将趋势面分析用于UWB室内定位的方法技术

本发明专利技术公开了一种将趋势面分析用于UWB室内定位的方法，针对目前室内定位的主要误差来源是多路径造成的，采用趋势面分析对实验场景的多路径误差进行建模的方法，将模型参数储存在后台服务器，定位时读取参数来优化到达时间差的伪距，以消除多路径误差，提升定位精度。由于本发明专利技术无需额外铺设大量的硬件设备，也无需对现有硬件设备做出更改，因此易于推广，在高精度室内定位应用场景中具有较大优势和商业前景。前景。前景。

【技术实现步骤摘要】
将趋势面分析用于UWB室内定位的方法


[0001]本专利技术涉及高精度室内定位导航
，具体涉及将趋势面分析用于UWB室内定位的方法。

技术介绍

[0002]室内定位的关键技术研究和产业化以及伴之而来的位置服务行业越来越受到社会的关注，空间技术的发展使得以GNSS(Global Navigation Satellite System)为基础的室外卫星导航定位技术蓬勃发展，达到了最高毫米级的定位精度，并且带动了位置服务相关的各行各业蓬勃发展，社会对于室内高精度定位的需求也越来越迫切。
[0003]在高精度室内定位领域，强度衰减定位和自主定位都在米级精度上遇到了瓶颈，难以突破。其中强度衰减和距离经验关系的不确定度及易受室内环境影响、自主定位需要对时间积分造成的误差随时间累积的非线性增长是造成瓶颈的主要原因之一，这是定位技术本身的弱点。基于信号到达时间的室内定位技术的深入研究也能够为突破此瓶颈提供单项技术的支撑，但由于室内环境存在多路径因素的影响，导致基于时间的定位方法存在由多路径问题引起的误差，在现有基于时间的室内定位技术中，多路径误差的抑制一直被放在重点位置。根据不变环境多路径的时间和空间重复性，通过先验数据的建模对观测值优化以消除多路径误差对定位结果的干扰。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是由于基于时间的室内定位信号容易受到非视距和多径效应的影响，针对现有技术的不足而提出将趋势面分析用于UWB室内定位的方法，对实验场景的多路径误差进行细致建模，将模型参数储存在后台服务器，定位时读取参数来优化到达时间差的伪距，以消除多路径误差，提升定位精度。由于本专利技术无需额外铺设大量的硬件设备，也无需对现有硬件设备做出更改，因此易于推广，在高精度室内定位应用场景中具有较大优势和商业前景。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：
[0006]一种将趋势面分析用于UWB室内定位的方法，具体步骤如下：
[0007]步骤1：将待定位区域在二维平面上进行均匀的矩形网格划分，测量每个网格交点的真实坐标并在同一高度放置定位标签进行数据采集，通过采集的数据解算结果与真实坐标对比得到多路径误差；具体为：
[0008]a.对于定位标签j，基站i1和基站i2的逆定位的TDOA单差观测方程为：
[0009][0010]其中为几何延迟项，为钟差项，为多路径延迟项，为
其他随机次阶误差项；通过差分的TDOA伪距能够消除时间同步误差，将锚点G
n
处测得的主基站B
m
与从基站Bi之间的TDOA时间值表示为：
[0011][0012]其中，为几何空间传播的时间差，为多路径误差项，为随机次阶的其他误差项；(2)式乘以光速c转化为距离的表征形式：
[0013][0014]其中为真实的欧式距离差，为总误差项，包括多路径误差和硬件误差以及观测噪声，其中多路径误差为主要误差来源；
[0015]b.通过TDOA的真实值和采集得到的测量值作差，得到所有锚点处从基站B
i
对应的总误差项，结合对应锚点的二维坐标将其储存下来作为建模的输入；
[0016]步骤2：对多路径误差进行二维的趋势面分析TMPM建模，选择最优的趋势面拟合系数并将其存储在后台服务器中；具体为：
[0017]a.对于网格交点，具有相同x，y坐标的多路径残差值聚集在一起，TMPM模型运用趋势面分析来拟合网格点内的多路径残差值的二维空间变化，以获得该网格区域的多路径表达式，网格交点内多路径残差值表示为：
[0018][0019]其中，i为网格内第i个点，(x
i
，y
i
)为该点的坐标，m
i
(x
i
，y
i
)是多路径观测值，是多路径估计值，ε
i
代表网格内拟合多路径剩余残差；
[0020]趋势面分析多项式建模分为线性、二次和三次趋势面拟合，分别由下述公式(5)、(6)、(7)表示：
[0021][0022][0023][0024]其中b0，b1，b2...为趋势面方程需要求解的系数；令N
1i
＝x
i
，N
2i
＝y
i
，其中下标P表示趋势面多项式中非常数项的个数；由此，对于坐标为(x
