CN102081154B - 一种众目标实时定位装置和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种众目标实时定位装置和定位方法，该定位方法包括：确定定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域；分别构建以多个监测节点的位置坐标为圆心，以误差允许范围内该各监测节点的最大的测距距离为外圆周半径，以误差允许范围内该各监测节点的最小的测距距离为内圆周半径的环形区域；判断在该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域，计算出该重叠部分最多的区域的质心坐标，并以该质心坐标作为定位目标在当前时刻的定位坐标。该方法适用于室内信道环境下的TOA定位，其定位方法简单有效，具有高精度、系统开销小、实时性等特点。

Description

一种众目标实时定位装置和定位方法

技术领域

本发明涉及一种室内信道环境下TOA(Time of arrival，时间到达)实时定位装置和定位方法。

背景技术

实时定位系统具有巨大的应用价值和市场潜力，通常用于为机场、工业园区等区域提供基于位置信息的服务，例如游客引导、物资监控、人员跟踪和限制区域入侵监测等服务。TOA(Time of arrival，时间到达)测距方法具有较高的测距精度，是目前众目标定位系统中常用的测距方法，基于TOA测距的实时定位系统是目前常用的实时定位系统。由于室内信道环境复杂，导致TOA定位系统的测距精度较差，严重影响系统的定位精度。在室内环境下实现目标的精确定位具有很大挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出了一种众目标实时定位装置和定位方法，适用于室内信道环境下的TOA定位，其定位方法简单有效，具有高精度、系统开销小、实时性等特点。

为解决上述技术问题，本发明提出一种众目标实时定位方法，包括步骤：

配置监测节点在监测区域内的测距误差的范围，以及定位目标在该监测区域内的最大移动速度；

计算以定位目标在前一时刻的定位坐标为圆心，以该定位目标的最大移动速度与当前时刻与所述前一时刻的时间差之积为半径的圆，以该圆内区域作为该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域；

获取多个监测节点对该定位目标进行测距的结果，根据设置的监测节点在监测区域内的测距误差的范围，分别构建以该多个监测节点的位置坐标为圆心，以误差允许范围内该各监测节点的最大的测距距离为外圆周半径，以误差允许范围内该各监测节点的最小的测距距离为内圆周半径的环形区域；

判断在该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域，计算出该重叠部分最多的区域的质心坐标，并以该质心坐标作为定位目标在当前时刻的定位坐标。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

所述监测节点在监测区域内的测距误差的范围是通过大量测距实验得到的。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

所述定位目标在该监测区域内的最大移动速度是根据监测区域的环境、定位目标类型配置的。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

在获取多个监测节点对该定位目标进行测距的结果时，至少获取3个监测节点对该定位目标进行测距的结果。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

还包括步骤：设置属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为1，不属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为0；以及

在判断在所述定位目标当前坐标位置区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域时，是通过判断重叠区域的坐标权值之和为最大的一区域来实现的。

为解决上述技术问题，本发明提出一种众目标实时定位装置，包括配置单元、接收单元和处理单元，其中：

所述配置单元，用以配置监测区域内的测距误差的范围、定位目标在监测区域内的最大移动速度，以及监测节点的位置坐标；

所述接收单元，用以从测距网络中获取多个监测节点对定位目标进行测距的结果，打上时间标志，然后将其发送给所述处理单元；

所述处理单元，用以在接收到所述打上了时间标志的该多个监测节点对定位目标进行测距的结果后，从所述配置单元获取配置监测区域内的测距误差的范围、定位目标在监测区域内的最大移动速度，以及监测节点的位置坐标，然后执行：

根据所述时间标志获取当前时刻，计算以该定位目标在前一时刻的定位坐标为圆心，以该定位目标的最大移动速度与当前时刻与所述前一时刻的时间差之积为半径的圆，以该圆内区域作为该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域；分别构建以该多个监测节点的位置坐标为圆心，以误差允许范围内该各监测节点的最大的测距距离为外圆周半径，以误差允许范围内该各监测节点的最小的测距距离为内圆周半径的环形区域；以及判断在该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域，计算出该重叠部分最多的区域的质心坐标，并以该质心坐标作为定位目标的定位坐标并保存。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：

所述配置单元配置的所述监测节点在监测区域内的测距误差的范围是通过大量测距实验得到的。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：

所述配置单元配置的所述定位目标在该监测区域内的最大移动速度是根据监测区域的环境、定位目标类型配置的。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：

所述接收单元在获取多个监测节点对该定位目标进行测距的结果时，至少获取3个监测节点对该定位目标进行测距的结果。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：

所述处理单元还设置属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为1，不属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为0；

所述处理单元在判断在所述定位目标当前坐标位置区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域时，是通过判断重叠区域的坐标权值之和最大的一区域来实现。

