融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位系统，它包括在同平面上建立的蓝牙基站S1、蓝牙基站S2以及超宽带基站S3，其中蓝牙基站S1和超宽带基站S3共点设置，蓝牙基站S1和蓝牙基站S2间隔设置，其距离为P1，定位标签位于蓝牙基站S1、蓝牙基站S2和超宽带基站S3所形成的定位空间内。本发明专利技术融合了超宽带(UWB)定位和蓝牙到达角定位(BLE

【技术实现步骤摘要】
融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位方法及系统


[0001]本专利技术涉及室内定位领域，特别是一种融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位方法及系统。

技术介绍

[0002]伴随着现代工业化与智能化的发展，物联网的兴起，位置服务被日益需要，GPS定位系统是当下最成熟的定位系统之一，它在室外环境下的定位精确度高，已经达到亚米级别。但是GPS的信号一旦穿透建筑物就会有严重的信号衰减甚至吸收，因此GPS定位系统不适宜在室内环境中使用。与室外区域不同，由于室内环境包含不同类型的障碍物，对传播的信号有着不同程度的吸收率，室内定位系统的实现难度增大。为了克服GPS定位系统在室内环境下的不足，研究者就提出了室内定位服务LBS，由于室内定位在各大领域很高的商业价值，所以研究者加快了对LBS研究的步伐，在近几年的研究进程中硕果颇丰。LBS是将定位技术与移动通信技术相结合，客户端通过使用移动终端的无线通信网络，或者卫星定位系统，获取移动端的位置信息并结合其他信息向客户端提供与位置相关的服务。室内定位在现代生活、工作中，如火车站、公交车站、购物中心、博物馆、机场和图书馆的定位系统。
[0003]与室外GPS定位系统几乎包揽市场的局面不同的是，室内定位采用的技术种类较多。室内定位系统大致分为单技术定位和多技术融合定位。但是单技术定位有着许多的不足，而融合定位技术可以融合单技术的优势，互补不足。融合定位是将两个以及两个以上的定位技术相结合，将采集的数据一起进行计算得到目标位置。目前涌现出的主流定位技术有：RFID、WiFi、BLE、红外线、5G蜂窝、图像、超声波、UWB。蓝牙技术比WiFi技术更早被广泛使用，蓝牙技术在各种移动设备上的使用也不亚于WiFi技术，如蓝牙耳机、智能手机。目前蓝牙已经升级成了5.2版本的低能量蓝牙(BLE)。相比WiFi定位，蓝牙定位具有更低的功耗、更高的采样频率、更容易部署、更低成本、更高安全性，从而BLE定位更具优势。另外，UWB定位技术抗多径干扰能力强、定位精度高可达厘米级、覆盖范围大(约50米)是一项使用较广泛的高精度室内定位技术。
[0004]中国专利CN112533163A专利技术了一种基于NB
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IoT改进的融合超宽带和蓝牙的室内定位方法。首先，分别采集超宽带、蓝牙信标与各基站之间的距离，作为卡尔曼滤波的输入激励。然后，采用三边算法计算目标位置，循环使用卡尔曼滤波不断缩小定位误差。该方法达到了厘米级的定位精度，但是系统成本高。
[0005]由于蓝牙更新到5.2版本，这款低能量蓝牙新增了寻向功能这一重要特性，让蓝牙定位系统突破了仅能使用TOA、TDOA的限制，开拓了基于AOA的方向上进行研究。中国专利CN113260046A专利技术了一款基于蓝牙AOA的定位方法。该定位方法是在待定位设备发射的蓝牙数据中添加一段数据单元用于AOA定位。由接收端的天线阵列接受并转换成IQ信号。但是该专利技术只是提出关于蓝牙AOA的定位方法，并定位精度的优化并不明显。
[0006]中国专利CN114025426A专利技术了联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统。同样是把蓝牙AOA的数据段加入蓝牙协议数据包中。不同的是该系统在结束段同时采集AOA数据值与
RSSI值，并对RSSI值进行校准和数据降噪处理，最后综合角度测量值与RSSI值计算得到待定位设备的目标位置。但是系统在非视距情况下的定位精度表现仍然较差。
[0007]目前的大多数定位技术中，蓝牙技术实现的定位精度仅仅是米级别，但是具备低成本与低功耗的优势。UWB定位系统硬件成本较高、功耗大，但是定位精度可到达厘米级。因此，结合蓝牙与超宽带两种定位技术设计定位系统，能够实现优势互补，更有利于定位系统整体性能的提升。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位方法及系统，该系统一共使用三个基站实现了低成本、低功耗、高精度的三维空间定位。
[0009]本专利技术的目的通过如下技术方案实现：
[0010]一种融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位系统，它包括在同平面上建立的蓝牙基站S1、蓝牙基站S2以及超宽带基站S3，其中蓝牙基站S1和超宽带基站S3共点设置，蓝牙基站S1和蓝牙基站S2间隔设置，其距离为P1，定位标签位于蓝牙基站S1、蓝牙基站S2和超宽带基站S3所形成的定位空间内。
[0011]一种融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位方法，它包括以下步骤：
