CN101883426B

CN101883426B - 高精度的超宽带无线定位方法

Info

Publication number: CN101883426B
Application number: CN2010102095120A
Authority: CN
Inventors: 张�浩; 崔学荣; 屠晓东; 王景景; 吕婷婷; 张丽
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2010-06-19
Filing date: 2010-06-19
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-06-19
Also published as: CN101883426A

Abstract

本发明涉及一种高精度的超宽带无线定位方法。包括A、系统初始化；B、发射UWB脉冲信号；C、接收并计算脉冲信号的传播时延τ；D、发送传播时延τ的计算结果；E、接收传播时延τ；F、计算各个基站的测距结果；G、最后，按照TOA或TDOA定位算法而计算出待定位终端的定位坐标；其特征在于在上述步骤E后，还依次用待定位终端的最大移动速度v对传播时延的测量值τ进行后向过滤，并且取传播时延的最大概率测量值作为最终所使用的传播时延。本发明的定位方法可靠性高，定位准确迅速，抗干扰能力强，且无须增加额外的硬件设备，而广泛地应用于各种无线设备的定位。

Description

高精度的超宽带无线定位方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及超宽带(UWB)无线通信技术，具体是一种采用超宽带的高精度的无线定位方法。

背景技术

超宽频带无线通信技术是一种不用载波，采用小于纳秒时长的不连续脉冲进行通信的一种无线通信技术。由于UWB使用小于纳秒时长的超短脉冲进行通信，其信号功率被扩散在从0到数十GHz的超宽频带范围内，这种独特的通信机制使其与目前频域通信技术相比具有对信道衰落不敏感、发射功率低、与其它无线系统可以共存、多径分辨能力强、抗干扰能力强、系统复杂度低、穿透能力强等优点，因而在全球范围内受到广泛关注，在精确测距和定位、短距离高速通信(100Mbps-1Gbps)、雷达探测、防侦听抗干扰保密通信等多个军用和民用领域均有广泛的应用前景。

为了实现基于超宽带的无线定位，已有的相关的硬件设备主要有移动待定位终端、定位基站及定位服务器组成。

其中，移动待定位终端是在定位区域内移动的，需要定位的终端，一般是功率低(几毫瓦特)的超宽带发射装置，包括一些目前广泛使用的移动通讯设备。

定位基站是由分布在定位区域内的定位基站，可以接收待定位终端发送的UWB信号，并进行互相关，计算信号传播时延，最后能够将计算值发送给定位服务器。一般由三个以上的定位基站。

定位服务器一般是一台计算机，可以接收来自于定位基站发送的传播时延，并对其进行数据处理、执行定位算法。

目前较常用的定位技术大都是基于测距进行的，这是因为，非基于距离的定位技术一般定位精度较差，且需要大量基站(位置已知的终端)的配合。最常用的定位方法有基于接收信号到达时间估计的TOA(Time of Arrival)和TDOA(Time Difference of Arrival)、基于接收信号强度估计的RSS(Received Signal Strength)和基于到达角度估计的AOA(Angle of Arrival)。UWB脉冲由于具有极高的带宽，持续时间达到ns级，因而具有很强的时间分辨能力。所以为了充分利用UWB时间分辨能力强这个特性，使用TOA、TDOA估计的定位技术是最适合于UWB的。在这两种方法中影响测量误差的主要因素就是传输时延测量的精确度。传统的方法需要发送端和接收端使用共同的参考时钟，才能完成传输时延的测量，而基于导频序列与接收信号相关器的传输时延最大似然估计的方法不需要发送端和接收端使用共同的参考时钟，这样可以很大程度上减少测量误差，其定位的一般步骤如下(如图1所示)：

A、系统初始化：包括基站和定位服务器的硬件安装；也包括服务器的软件安装；

B、待定位终端发射单个UWB脉冲信号(即脉冲序列)；

C、定位基站接收信号并计算信号传播时延；

D、定位基站将传播时延计算结果发送给定位服务器；

E、定位服务器接收各个基站的传播时延；

F、定位服务器计算各个基站的测距结果；

G、定位服务器应用TOA或TDOA基于距离的定位算法对待定位终端进行定位。

以上步骤中对定位结果影响最大的是步骤E中传播时延的计算；目前常用的有两种方法来计算传播时延。

门限值法：设定相关器的门限，如果相关器的输出大于该门限值则触发信号的捕捉，该时刻即为信号传播时延。但是这种方法中门限值的选择非常困难：如果门限值太大，则接收机就不能检测出导频序列，导致测得的脉冲传播时延值偏大；如果门限值太小，则相关器的小峰值的信号也会错误地触发信号捕捉，导致测得的脉冲传播时延值偏小。

