CN102662168A - 基于uwb技术的楼宇定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB技术的楼宇定位方法。该方法包括TOA距离估计和模糊逻辑的权值选取两个步骤；即通过对首次到达信号时间和最强信号时间进行加权来得到直达信号到达时间，并采用模糊逻辑技术计算加权系数。实际数据表明，这样极大地提高定位精度。与传统的窄带定位系统相比，本发明方法具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。

Description

基于UWB技术的楼宇定位方法

技术领域：

本发明涉及RFID和UWB(Ultra-Wideband，超宽带)技术领域，特别是一种基于UWB技术的楼宇定位方法。

背景技术：

目前，国内对于人员定位，通常都采用以下几种方案：

1.红外线室内定位技术。红外线室内定位技术定位的原理是，红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易受其它光源干扰，在精确定位上有局限性。

2.超声波定位技术。超声波测距主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，主测距器向位置固定的应答器发射相同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，主测距器根据接收的信号测算出与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。

3.蓝牙技术。蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(Piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库。

发明内容：

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于UWB技术的楼宇定位方法。该方法通过结合RFID技术来实现对楼宇人员的定位。

由于方法中涉及UWB技术，作为一种高速、低成本和低功耗，抗多径干扰、穿透能力强的新兴无线通信技术。UWB信号是带宽大于500MHz或基带带宽和载波频率的比值大于0.2的脉冲信号，具有很宽的频带范围，频带从3.1GHz～10.6GHz，并限制信号的发射功率在-41dBm以下。这样使得其在符合IEEE802.15.4a的低速低功率传输的情况下非常适合应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪，能提供十分精确的定位精度。

本发明的具体技术方案如下：

基于UWB技术的楼宇定位方法，包括TOA距离估计和模糊逻辑的权值选取两个步骤；

所述TOA距离估计是利用检测接收信号中的直达路径的到达时间，来测量通信收发节点间的距离，具体来说就是：对于一个单路径加性白噪声信道条件，利用TOA测距的距离估计根均方差，即采用公式和来计算，其中，c为光速，R_SNR为信噪比，β为信号的有效带宽。

其中，S(f)为发送的传输信号的傅立叶变换。显然，估计的根均方差同信号的R_SNR和有效带宽有关，R_SNR和有效带宽越大，估计的根均方差越小。由于UWB信号带宽非常宽，UWB无线信号应用基于时间的技术可实现相对精确的定位。

所述模糊逻辑的权值选取步骤为：

(1)设UWB信号在T₀时刻被发送，在接收端节点接收到的首次到达信号和幅度最强信号的到达时刻分别为T_f和T_s，通过公式T＝α·T_f+(1-α)·T_s来计算得出直达信号到达时刻；

(2)使用模糊逻辑技术来选取权值α，设首次到达信号和幅度最强信号的幅度分别为E_f和E_s，并定义E＝|E_f|/|E_s|，T_r＝(T_f-T₀)/(T_s-T₀)。E_r和T_r为模糊逻辑函数的输入，α为输出；

(3)当发射信号时刻T₀＝0，在接收端分别记录下首次到达信号时刻T_f，幅度最强信号的到达时刻T_s，首次到达信号幅度E_f和幅度最强信号的幅度E_s。分别计算出模糊逻辑的输入值E_r、T_s，根据隶属函数，可以得到α；

(4)将T_f、T_s、α代入公式：T＝α·T_f+(1-α)·T_s，即可得到直达信号到达时刻T，进而结合公式：R＝c·(T-T_s)，计算出两点之间的距离。

本发明方法是在基于距离的定位算法的基础上提出的基于超宽带(UWB)通信技术的TOA(Time 0fArrival)测距方法。由于UWB信号具有隐蔽性好、穿透能力强、定位精度高以及功耗低等特点。但在节点定位应用中，UWB直达信号难以精确检测。本发明提出通过对首次到达信号时间和最强信号时间进行加权来得到直达信号到达时间，并采用模糊逻辑技术计算加权系数。实际数据表明，这样极大地提高定位精度。与传统的窄带定位系统相比，本发明方法具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为典型多径环境下的UWB接收信号的示意图。

图2a为E_r隶属函数图。

图2b为T_r隶属函数图。

图2c为α隶属函数图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明方法主要包含两大部分；

(一)TOA距离估计；

对于一个单路径加性白噪声(Additive White Gaussian Noise，AwGN)信道条件，可以利用TOA测距的距离估计根均方差：

$\sqrt{\mathrm{var}\left(\hat{d}\right)}\≥\frac{c}{2\sqrt{2}\mathrm{\π}\sqrt{R_{\mathrm{SNR}}}\mathrm{\β}}$