i
，y
i
)的锚点的趋势面分析的方程为：
[0025]m
i
＝b0+b1N
1i
+b2N
2i
+
…
+b
P
N
Pi
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0026]b.最小二乘矩阵解算方程为：
[0027](N
T
N)B＝N
T
M
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0028]其中，
[0029]那么趋势面的拟合系数B可由此得到：
[0030][0031]分别获得线性、二次和三次趋势面的拟合系数，对拟合结果进行适度性检验然后选择最优的拟合系数生成TMPM改正表存储到后台服务器中；
[0032]步骤3：进行定位测试时，通过初次解算的坐标初值得到定位标签所在区域，从后台服务器存储的TMPM改正表中取出对应的趋势面系数，计算得到多路径补偿值，进行多路径误差补偿，将TDOA再次代入解算算法得到更新后的坐标，重复此步骤直至误差收敛；具体为：
[0033]a.在后台服务器解析交换机传输的数据，得到定位标签与主从基站的TDOA伪距，将其代入Taylor算法后得到粗估计的坐标，得到其所在网格区域，从后台服务器存储的TMPM改正表中取出对应网格区域的趋势面系数，代入拟合多项式方程得到多路径误差补偿值来补偿修正TDOA伪距；
[0034]b.将修正多路径误差后的TDOA伪距代入到Taylor定位算法中，解算出新的位置信息，由此迭代出多个新的坐标直至新坐标与上次的解算误差小于所设定的阈值，此时输出最终的定位标签位置信息。
[0035]本专利技术利用先验信息构造多路径误差改正表，补偿TDOA测量值使定位精度提高。本专利技术与现有技术相比具有较高和较稳定的定位精度，无需额外铺设大量的硬件设备，也无需对现有硬件设备做出更改，因此易于推广，在高精度室内定位应用场景中具有较大优势和商业前景。
附图说明
[0036]图1为实施本专利技术的系统示意图；
[0037]图2为多路径模型的二维网格布局示意图；
[0038]图3为本专利技术的流程示意图；
[0039]图4为利用TMPM对TDOA修正后的定位结果示意图。
具体实施方式
[0040]以下结合附图及实施例对本专利技术进行详细描述。
[0041]实施例
[0042]参阅图1，实施本专利技术是基于一个主时钟基站3和多个从基站4与定位标签5、交换机2和后台服务器1架构的系统，其中主基站3和从基站4由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种将趋势面分析用于UWB室内定位的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：将待定位区域在二维平面上进行均匀的矩形网格划分，测量每个网格交点的真实坐标并在同一高度放置定位标签进行数据采集，通过采集的数据解算结果与真实坐标对比得到多路径误差；具体为：a.对于定位标签j，基站i1和基站i2的逆定位的TDOA单差观测方程为：其中为几何延迟项，为钟差项，为多路径延迟项，为其他随机次阶误差项；通过差分的TDOA伪距能够消除时间同步误差，将锚点G
n
处测得的主基站B
m
与从基站B
i
之间的TDOA时间值表示为：其中，为几何空间传播的时间差，为多路径误差项，为随机次阶的其他误差项；(2)式乘以光速c转化为距离的表征形式：其中为真实的欧式距离差，为总误差项，包括多路径误差和硬件误差以及观测噪声，其中多路径误差为主要误差来源；b.通过TDOA的真实值和采集得到的测量值作差，得到所有锚点处从基站B
i
对应的总误差项，结合对应锚点的二维坐标将其储存下来作为建模的输入；步骤2：对多路径误差进行二维的趋势面分析TMPM建模，选择最优的趋势面拟合系数并将其存储在后台服务器中；具体为：a.对于网格交点，具有相同x，y坐标的多路径残差值聚集在一起，TMPM模型运用趋势面分析来拟合网格点内的多路径残差值的二维空间变化，以获得该网格区域的多路径表达式，网格交点内多路径残差值表示为：其中，i为网格内第i个点，(x
i
，y
i
)为该点的坐标，m
i
(x
i
，y
i
)是多路径观测值，是多路径估计值，ε
i
代表网格内拟合多路径剩余残差；趋势面分析多项式建模分为线性、二次和三次趋势面拟合，分别由下述公式(5)、(6)、(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：马迪锋，赵昆，郑正奇，胡征，余濛靓，姚勇俊，
申请(专利权)人：上海守正通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：