峰值法：获取相关器输出的最大值所对应的时刻为信号的传播时延。由于无线信道的多径、发射、衍射等干扰很有可能造成相关器输出峰值对应的时刻并不是真正信号的传播时延，所以就会对时间测量值造成很大的误差。

此外，虽然多次测量取平均值的方法虽然在一定程度上可以使定位精度得到改善，但是在复杂的无线环境下，其精度还是不理想。而且在有多径、折射等复杂的无线环境下，其测量误差也并不是服从0均值的高斯分布，所以不适合使用平均值的数据处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度的超宽带无线定位方法，以克服现有技术测量精度不高的不足。

本发明在现有技术的基础上增加了“用待定位终端的最大移动速度v对传播时延的测量值进行后向过滤”，从而解决了现有技中难以处理误差偏大的数据的问题；又在该“后向过滤”之后增加了“取传播时延的最大概率测量值作为最终所使用的传播时延”，从而解决了在复杂的无线环境下无法取得精确值的问题，最终获得每一个待定位终端的高精度的定位坐标。

一种高精度的超宽带无线定位方法，包括以下步骤：

A、系统初始化：主要包括设定每次定位的测距次数N、各个基站的时钟偏移、待定位终端的最大可能移动速度v、各个基站的时钟偏移以及脉冲信号的传播速度C；

B、由待定位终端发射UWB脉冲信号；

C、由各定位基站接收脉冲信号并计算脉冲信号的传播时延τ；

D、由各定位基站将传播时延τ的计算结果发送给定位服务器；

E、由定位服务器接收各个定位基站发送的传播时延τ；

F、由定位服务器计算各个基站的测距结果；

G、最后，根据上述定位服务器的测距结果由定位服务器按照TOA或TDOA定位算法而计算出待定位终端的定位坐标；

其特征在于在上述步骤E后，依次有步骤E₁-用待定位终端的最大可能移动速度v对传播时延的测量值τ进行后向过滤，以及步骤E₂-取传播时延的最大概率测量值作为最终所使用的传播时延。

上述步骤E₁中的后向过滤是：

1)计算待定位终端相对于本定位基站的上次定位与本次定位的距离之差δ；

2)计算待定位终端在上次定位与本次定位的时间间隔内的最大可能位移L；

3)若1)中的距离之差δ大于最大可能位移L则将δ过滤掉，否则进行步骤E₂的数据处理。

上述步骤1)包括：

通过脉冲信号的传播速度C和上次定位计算出的传播时延τ₀，而计算出上次定位时待定位终端与本定位基站的距离L₀＝Cτ₀；以及通过脉冲信号的传播速度C和本次测量的传播时延τ，而计算出本次定位时待定位终端与本定位基站的距离L＝Cτ；并得到待定位终端相对于本定位基站的上次定位与本次定位的距离差δ＝L-L₀。

上述步骤2)包括：

通过待定位终端的最大可能移动速度v与两次定位的时间间隔即定位周期T，而得到待定位终端的最大可能位移L_max＝vT。

上述步骤3)包括：

如果距离之差δ大于最大可能位移L_max，则将该δ过滤掉；否则该δ将参与步骤E₂的处理。

上述步骤3)执行完毕后，判断本次定位是否是第N次测距，如果是则继续执行下述的步骤E₂，否则返回步聚B由待定位终端继续发送脉冲信号。

上述步骤E₂包括：

1)在步骤3)的未过滤掉的时延中，找出最小和最大的两个时延以确定一个两端点分别为最小和最大时延的区间；

2)根据需要的定位精度将1)的区间等分成若干个子区间；

3)在定位服务器中统计出现在每个子区间内的传播时延的个数；

4)找出包含时延个数最多的那个子区间；

5)求出4)中子区间内的各个传播时延的平均值τ’，并以该平均值作为本次定位中本定位基站与待定位终端的传播时延。

上述高精度的超宽带无线定位方法应用于基于距离的定位算法中的TOA或TDOA算法以对待定位终端进行定位。

本发明通过用待定位终端的最大移动速度v对传播时延的测量值进行后向过滤，从而解决了现有技中难以处理误差偏大的数据的问题；通过取传播时延的最大概率测量值作为最终所使用的传播时延，比现有的计算传播时延的方法更加精确，因此定位的可靠性高，定位准确迅速，抗干扰能力强，且无须增加额外的硬件设备，而广泛地应用于各种无线设备的定位。

采用本发明在IEEE802.15.3a提供的信道模型下进行研究，发现无论是在通信条件好的环境下(距离近、视距、发射信号功率大等)还是通信条件不好(距离远、非视距、发射信号功率低等)的环境下，使用上述的步骤E₁和步骤E₂后，可以大大提高步骤E中传播时延的计算结果的准确性，从而保证步骤F中测距结果的准确性。例如，表1所示的是真实距离为2，4，6，8米时，进行了100次测量后，使用本发明进行数据处理与测量平均值进行数据处理的对比。可以发现用本发明的测量值的误差明显小于平均值法的测量值。