其中，c为光速，R_SNR为信噪比，β为信号的有效带宽。

一般情况下，TOA距离估计是利用检测接收信号中的直达路径的到达时间，来测量通信收发节点间的距离。因此，对直达路径信号到达时间的精确估计是至关重要的。其中，节点定位方法针对的是典型的无线传感器网络。通常来说，通过检测接收到信号的幅度是否最大来确定直达信号的到达时间，但是这种方法在多径条件下难以达到较高的测量精度。

如图1所示。直达信号(direct path)并非首次到达信号(firST path，与门限有关)或幅度最强信号(strONgest path)，因此在这种情况下，使用首次到达信号或幅度最强信号的到达时间都不能准确估计发射端节点和接收端节点之间的距离。可以利用最大似然估计法检测直达路径信号的到达时间来计算传感器节点之间的距离，但在复杂多径环境下容易造成信号波形的失真，因此有一定的实现难度。针对UWB直达信号难以精确检测的特点，本发明提出通过对首次到达信号时间和最强信号时间进行加权来得到直达信号到达时间，其加权系数由模糊逻辑技术获得。

(二)基于模糊逻辑的权值选取；

设UWB信号在T₀时刻被发送，在接收端节点接收到的首次到达信号和幅度最强信号的到达时刻分别为T_f和T_s，而直达信号到达时刻通过下式计算：

T＝α·T_f+(1-α)·T_s                              (1)

这里0≤α≤1，则发射端节点和接收端节点之间的距离可以表示成为：

R＝c·(T-T_s)                                         (2)

其中c＝3×108m/s，为无线电信号在自由空间的传播速度。

这里使用模糊逻辑技术来选取权值α，设首次到达信号和幅度最强信号的幅度分别为E_f和E_s，并定义E＝|E_f|/|E_s|，T_r＝(T_f-T₀)/(T_s-T₀)。E_r和T_r为模糊逻辑函数的输入，α为输出。E_r、T_r和α分别定义了低、中、高3个值。选择α值的规则如下表1所列：

表1

当发射信号时刻T₀＝0，在接收端分别记录下首次到达信号时刻T_f，幅度最强信号的到达时刻T_s，首次到达信号幅度E_f和幅度最强信号的幅度E_s。分别计算出模糊逻辑的输入值E_r、T_s，根据隶属函数(参见图2a、图2b和图2c)，可以得到α；将T_f、T_s、α代入(1)式即可得到直达信号到达时刻T，进而结合(2)式计算出两点之间的距离。

假设有三个参考节点(0，0)、(10，0)、(10，10)，盲节点到参考节点的实际距离分别为6.20、2.88、9.46，利用三边测量法可以获得节点的位置，如表2所列。

表2

这里，定义节点定位误差为节点的真实位置与估计位置的欧几里得距离。从表中可以看出，在节点定位中，应用基于UWB的测距技术可极大地提高节点定位精度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.基于UWB技术的楼宇定位方法，其特征在于，包括TOA距离估计和模糊逻辑的权值选取两个步骤；

所述TOA距离估计是利用检测接收信号中的直达路径的到达时间，来测量通信收发节点间的距离，利用公式

和计算得出。

所述模糊逻辑的权值选取步骤还包括：

(1)设UWB信号在T₀时刻被发送，在接收端节点接收到的首次到达信号和幅度最强信号的到达时刻分别为T_f和T_s，通过公式T＝α·T_f+(1-α)·T_s来计算得出直达信号到达时刻；

(2)使用模糊逻辑技术来选取权值α，设首次到达信号和幅度最强信号的幅度分别为E_f和E_s，并定义E＝|E_f|/|E_s|，T_r＝(T_f-T₀)/(T_s-T₀)。E_r和T_r为模糊逻辑函数的输入，α为输出；

(3)当发射信号时刻T₀＝0，在接收端分别记录下首次到达信号时刻T_f，幅度最强信号的到达时刻T_s，首次到达信号幅度E_f和幅度最强信号的幅度E_s。分别计算出模糊逻辑的输入值E_r、T_s，根据隶属函数，可以得到α；

(4)将T_f、T_s、α代入公式：T＝α·T_f+(1-α)·T_s，即可得到直达信号到达时刻T，进而结合公式：R＝c·(T-T_s)，计算出两点之间的距离。

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