[0012]步骤1.在同平面上建立蓝牙基站S1、蓝牙基站S2以及超宽带基站S3，其中蓝牙基站S1和超宽带基站S3共点设置，蓝牙基站S1和蓝牙基站S2间隔设置，其距离为P1，定位标签位于蓝牙基站S1、蓝牙基站S2和超宽带基站S3所形成的定位空间内；
[0013]步骤2.超宽带基站S3基于采集到的信号和数据进行超宽带的测距定位，从而确定超宽带基站S3到定位标签之间的距离值R；
[0014]步骤3.蓝牙基站S1和蓝牙基站S2分别对采集到的蓝牙信号的IQ数据进行IQ数据优化处理；
[0015]步骤4.初始化自适应滤波算法的参数，将优化处理后的IQ数据作为自适应滤波器的输入激励，自适应滤波器通过自学习的方式不断调整滤波器系数，并且根据后续激励的连续输入，自适应滤波算法不断缩小与理想IQ信号的误差，以得到最优的IQ信号波形图，利用IQ信号的波形图转换成蓝牙阵列天线测得的角度值，其中蓝牙基站S1测得的角度值为θ1，蓝牙基站S2测得的角度值为θ2；
[0016]步骤5.融合超宽带基站的距离值与蓝牙基站的角度值，采用欧式几何原理进行计算，最终得到定位标签的空间位置，并且上传至云平台；
[0017]定位标签的三维空间坐标(x，y，z)如下：
[0018][0019][0020][0021]进一步，步骤2中得到的超宽带基站S3到定位标签之间的距离值R，先通过超宽带
最小二乘法误差优化模型进行校正，再作为步骤5计算空间坐标的距离值；超宽带最小二乘法误差优化模型为：
[0022]R＝1.017L
‑
0.0154
[0023]其中L是超宽带基站S3到定位标签之间原始的测量距离，R是接近真实值的优化距离。
[0024]进一步，L采用DS
‑
TWR算法得到；首先，分别记录定位标签发射、接收、再发射数据的三次时间戳t1、t2、t3，其次，分别记录超宽带基站S3接收、发射、再接收数据的三次时间戳t4、t5、t6，计算超宽带基站S3与定位标签之间的飞行时间T
prop
具体如下：
[0025][0026]计算距离L如下：
[0027]L＝T
prop
×
c
[0028]其中c为光速，c＝3
·
108m/s。
[0029]进一步，蓝牙基站S1和蓝牙基站S2采用的天线阵列均为双天线阵列，采样频率为4MHz，天线切换时间为2us，采样插槽为1us，每个采样插槽采样四个IQ样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤1.在同平面上建立蓝牙基站S1、蓝牙基站S2以及超宽带基站S3，其中蓝牙基站S1和超宽带基站S3共点设置，蓝牙基站S1和蓝牙基站S2间隔设置，其距离为P1，定位标签位于蓝牙基站S1、蓝牙基站S2和超宽带基站S3所形成的定位空间内；步骤2.超宽带基站S3基于采集到的信号和数据进行超宽带的测距定位，从而确定超宽带基站S3到定位标签之间的距离值R；步骤3.蓝牙基站S1和蓝牙基站S2分别对采集到的蓝牙信号的IQ数据进行IQ数据优化处理；步骤4.初始化自适应滤波算法的参数，将优化处理后的IQ数据作为自适应滤波器的输入激励，自适应滤波器通过自学习的方式不断调整滤波器系数，并且根据后续激励的连续输入，自适应滤波算法不断缩小与理想IQ信号的误差，以得到最优的IQ信号波形图，利用IQ信号的波形图转换成蓝牙阵列天线测得的角度值，其中蓝牙基站S1测得的角度值为θ1，蓝牙基站S2测得的角度值为θ2；步骤5.融合超宽带基站的距离值与蓝牙基站的角度值，采用欧式几何原理进行计算，最终得到定位标签的空间位置，并且上传至云平台；定位标签的三维空间坐标(x，y，z)如下：定位标签的三维空间坐标(x，y，z)如下：定位标签的三维空间坐标(x，y，z)如下：2.根据权利要求1所述的融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位方法，其特征在于：步骤2中得到的超宽带基站S3到定位标签之间的距离值R，先通过超宽带最小二乘法误差优化模型进行校正，再作为步骤5计算空间坐标的距离值；超宽带最小二乘法误差优化模型为：R＝1.017L
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0.0154其中L是超宽带基站S3到定位标签之间原始的测量距离，R是接近真实值的优化距离。3.根据权利要求2所述的融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位方法，其特征在于，L采用DS
‑
TWR算法得到；首先，分别记录定位标签发射、接收、再发射数据的三次时间戳t1、t2、t3，其次，分别记录超宽带基站S3接收、发射、再接收数据的三次时间戳t4、t5、t6，计算超宽带基站S3与定位标签之间的飞行时间T
prop
具体如下：计算距离L如下：L＝T
prop
×
c其中c为光速，c＝3
·
108m/s。
4.根据权利要求1所述的融合蓝牙AOA与超宽带的三维室内定位方法，其特征在于：蓝牙基站S1和蓝牙基站S2采用的天线阵列均为双天线阵列，采样频率为4MHz，天线切换时间为2us...

【专利技术属性】
技术研发人员：王燕婷，夏靖波，陈新鹏，金世文，于昊蕾，陈俊，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：