表1真实距离为2，4，6，8米时本发明的测量值与平均值法的测量值

真实距离(m)	2	4	6	8
					本发明的测量值(m)	1.9900	3.9830	6.0110	7.9830
平均值法的测量值(m)	1.9895	4.1412	13.8670	19.4330

附图说明

图1是现有的传统定位方法流程图。

图2是本发明的步骤E₁和步骤E₂的流程图。

图3是本发明的总体流程图。

具体实施方式

下面是本发明在现有技术的基础上增加了“用待定位终端的最大移动速度v对传播时延的测量值进行后向过滤”，以及“取传播时延的最大概率测量值作为最终所使用的传播时延”，最终获得每一个待定位终端的高精度的定位坐标。

如图3所示，本发明包括以下步骤：

A、系统初始化：主要包括设定每次定位的测距次数N、各个基站的时钟偏移、待定位终端的最大可能移动速度v以及脉冲信号的传播速度C；

B、由待定位终端发射UWB脉冲信号；

E、由定位服务器接收各个定位基站发送的传播时延τ；

F、由定位服务器计算各个基站的测距结果；

其特征在于在上述步骤E后，依次有步骤E₁-用待定位终端的最大移动速度v对传播时延的测量值τ进行后向过滤，以及步骤E₂-取传播时延的最大概率测量值作为最终所使用的传播时延。

本发明定位时，待定位终端根据其设置，定时发送大于5个的纳秒时长的脉冲信号。所有接收到该脉冲信号的定位基站，对每个脉冲信号分别与导频序列进行互相关运算，计算出其脉冲延迟时间；并将计算结果传输给定位服务器；然后在定位服务器端，利用待定位终端的最大移动速度对测量结果进行后向过滤，滤掉误差偏大的数据；再通过划分多个精度区间的方法计算求出出现概率最大的测量值；用该值减去时钟偏移再乘以光速即为两个基站之间的距离；最后再根据距离或距离差以及参考基站的位置坐标，采用TOA或者TDOA定位算法确定待测终端的空间位置。

上述的A、系统初始化，还包括：

定位基站的安装：如果是二维定位，则至少需要3个定位基站；如果是三维定位则至少需要4个定位基站。

定位服务器的安装：在定位服务器端要求能够接收到各个定位基站发送(可以通过传统的射频通信、UWB通信、有线通信等方式)过来的信号传播时延。

软件配置：主要在定位服务器上进行软件的安装、待定位终端的定位周期、每次定位的测距次数N(即发送脉冲信号的个数)、各个基站的时钟偏移、待定位终端的最大移动速度v、信号传播速度C等，并通过无线发送给待定位终端，完成对待定位终端的设置。

上述的B、待定位终端发射多个UWB脉冲信号，包括：

当待定位终端要进行定位时，就会根据预先的设置发送N个脉冲信号，每个脉冲信号完成一次测距，每次定位要进行多次测距。

上述的C、定位基站接收脉冲信号并计算信号传播时延，包括：

定位基站接收脉冲信号，并将接收到的脉冲信号与导频序列进行互相关。此时相关器输出的信号的幅度会随着接收信号与导频序列的相似性而改变，相似程度越高，相关器输出越大，相关器的峰值对应的时移即为本次信号的传播时延τ。

再进行步骤D、由各定位基站将传播时延τ的计算结果发送给定位服务器；和E、由定位服务器接收各个定位基站发送的传播时延τ。

如图2所示，本发明的步骤E₁、用待定位终端的最大移动速度v对传播时延的测量值τ进行后向过滤，即

1)通过脉冲信号的传播速度C和上次定位计算出的传播时延τ₀，而计算出上次定位时待定位终端与本定位基站的距离L₀＝Cτ₀；以及通过脉冲信号的传播速度C和本次测量的传播时延τ，而计算出本次定位时待定位终端与本定位基站的距离L＝Cτ；并得到待定位终端相对于本定位基站的上次定位与本次定位的距离差(即位移差)δ＝L-L₀；

2)通过待定位终端的最大移动速度v与两次定位的时间间隔即定位周期T，而得到待定位终端最大可能位移L_max＝vT；

3)如果位移之差δ大于最大可能位移L_max，则将该δ过滤掉；否则该δ将参与步骤E₂的处理，此时是将距离之差δ的绝对值|L-L₀|与最大可能位移L_max作比较；

