基于LoRaSX1280测距统计分析与分组的定位性能提升方法技术

一种基于LoRa SX1280测距统计分析与分组的定位性能提升方法，在基于SX1280LoRa模块的嵌入式测距装置中，通过多次测距的统计方差分析，评估测距结果受非视距误差影响的严重程度。其次根据方差大小判断对应的锚节点是否属于NLOS测距节点，进而对锚节点进行分组，方差越大则锚节点受NLOS传输影响越大。然后抛弃方差较大的锚节点，选择方差较小的锚节点。利用选中锚节点的平均测距结果就可以进行定位计算，相比于无差别的选择所有锚节点平均测距结果进行定位计算，本发明专利技术的方案可以改善定位性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
集合中的平均测距结果根据测距方差进行排序，选择若干测距方差最小的平均测距结果，使得最终选中的平均测距结果为N个。
[0010]进一步，主机和从机具有相同的嵌入式结构，主机负责发送测距请求，以及实现测距后对测距数据进行记录与储存；从机负责响应主机的测距请求；所述从机作为锚节点使用，而主机作为待定位移动节点使用，当目标主机分别对不少于三个从机进行测距，并通过上述处理过程获得最终选中的测距结果集合，则可以采用各种三边定位方法进行目标主机的位置估计，位置估算可以在主机中执行，也可以把数据传输到电脑端执行。
[0011]所述步骤1)中，对于任一主从机测试对，需要连续测量M次并记录测距结果，可以用数学符号d
k,n
表示，下标k表示第k次测量，下标n表示第n个主从机测试对。
[0012]所述步骤2)中，首先对每一对主从机组合计算M次测距结果的统计方差，即mean(d
k,n
)表示M个d
k,n
测量样本的算术平均值。不失一般性，假设经过排序，集合{V
n
}中元素随着n变大而递减；其次给出如下的测距样本门限比较判决，NLOS误差小和没有NLOS误差的测距样本予以保留，NLOS误差大和中等的测距样本一般予以抛弃；
[0013][0014]所述步骤3)中，主从机测距结果分组过程为：首先计算每一对主从机组合的平均测距结果d
n
＝mean(d
k,n
)，其对应的方差V
n
递降；根据门限对比判决方式，接下来将排序的测距方差V/>n
分别与测距方差门限S1，S2，和S3进行对比，将对应的平均测距队列分为A1，A2，A3和A4四个集合，其中A1集合收集NLOS误差大的平均测距结果，A2集合收集NLOS误差中等的平均测距结果，A3集合收集NLOS误差小的平均测距结果，A4集合收集无NLOS误差的LOS平均测距结果；若集合A3和A4中的平均测距结果数量之和不小于N，则直接利用这两个集合中的测距结果进行定位计算；否则，在A1和A2集合选择若干测距方差最小的平均测距结果，使得最终选中的平均测距结果为N个，然后进行定位计算。
[0015]所述测距装置采用ESP32芯片作为微处理器，ESP32与SX1280之间的芯片通信，使用芯片的具体引脚连接方式如表1所示，未使用的引脚不做连接；
[0016][0017][0018]表1。
[0019]SX1280模块LoRa测距的调制参数中，SF表示扩频因子，可选的范围为5～10；BW表示带宽，CR表示编码速率，不同参数之间可以任意组合，将表2中参数进行排列组合后共有72组调制参数可用于LoRa测距。
[0020][0021]表2。
[0022]优选的，调制参数如表3所示：
[0023][0024]表3。
[0025]本专利技术的技术构思为：在SX1280装置中，主机和从机的测距通过飞行时间的测量实现，ToF乘上光速即为测距的数值，后续我们不再区分ToF和测距，统一称为测距。多次测距结果的方差可以表示一对主从机位置之间测距结果受NLOS传输影响程度。当测距路径中存在NLOS误差时，多次测距结果之间会出现较大的差别，从而导致测距方差数值上升，因此可以用多次测距结果的统计方差来鉴别NLOS环境的复杂程度。
[0026]根据多次测距结果的方差大小判断对应的锚节点是否属于NLOS节点，进而对锚节点进行分组，抛弃方差较大的锚节点，保留方差较小的锚节点进行定位，相比于无差别的选择所有锚节点进行定位计算，本专利技术的方案可以改善定位性能。
[0027]本专利技术的有益效果主要表现在：本专利技术提出的基于LoRa测距结果统计分析与分组的定位性能提升方法，根据多次测距结果的方差大小判断该锚节点是否属于NLOS节点，只保留方差较小的锚节点进行定位，可以明显减小NLOS环境下的定位误差。
[0028]图1为定位系统示意图。
[0029]图2为测距统计分析与分组处理的流程图。
[0030]图3为定位案例空间拓扑示意图。
[0031]图4为不同锚节点分组方式的定位估计结果，(a)～(f)分别对应锚节点分组0～5的定位估计结果。
[0032]图5为不同锚节点分组下不同调制参数定位结果对比。
具体实施方式
[0033]下面结合附图对本专利技术做进一步说明。
[0034]参照图1～图5，一种基于LoRa SX1280测距统计分析与分组的定位性能提升方法，包括以下步骤：
[0035]1)主机中的SX1280模块发送测距要求，从机中的SX1280模块响应测距要求，主机
