB的测量值作为PDR定位的约束，对PDR信息进行更新；
[0023]状态方程为：
[0024][0025][0026][0027]其中，为k时刻载体的状态向量，为PDR的在k时刻水面两个方向的位置量，为PDR的在k时刻的水平方向位置对应的速度量，为k时刻PDR的航向角；a(k)为k 时刻PDR的加速度；F为状态矩阵；为状态的过程噪声；
[0028]量测方程为：
[0029][0030]其中，Z(k)为测量信息，Δd
1，k
为分布式量测方程，n为定位点选择UWB基站的数量，H为量测矩阵，v(k) 为量测噪声；
[0031][0032][0033]其中，为k时刻PDR推算的UWB标签与第i个UWB基准站的距离；为PDR定位在k时刻东西方向的位置坐标，为PDR定位在k时刻南北方向的位置坐标；为UWB第i个固定基站东西方向的位置坐标，为UWB第i个固定基站南北方向的位置坐标，视距情况下与为直接测距值，非视距情况下与为结合误差函数修正后的距离值；为UWB移动站与第i个固定基站间的距离；
[0034]将修正后的量测方程与状态方程按照EKF的步骤进行求解，获取状态量的最优估计值，进而计算得出UWB 移动基站的最优估计值。
[0035]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：
[0036](1)充分利用环境先验信息，根据UWB信号在空间结构中的误差模型，结合已知的定位环境空间获取定位区域中包含视距基站分布及非视距误差补偿函数的先验信息图；
[0037](2)依据环境特征对UWB定位基站进行优选，利用视距基站进行定位，当视距基站不足以完成定位时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法，其特征在于，包括以下步骤：S1，获取定位区域环境空间信息，布设定位基站；S2，建立定位环境UWB建站视距或非视距信息分布图；S3，利用非视距误差补偿函数结合S2中基站分布情况建立定位环境先验信息图；S4，对定位过程中的UWB基站进行选择；S5，利用人体误差补偿函数对人体影响下的基站进行误差补偿；S6，建立动态分布式误差滤波算法；S7，将S6中获取的当前定位结果作为下一时刻的定位起点并反馈到PDR进行信息修正。2.根据权利要求1所述的一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法，其特征在于，步骤3所述的建立定位环境先验信息图，具体如下：首先通过激光雷达设备扫描定位区域空间环境，根据激光点云建立该区域空间模型；按照PDOP最优化准则结合空间环境进行UWB基站部署；在空间模型中将地面划分成边长为0.5米的正方形小方格，遍历区域中的每个小方格，在小方格中加入可视距的基站编号信息，获取基站视距环境图；针对空间环境中的UWB基站信号传播遮挡障碍物通过测距实验拟合出距离与角度相关信号传播误差函数；在每个小方格的中心点计算基站非视距环境下的误差值，并将该基站对应编号及误差值存入上一步建立的基站视距环境图，最终建成环境先验信息图；该信息图中每个小方格中包含视距基站编号和非视距基站编号，针对非视距基站并包含该位置点非视距情况下的测距误差补偿值。3.根据权利要求1所述的一种基于空间环境误差模型的分布式定位算法，其特征在于，步骤4所述的对UWB定位基站的选择策略，具体如下：UWB定位算法需要获取至少三个基站的位置数据，通过三角定位方法获取动态标签的实时位置。在上一时刻的定位位置的基础上，利用滤波状态预测方程和PDR的航向信息，预判当前时刻UWB移动站的位置，结合S2所建立的UWB建站视距或非视距信息分布图对定位基站进行选择，当该估计点可视化基站大于等于三个时，只选取视距定位基站进行定位；当该估计点可视距基站小于三个时，根据S3步骤中，选定包含视距基站和非视距情况相对较弱的非...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊，王庆，牛运丰，汤立凡，
申请(专利权)人：江苏集萃未来城市应用技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：