步骤3)执行完毕后，判断本次定位是否是第N次测距，如果是则继续执行下述的步骤E₂，否则返回步骤B由待定位终端继续发送脉冲信号。

步骤E₁的“后向过滤”是检验上次定位与本次定位中，待定位终端相对于本定位基站的位移是否超过了其最大的可能位移L。如果超过了，则说明本次测量值存在很大的误差而偏离实际情况，故将其过滤掉，不参与步骤E₂的处理；否则该传播时延是合理的，可以参与步骤E₂的处理。如果本次定位是首次定位，则只要将系统预先给定的一个传播时延值τ₀作为上次定位的传播时延即可进行运算；也可直接使用“零”值，即此时的τ₀＝0，从而L₀＝0，则δ＝L-L₀＝L。

如图2，本发明的E₂、取传播时延的最大概率测量值作为最终所使用的传播时延，即：

1)在未过滤掉的时延中，找出最小时延τ_min和最大时延τ_max而确定一个两端点分别为最小和最大时延的区间，即[τ_min，τ_max]；

2)将1)的区间等分成若干个子区间；子区间的具体数量是由定位精度与区间[τ_min，τ_max]共同决定——要求的定位精度越大，子区间的个数应该越多，通常将[τ_min，τ_max]等分成M个子区间后，需要满足传播速度C与(τ_max-τ_min)/M的乘积比定位精度低一个数量级，也可将[τ_min，τ_max]等分成至少十个以上的子区间；

4)找出包含时延个数最多的那个子区间；

5)求出4)中子区间内的各个传播时延的平均值τ’，并以该平均值作为本次定位本定位基站与待定位终端的传播时延。

步骤E₂之后是采用现有的F、定位服务器计算各个定位基站的测距结果：

将每一个定位基站在E₂中求得的时延τ’减去因为发送和接收所造成的时钟偏移再乘以信号传播速度，即为该定位基站的测距结果，其中，如果是二维定位，则至少需要3个定位基站；如果是三维定位则至少需要4个定位基站。

然后是G、定位服务器计算待定位终端所在的坐标：

根据所有基站传输的测距结果，采用现有的计算方法如TOA、TDOA等计算出待定位终端在本次定位中的坐标。之后待下一次定位周期来到后，将进行下一轮定位计算。

Claims

1.一种高精度的超宽带无线定位方法，包括以下步骤：

B、由待定位终端发射超宽带UWB脉冲信号；

C、由各定位基站接收脉冲信号并计算脉冲信号的传播时延；

D、由各定位基站将传播时延的计算结果发送给定位服务器；

E、由定位服务器接收各个定位基站发送的传播时延；

F、由定位服务器计算各个基站的测距结果；

G、最后，根据上述定位服务器的测距结果由定位服务器按照到达时间TOA或到达时间差TDOA定位算法而计算出待定位终端的定位坐标，

其特征在于，在上述步骤E后，对每个定位基站，依次有步骤E₁-用待定位终端的最大可能移动速度v对本定位基站发送的传播时延进行后向过滤，以及步骤E₂-取传播时延的最大概率测量值作为本次定位本定位基站与待定位终端的传播时延；

上述步骤E₁中的后向过滤包括：

1)计算待定位终端相对于本定位基站的上次定位与本次定位的距离之差δ，包括：

通过脉冲信号的传播速度C和上次定位计算出的传播时延τ₀，而计算出上次定位时待定位终端与本定位基站的距离L₀＝Cτ₀；以及通过脉冲信号的传播速度C和本次测量的传播时延τ，而计算出本次定位时待定位终端与本定位基站的距离L＝Cτ；并得到待定位终端相对于本定位基站的上次定位与本次定位的距离差δ＝L-L₀；如果本次定位是首次定位，则将系统预先给定的一个传播时延值τ₀作为上次定位的传播时延进行运算，或者直接使用“零”值，即此时的τ₀＝0，从而L₀＝0，则δ＝L-L₀＝L；

2)计算待定位终端在上次定位与本次定位的时间间隔内的最大可能位移L_max，包括：

通过待定位终端的最大可能移动速度v与两次定位的时间间隔即定位周期T，而得到待定位终端的最大可能位移L_max＝vT；

3)若1)中的距离之差δ大于最大可能位移L_max，则将本次测量的传播时延τ过滤掉，否则接受本次测量的传播时延τ，将其作为步骤E₂中的未过滤掉的时延；接下来判断本次定位是否是第N次测距，如果是则继续执行下述的步骤E₂，否则返回步骤B由待定位终端继续发送脉冲信号；

上述步骤E₂包括：

(1)在未过滤掉的时延中，找出最小和最大的两个时延以确定一个两端点分别为最小和最大时延的区间；

(2)根据需要的定位精度将上述(1)的区间等分成若干个子区间；

(3)在定位服务器中统计出现在每个子区间内的传播时延的个数；

(4)找出包含时延个数最多的那个子区间；

(5)求出上述(4)中子区间内的各个传播时延的平均值τ’，并以该平均值作为本次定位本定位基站与待定位终端的传播时延。

2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于将该方法应用于基于距离的定位算法中的TOA或TDOA算法以对待定位终端进行定位。