基于反射信号的单基站室内UWB优化定位方法技术

基于反射信号的单基站室内UWB优化定位方法，属于室内无线定位技术领域。本发明专利技术主要利用反射信号，采用单基站完成室内定位。在获得室内地图的基础上，对其进行建模，放置定位基站，在环境中放置定位标签，接收多径信号，通过对实际接收信号的处理，缩小定位标签的可能范围，遍历约束区域网格点，采用射线跟踪模型进行接收波形仿真，与实际接收信号波形进行对比，获取每个网格点的相似概率，然后在约束区域拟合出相似概率热力图，概率最高点即为定位解算位置。该方案可以优化室内场景中的定位精度，降低了成本，提高了基站的利用率，为室内UWB定位方式提供了一种新的思路，具有一定的参考价值。参考价值。参考价值。

【技术实现步骤摘要】
基于反射信号的单基站室内UWB优化定位方法


[0001]本专利技术属于室内无线定位
，具体涉及基于反射信号的单基站室内UWB优化定位方法。

技术介绍

[0002]随着无线通信技术的发展，人们日常生活中对位置服务的需求不断提升，室外场景下全球卫星导航系统(GNSS)技术已经十分成熟，可以为人们提供可靠的室外定位服务，而在室内场景下，由于环境复杂多变，卫星定位误差较大，通常采用TOA(Time of Arrival，到达时间)定位方法。
[0003]采用TOA定位方法时，主要是根据测量接收信号在基站和移动台之间的到达时间，然后转换为距离，然后以基站位置为圆心画圆寻找交点进行定位。该方法至少需要三个基站，才能计算目标的位置。
[0004]在采用超宽带(UWB)信号天线进行TOA室内定位时，超宽带定位精度很大一部分受到视距传播(LOS)和非视距传播(NLOS)的影响，在视距范围内定位精度高，非视距范围内定位精度较低，是因为在计算路径距离时采用的是飞行时间(TOF)，假设信号只按照直射路径传播。然而在有障碍物的情况下，会存在透射，反射等情况，导致定位精度较低。
[0005]专利技术人在实现本专利技术的过程中发现，现有技术至少存在如下问题：在计算信号的传播时间时，是假设信号只按照直射路径传播，然而，信号在传播过程中，通常会因为活动物体或静止物体的干扰等原因，出现一些非直射的情况，如，反射、衍射等，从而导致现有的定位方法定位精度较低，而为了提高精度，则需要尽可能在视距下布设基站，这又使得布设的基站形成冗余，数量增多，导致成本增加，目前现有解决方案如下：
[0006]申请日2022/3/10，申请号：CN202210235302.1，专利名称：基于非视距环境评价的室内UWB定位优化建站方法，基于非视距环境评价的室内UWB定位优化建站方法，属于室内无线定位
本专利技术主要利用UWB信号的视距与非视距区域在测距上的应用，完成室内基站的非视距加权面积最小布局的仿真。在获得室内地图的基础上，对其进行建模，首先根据地图信息进行基站大致范围的划分，然后利用遗传算法依次对各个基站的位置进行非视距性能优化解算。本专利技术与传统建站模式相比，通过建模仿真可以快速获取基站最优部署位置，减小非视距传播对室内UWB定位影响，提高基站的可用范围，减少实际测试时的人力物力损耗，对实际UWB定位基站的布设有一定的指导意义。
[0007]该方法通过合理布设基站来减小非视距传播对室内UWB定位影响，目的是指导实际建站，没有涉及到定位方式的创新。本文描述了一种新的定位方式，即采用单基站，在获取先验信息的基础上，利用反射信号构成虚拟基站，实现单基站定位，目的是在定位方式层面上提升定位精度，为室内UWB定位方式提供了新的思路。
[0008]申请日2021/12/16，申请号：CN202111542767.3，专利名称：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。
[0009]该算法针对行人在室内复杂环境下中人体遮挡下的优化定位算法，利用UWB多基站冗余，结合PDR技术，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，是一种融合定位方式。本文描述了一种新的单独UWB技术定位方式，利用反射信号构成虚拟基站，结合射线跟踪仿真模型，实现单基站定位，目的是在定位方式层面上提升定位精度，为室内UWB定位方式提供了新的思路。