记录下从发送测距要求到接收到测距响应这段电波飞行时间对应的测距数值，上述测量连续执行M次，主机记录下M次的测量结果；
[0036]2)计算M次测距结果的统计方差，为了满足统计性，M一般不低于10，不失一般性，本专利技术的测试案例采用M＝30。设定测距方差门限S1，S2，和S3，当测距方差大于S1时，认定测距结果含有明显的NLOS误差，测距结果需要抛弃；当测距方差处于S2和S1之间时，可以判断测距结果里包含一定的NLOS误差，测距结果需要抛弃；当测距方差处于S2和S3之间时，可以判断测距结果里包含的NLOS误差较小，所在位置NLOS环境较简单，此时可以接受测距结果，但测距结果还有一定概率包含NLOS误差；当测距方差小于S3时，可以判断测距结果属于LOS传输情形，保留测距结果。在本专利技术的测试案例中，根据实测结果设定了S1＝10，S2＝0.5和S3＝0.1，在各类应用中门限可以根据实际情况调整。
[0037]3)依据以上对测距方差的划分，可以对主从机之间的测距结果进行分组，得到测距方差逐步降低的四个平均测距结果分组A1，A2，A3和A4。注意平均测距结果指对每一个主从机测试对的M次测量做了平均。本专利技术研究发现当参与定位的测距结果数量小于N时，不管测距结果是否包含NLOS误差，定位性能都不理想，在测试案例中N＝4。因此参与定位计算的测距，首先必须包含A3和A4集合所有平均测距结果，其次如果这些平均测距结果的数量和小于N，则对A1和A2集合中的平均测距结果根据测距方差进行排序，选择若干测距方差最小的平均测距结果，使得最终选中的平均测距结果为N个。
[0038]进一步说明，附图1给出了本专利的定位系统示意图，其中主机和从机具有相同的嵌入式结构，只是功能逻辑上区分了主从。主机负责发送测距请求，以及实现测距后对测距数据进行记录与储存；从机负责响应主机的测距请求。不失一般性，在本专利技术提供的测试样例中，从机作为锚节点使用，而主机作为待定位移动节点使用。当目标主机分别对不少于三个从机进行测距，并通过上述处理过程获得最终选中的测距结果集合，则可以采用各种三边定位方法进行目标主机的位置估计。位置估算可以在主机中执行，也可以把数据传输到电脑端执行。
[0039]所述步骤1)中，对于任一主从机测试对，需要连续测量M次并记录测距结果，可以用数学符号d
k,n<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LoRa SX1280测距统计分析与分组的定位性能提升方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)主机中的SX1280模块发送测距要求，从机中的SX1280模块响应测距要求，主机记录下从发送测距要求到接收到测距响应这段电波飞行时间对应的测距数值，上述测量连续执行M次，主机记录下M次的测量结果；2)计算M次测距结果的统计方差，设定测距方差门限S1，S2，和S3，当测距方差大于S1时，认定测距结果含有明显的NLOS误差，测距结果需要抛弃；当测距方差处于S2和S1之间时，可以判断测距结果里包含一定的NLOS误差，测距结果需要抛弃；当测距方差处于S2和S3之间时，可以判断测距结果里包含的NLOS误差较小，所在位置NLOS环境较简单，此时可以接受测距结果，但测距结果还有一定概率包含NLOS误差；当测距方差小于S3时，可以判断测距结果属于LOS传输情形，保留测距结果；3)依据以上对测距方差的划分，可以对主从机之间的测距结果进行分组，得到测距方差逐步降低的四个平均测距结果分组A1，A2，A3和A4；参与定位计算的测距，首先必须包含A3和A4集合所有平均测距结果，其次如果这些平均测距结果的数量和小于N，则对A1和A2集合中的平均测距结果根据测距方差进行排序，选择若干测距方差最小的平均测距结果，使得最终选中的平均测距结果为N个。2.如权利要求1所述的基于LoRa SX1280测距统计分析与分组的定位性能提升方法，其特征在于，主机和从机具有相同的嵌入式结构，主机负责发送测距请求，以及实现测距后对测距数据进行记录与储存；从机负责响应主机的测距请求；所述从机作为锚节点使用，而主机作为待定位移动节点使用，当目标主机分别对不少于三个从机进行测距，并通过上述处理过程获得最终选中的测距结果集合，则可以采用各种三边定位方法进行目标主机的位置估计，位置估算可以在主机中执行，也可以把数据传输到电脑端执行。3.如权利要求1或2所述的基于LoRa SX1280测距统计分析与分组的定位性能提升方法，其特征在于，所述步骤1)中，对于任一主从机测试对，需要连续测量M次并记录测距结果，可以用数学符号d
k,n
表示，下标k表示第k次测量，下标n表示第n个主从机测试对。4.如权利要求3所述的基于LoRa SX1280测距统计分析与分组的定位性能提升方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：华惊宇，张涛，闻建刚，王建斌，鲁佳，史雅茹，王贞凯，施淑媛，
申请(专利权)人：中国电信股份有限公司浙江分公司三维通信股份有限公司，
类型：发明
国别省市：