本发明提出的一种众目标实时定位装置和定位方法，其定位方法简单有效，具有高精度、系统开销小、实时性等特点。

附图说明

图1是本发明实施例一种众目标实时定位方法流程图；

图2是本发明实施例实时定位区域的预计算示意图；

图3是本发明实施例众目标实时定位方法的原理示意图；

图4是本发明实施例一种众目标实时定位装置方框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的说明：

参见图1，该图示出了本发明实施例一种众目标实时定位方法，具体包括步骤：

步骤S101：设置监测节点在监测区域内的测距误差的范围；

可以通过大量点对点的测距实验，得到监测节点在监测区域内的测距误差的范围：

e∈[(R_m-D_m)_min，(R_m-D_m)_max]

∈[i，j]

其中，e为监测节点在监测区域内的测距误差的范围，R_m为监测节点在监测区域进行TOA测距得到的距离，D_m为实际距离，m∈[1，n]，n为测距实验总次数，(R_m-D_m)_min表示取R_m与D_m之差的最小值，其取值为i，(R_m-D_m)_max为取大量点对点的测距实验中的R_m与D_m之差的最大值，其取值为j，j≥i；

步骤S102：根据监测区域的环境、定位目标类型设置一定位目标在该监测区域内的最大移动速度；

所述定位目标类型包括人、物。

步骤S103：计算以该定位目标在前一时刻的定位坐标为圆心，以该定位目标的最大移动速度与当前时刻与所述前一时刻的时间差之积为半径的圆，以该圆内区域作为该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域；

假设，定位目标在T_k-1时刻的定位坐标为(X_k-1，Y_k-1)，该定位目标的最大移动速度为V，则在T_k时刻，计算出该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域为以(X_k-1，Y_k-1)为圆心，以((T_k-T_k-1)×V)为半径的圆内，如图2所示。

在该步骤中，巧妙地利用移动目标的运动特征来计算定位目标可能出现的区域，有效地缩小了定位区域的范围，从而提高了定位精度。

步骤S104：获取多个监测节点对该定位目标进行测距的结果，根据设置的监测节点在监测区域内的测距误差的范围，分别构建以该多个监测节点的位置坐标为圆心，以误差允许范围内该各监测节点的最大的测距距离为外圆周半径，以误差允许范围内该各监测节点的最小的测距距离为内圆周半径的环形区域；

假设共有n个监测节点，误差范围e∈[i，j]。则以监测节BS_m的位置坐标(X_m，Y_m)为圆心构建的环形区域A_m为，以(R_m+i)为内圆周半径，以(R_m+j)为外圆周半径的环形区域，其中，R_m为监测节BS_m对该定位目标进行测距的结果，m∈[1，n]。对这n个监测节点构建的环形区域的集合A＝{A₁，A₂，...，A_n}。

在步骤S104中至少需要获取3个监测节点对该定位目标进行测距的结果。所述监测节点指基站(BaseStation，简称BS)。

步骤S105：判断在该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域，计算出该重叠部分最多的区域的质心坐标，并以该质心坐标作为定位目标在当前时刻的定位坐标。

可以设置属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为1，不属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为0。判断在所述定位目标当前坐标位置区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域时，可以通过判断重叠区域的坐标权值之和的大小来实现。参见图3，该图中的p表示重叠区域内的坐标权值之和，选取坐标权值最大的区域，图3中级p＝3的区域，并计算出该重叠部分最多的区域的质心坐标，并以该质心坐标作为定位目标的定位坐标。

无线传感器通讯节点部署后，包括标签(Tag)、作为监测节点的基站(Base station)和汇聚节点(Sink)，采取TOA测距方式，构成具有精确测距能力的测距网络。该测距网络定时上传数据，包含TAG与BS1，BS2，...，BSn(n≥3)之间的TOA测距距离：R＝{R1，R2，...，Rn}。

为了实现上述方法，本发明实施例还提出一种众目标实时定位装置，如图4所示，包括配置单元41、接收单元42和处理单元43，其中：

所述配置单元41，用以配置监测区域内的测距误差的范围、定位目标在监测区域内的最大移动速度，以及监测节点的位置坐标。

所述配置监测区域内的测距误差的范围是通过大量测距实验后得到的。所述定位目标在监测区域内的最大移动速度是根据监测区域的环境、定位目标类型得到的。

所述接收单元42，用以从测距网络中获取多个监测节点对定位目标进行测距的结果，打上时间标志，然后将其发送给所述处理单元43。

所述接收单元42至少需要获取3个监测节点对该定位目标进行测距的结果。

所述处理单元43，用以在接收到所述打上了时间标志的该多个监测节点对定位目标进行测距的结果后，从所述配置单元41获取配置监测区域内的测距误差的范围、定位目标在监测区域内的最大移动速度，以及监测节点的位置坐标，然后执行：