技术实现思路

[0010]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提出了基于反射信号的单基站室内UWB优化定位方法。利用反射信号，采用单基站完成室内定位，通过设置虚拟基站，不仅使得反射信号干扰消失，还对其加以利用，形成虚拟直射信号，提高了基站的利用率，在保证定位精度的情况下减少了基站个数，降低了成本。
[0011]本专利技术提供基于反射信号的单基站室内UWB优化定位方法，该方法包括以下步骤：
[0012](1)场景建模，确定环境材料以及电磁参数；
[0013](2)放置定位基站，其坐标视为已知量；
[0014](3)将定位标签进入环境中，接收到基站发出到该点的多径信号；
[0015](4)解析接收波形，判断定位标签到基站是否在视距范围内，针对两种情况分别形成对应的定位约束区域；
[0016]所述针对两种情况分别形成对应的定位约束区域，分为视距情况和非视距情况；
[0017]当处于视距范围内，可以计算基站到达定位标签的直线距离，计算公式为：
[0018]d＝c*(t1‑
t0)
[0019]其中，d为直线距离，c为光速，t1为首径到达的时间戳，t0为信号发送的时间戳；
[0020]定位标签约束区域为：
[0021]Z＝L∩U
[0022]其中，Z是定位标签约束区域，L为以基站为圆心，d为半径所做的圆弧，U为空间环境放置标签的区域；
[0023]当处于非视距范围内，以基站为发射点发射一根射线，然后绕基站位置进行旋转，根据环境障碍物的位置，射线未扫过的区域即定位标签约束区域，计算公式为：
[0024]Z＝U
‑
R∩U
[0025]其中，Z是定位标签约束区域，U为空间环境可以放置标签的区域，R为射线扫过的视距区域；
[0026]所述判断定位标签到基站是否在视距范围内，采用首径次径差值检测法，其步骤包括：
[0027](4.1)预处理接收波形，设置检测阈值，滤除二次反射及以上的微弱信号；
[0028](4.2)记录接收到多径信号的峰值和时间戳；
[0029](4.3)通过时间戳找到一个周期内的首个波形，视作首径，当且仅当首径信号强度明显大于其他信号强度时，才认为基站和定位标签处于视距范围，无障碍物遮挡，否则认为是非视距影响下的波形；
[0030](5)在定位约束区域采用射线跟踪模型，获取模拟接收信号波形，获取当前网格点作为定位点的概率值；
[0031](6)遍历所有网格采样点，重复步骤(5)，获得各个网格作为定位点的概率值，然后在约束区域内拟合出相似概率热力图，概率最高的位置点即为定位解算位置。
[0032]作为本专利技术进一步改进，步骤(4.1)阈值根据接收波形最大值设置，计算公式为：
[0033]E
threshold
＝E
max
*g
[0034]其中E
threshold
为所设置的阈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于反射信号的单基站室内UWB优化定位方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)场景建模，确定环境材料以及电磁参数；(2)放置定位基站，其坐标视为已知量；(3)将定位标签进入环境中，接收到基站发出到该点的多径信号；(4)解析接收波形，判断定位标签到基站是否在视距范围内，针对两种情况分别形成对应的定位约束区域；所述针对两种情况分别形成对应的定位约束区域，分为视距情况和非视距情况；当处于视距范围内，可以计算基站到达定位标签的直线距离，计算公式为：d＝c*(t1‑
t0)其中，d为直线距离，c为光速，t1为首径到达的时间戳，t0为信号发送的时间戳；定位标签约束区域为：Z＝L∩U其中，Z是定位标签约束区域，L为以基站为圆心，d为半径所做的圆弧，U为空间环境放置标签的区域；当处于非视距范围内，以基站为发射点发射一根射线，然后绕基站位置进行旋转，根据环境障碍物的位置，射线未扫过的区域即定位标签约束区域，计算公式为：Z＝U
‑
R∩U其中，Z是定位标签约束区域，U为空间环境可以放置标签的区域，R为射线扫过的视距区域；所述判断定位标签到基站是否在视距范围内，采用首径次径差值检测法，其步骤包括：(4.1)预处理接收波形，设置检测阈值，滤除二次反射及以上的微弱信号；(4.2)记录接收到多径信号的峰值和时间戳；(4.3)通过时间戳找到一个周期内的首个波形，视作首径，当且仅当首径信号强度明显大于其他信号强度时，才认为基站和定位标签处于视距范围，无障碍物遮挡，否则认为是非视距影响下的波形；(5)在定位约束区域采用射线跟踪模型，获取模拟接收信号波形，获取当前网格点作为定位点的概率值；(6)遍历所有网格采样点，重复步骤(5)，获得各个网格作为定位点的概率值，然后在约束区域内拟合出相似概率热力图，概率最高的位置点即为定位解算位置。2.根据权利要求1所述的基于反射信号的单基站室内UWB优化定位方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆，黎泽辉，张锐，张昊，阳媛，吴新祺，刘昊，杨锐，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：