使用插值方法的UWB室内定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种使用插值方法的UWB室内定位系统，其特点是利用数个主从基站、交换机、定位标签、后台服务器和数据处理终端构建的高精度超宽带室内定位系统。通过各基站收集的SYNC包和TAG定位包，计算出定位标签到达每组主从基站的TDOA伪距，针对主要误差来源为多路径误差，利用趋势面分析对预先采集的TDOA伪距误差以及网格点位置信息进行建模，将多路径误差补偿的拟合参数结合位置信息储存在后台服务器，定位时结合改进的Taylor解算算法迭代求解定位标签的准确位置信息。本发明专利技术与现有技术相比具有更高的鲁棒性和定位精度，无需额外铺设大量的硬件设备，易于推广，在环境复杂的室内定位应用场景中具有较大优势和商业前景。内定位应用场景中具有较大优势和商业前景。内定位应用场景中具有较大优势和商业前景。

【技术实现步骤摘要】
使用插值方法的UWB室内定位系统


[0001]本专利技术涉及高精度室内定位导航
，具体涉及使用插值方法的UWB室内定位系统。

技术介绍

[0002]在科技迅速发展的今天，各个领域都呈现出蓬勃发展的趋势，移动通信己经在由4G向5G甚至6G迈进，智能机器人、无人车等智能工具的普及，更给人们的生活增添色彩。“位置”作为一类服务也开始融入到人们的生活当中，促使了许多依赖位置的服务产生，例如基于GPS定位的相关服务，包括室外行车导航、室内商场的查询等，这些涉及到生活中的角角落落、触及生活中的方方面面，无不利用了定位技术。在定位技术的推动和生活的强烈需求下，构建完整、精确的室内定位系统己经是迫在眉睫，成为现代学者的研究热点。阻碍室内定位快速的发展的原因有很多，主要原因是室内环境不同于室外，室内布置复杂，信号的传递会受家具、墙体、各种装饰物的阻碍，导致信号被折射、反射甚至被埋没等，这严重导致了传播信号的各种物理特性受到损耗。因此，有必要解决因复杂的室内布置导致室内定位不精确甚至无法定位等问题。现有的基于Bluetooth、WiFi、惯导等室内定位技术，在室内定位中应用比较广泛，但是定位精度不是很高。而超宽带(Ultra Wide Band，UWB)定位技术，带宽达到几百兆赫兹，凭借其超强的穿墙能力抗干扰能力、多径分辨能力等在众多无线定位技术中脱颖而出，成为室内定位比较具有竞争力的技术。
[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使用插值方法的UWB室内定位系统，采用主从基站、定位标签、交换机和后台服务器构建的协同定位系统，对实验场景的多路径误差进行细致建模的方法，将模型参数储存在后台服务器，定位时优化TDOA伪距，以消除多路径误差的影响，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]一种使用插值方法的UWB室内定位系统，其特点是该系统包括主基站、从基站、交
换机、定位标签、后台服务器和数据处理终端，所述主基站、从基站为数个；所述交换机与主基站、从基站和后台服务器用光纤有线连接，后台服务器与数据处理终端用光纤有线连接，定位标签与主基站、从基站以无线方式传输信号；
[0007]预先将待定位场地划分为数个网格区域，网格交点作为先验信息的采集点，所述定位标签以广播的方式发送TAG定位包，主基站发送SYNC同步包，接收定位标签发送的TAG定位包，并将其以UDP格式封装成数据包汇至交换机，从基站接收主基站发送同步包和定位标签发送的TAG定位包汇至交换机，所述交换机将所有数据发送到后台服务器；所述后台服务器通过各基站收集的SYNC包和TAG定位包，得到定位标签与各个基站的到达时间TOA数据，在数据处理终端利用TOA数据计算出定位标签到达每组主从基站的TDOA伪距，利用趋势面分析对预先在每个网格交点采集的TDOA伪距的多路径残差值进行建模，得到多项式函数形式的趋势面拟合系数，生成多路径改正表储存在后台服务器，定位时提取参数来优化TDOA伪距，以达到消除多路径误差的目的，然后利用改进的Taylor迭代解算算法求解定位标签的准确位置信息；
[0008]所述到达时间TOA的单程观测方程由下述(1)式计算：
[0009][0010]其中t
i
为基站i收到信号的时间；t
j
为定位标签j发出信号的时间；为基站i的真实坐标；为定位标签j的真实坐标；c为定位标签发射信号的传播速度；τ
i
为基站i的时钟在其接收信号时刻的钟差；τ
j
为定位标签j的时钟在其发射信号时刻的钟差；为定位标签到基站的多路径延迟项；为硬件延迟和观测误差项；
[0011]所述定位标签j与主基站i1和从基站i2组成的TDOA由下述(2)式计算的表示：
[0012][0013]其中为主基站i1收到信号的时刻；为从基站i2收到信号的时刻；t
j