根据所述时间标志获取当前时刻，计算以该定位目标在前一时刻的定位坐标为圆心，以该定位目标的最大移动速度与当前时刻与所述前一时刻的时间差之积为半径的圆，以该圆内区域作为该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域；分别构建以该多个监测节点的位置坐标为圆心，以误差允许范围内该各监测节点的最大的测距距离为外圆周半径，以误差允许范围内该各监测节点的最小的测距距离为内圆周半径的环形区域；以及判断在该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域，计算出该重叠部分最多的区域的质心坐标，并以该质心坐标作为定位目标的定位坐标并保存。

进一步地，所述处理单元43还可以设置属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为1，不属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为0。所述处理单元43在判断在所述定位目标当前坐标位置区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域时，可以通过判断重叠区域的坐标权值之和的大小来实现。

本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种众目标实时定位方法，其特征在于，应用于室内信道环境下，包括步骤：

配置监测节点在监测区域内的测距误差的范围，以及定位目标在该监测区域内的最大移动速度；

计算以定位目标在前一时刻的定位坐标为圆心，以该定位目标的最大移动速度与当前时刻与所述前一时刻的时间差之积为半径的圆，以该圆内区域作为该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域；

获取多个监测节点对该定位目标进行测距的结果，根据设置的监测节点在监测区域内的测距误差的范围，分别构建以该多个监测节点的位置坐标为圆心，以误差允许范围内该各监测节点的最大的测距距离为外圆周半径，以误差允许范围内该各监测节点的最小的测距距离为内圆周半径的环形区域；其中，对于误差范围e∈[i，j]，以监测节点的位置坐标为圆心构建的环形区域为，以(R_m+i)为内圆周半径，以(R_m+j)为外圆周半径，R_m为监测节点对该定位目标进行测距的结果，i为测距误差的最小值，j为测距误差的最大值；

判断在该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域，计算出该重叠部分最多的区域的质心坐标，并以该质心坐标作为定位目标在当前时刻的定位坐标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述监测节点在监测区域内的测距误差的范围是通过大量测距实验得到的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述定位目标在该监测区域内的最大移动速度是根据监测区域的环境、定位目标类型配置的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

在获取多个监测节点对该定位目标进行测距的结果时，至少获取3个监测节点对该定位目标进行测距的结果。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

还包括步骤：设置属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为1，不属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为0；以及

在判断在所述定位目标当前坐标位置区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域时，是通过判断重叠区域的坐标权值之和为最大的一区域来实现的。

6.一种众目标实时定位装置，其特征在于，应用于室内信道环境下，包括配置单元、接收单元和处理单元，其中：

所述配置单元，用以配置监测区域内的测距误差的范围、定位目标在监测区域内的最大移动速度，以及监测节点的位置坐标；

所述接收单元，用以从测距网络中获取多个监测节点对定位目标进行测距的结果，打上时间标志，然后将其发送给所述处理单元；

所述处理单元，用以在接收到所述打上了时间标志的该多个监测节点对定位目标进行测距的结果后，从所述配置单元获取配置监测区域内的测距误差的范围、定位目标在监测区域内的最大移动速度，以及监测节点的位置坐标，然后执行：

根据所述时间标志获取当前时刻，计算以该定位目标在前一时刻的定位坐标为圆心，以该定位目标的最大移动速度与当前时刻与所述前一时刻的时间差之积为半径的圆，以该圆内区域作为该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域；分别构建以该多个监测节点的位置坐标为圆心，以误差允许范围内该各监测节点的最大的测距距离为外圆周半径，以误差允许范围内该各监测节点的最小的测距距离为内圆周半径的环形区域；以及判断在该定位目标在当前时刻的定位坐标所属区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域，计算出该重叠部分最多的区域的质心坐标，并以该质心坐标作为定位目标的定位坐标并保存；其中，对于误差范围e∈[i，j]，以监测节点的位置坐标为圆心构建的环形区域为，以(R_m+i)为内圆周半径，以(R_m+j)为外圆周半径，R_m为监测节点对该定位目标进行测距的结果，i为测距误差的最小值，j为测距误差的最大值。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述配置单元配置的所述监测节点在监测区域内的测距误差的范围是通过大量测距实验得到的。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述配置单元配置的所述定位目标在该监测区域内的最大移动速度是根据监测区域的环境、定位目标类型配置的。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述接收单元在获取多个监测节点对该定位目标进行测距的结果时，至少获取3个监测节点对该定位目标进行测距的结果。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述处理单元还设置属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为1，不属于所述构建的圆环内部的区域的坐标权值为0；

所述处理单元在判断在所述定位目标当前坐标位置区域内所述构建的环形区域彼此重叠部分最多的一区域时，是通过判断重叠区域的坐标权值之和最大的一区域来实现。

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