为定位标签发射信号的时刻；为主基站i1的真实坐标；为从基站i2的真实坐标；为主基站i1的时钟在其接收信号时刻的钟差；为从基站i2的时钟在其接收信号时刻的钟差；为定位标签j到主基站i1的多路径延迟项；为定位标签j到从基站i2的多路径延迟项；为定位标签j和主基站i1的硬件误差和观测误差的残差项；为定位标签j和从基站i2的硬件延迟和观测误差项；
[0014]所述改进的Taylor迭代解算算法由下述(3)式表示：
[0015]h＝GΔ+ε
ꢀꢀ
(3)
[0016]其中其中表示定位标签j到主基站i1和到从基站i
n
的TDOA
测量值，表示定位标签j到主基站i1和到从基站i
n
的TDOA计算值，为TDOA在x、y、z轴上的误差值，
[0017]为转换矩阵，ε为误差矢量；
[0018]式(3)转化为最小二乘形式：
[0019]Δ＝(G
T
Q
‑1G)
‑1G
T
Q
‑1h
ꢀꢀ
(4)
[0020]其中Q表示TDOA测量值的协方差矩阵；
[0021]所述多路径残差值由下述(5)表示：
[0022][0023]其中x
i
表示定位标签的x轴坐标；y
i
表示定位标签的y轴坐标；m
i
(x
i
，y
i
)为定位标签位于坐标(x
i
，y
i
)处的多路径观测值；为定位标签位于(x
i
，y
i
)处的多路径估计值；ε
i
为网格内拟合多路径剩余残差；
[0024]所述多项式函数形式的趋势面拟合系数由线性、二次和三次趋势面拟合得到，分别由下述公式(6)、(7)、(8)表示：
[0025][0026][0027][0028]其中b0，b1，b2...为多项式函数需要求解的系数；令N
1i
＝x
i
，N
2i本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用插值方法的UWB室内定位系统，其特征在于，该系统包括主基站、从基站、交换机、定位标签、后台服务器和数据处理终端，所述主基站、从基站为数个；所述交换机与主基站、从基站和后台服务器用光纤有线连接，后台服务器与数据处理终端用光纤有线连接，定位标签与主基站、从基站以无线方式传输信号；预先将待定位场地划分为数个网格区域，网格交点作为先验信息的采集点，所述定位标签以广播的方式发送TAG定位包，主基站发送SYNC同步包，接收定位标签发送的TAG定位包，并将其以UDP格式封装成数据包汇至交换机，从基站接收主基站发送同步包和定位标签发送的TAG定位包汇至交换机，所述交换机将所有数据发送到后台服务器；所述后台服务器通过各基站收集的SYNC包和TAG定位包，得到定位标签与各个基站的到达时间TOA数据，在数据处理终端利用TOA数据计算出定位标签到达每组主从基站的TDOA伪距，利用趋势面分析对预先在每个网格交点采集的TDOA伪距的多路径残差值进行建模，得到多项式函数形式的趋势面拟合系数，生成多路径改正表储存在后台服务器，定位时提取参数来优化TDOA伪距，以达到消除多路径误差的目的，然后利用改进的Taylor迭代解算算法求解定位标签的准确位置信息；所述到达时间TOA的单程观测方程由下述(1)式计算：其中t
i
为基站i收到信号的时间；t
j
为定位标签j发出信号的时间；为基站i的真实坐标；为定位标签j的真实坐标；c为定位标签发射信号的传播速度；τ
i
为基站i的时钟在其接收信号时刻的钟差；τ
j
为定位标签j的时钟在其发射信号时刻的钟差；为定位标签到基站的多路径延迟项；为硬件延迟和观测误差项；所述定位标签j与主基站i1和从基站i2组成的TDOA由下述(2)式计算的表示：其中为主基站i1收到信号的时刻；为从基站i2收到信号的时刻；t
j
为定位标签发射信号的时刻；为主基站i1的真实坐标；为从基站i2的真实坐标；为主基站i1的时钟在其接收信号时刻的钟差；为从基站i2的时钟在其接收信号时刻的钟差；为定位标签j到主基站i1的多路径延迟项；为定位标签j到从基站i2的多路径延迟项；为定位标签j和主基站i1的硬件误差和观测误差的残差项；为定位标签j和从基站i2的硬件延迟和观测误差项；所述改进的Taylor迭代解算算法由下述(3)式表示：h＝GΔ+ε
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中其中表示定位标签j到主基站i1和到从基站i
n
的TDOA测量
值，表示定位标签j到主基站i1和到从基站i
n
的TDOA计算值，为TDOA在x、y、z轴上的误差值，为转换矩阵，ε为误差矢量；式(3)转化为最小二乘形式：Δ＝(G
T
Q
‑1G)
‑1G
T
Q
‑1h
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中Q表示TDOA测量值的协方差矩阵；所述多路径残差值由下述(5)表示：其中x
i
表示定位标签的x轴坐标；y
i
表...

【专利技术属性】
技术研发人员：马迪锋，郑正奇，赵昆，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：