CN103874020B - 非直达径环境下单接收器的超宽带定位方法 - Google Patents

Abstract

一种非直达径环境下单接收器的超宽带定位方法，首先进行初始化；其次由固定基站发送超宽带信号，移动基站的非定向天线接收来自固定基站的信号并检测传播时延、到达方位角和俯仰角；然后移动基站的定向天线根据之前的到达方位角和俯仰角调整自身发射角度，并反射超宽带信号；固定基站接收来自移动基站的信号，并检测到达方位角和俯仰角，此时第一条反射信道的5个参数测量完毕；接着检测出第二条反射信道的5个参数；在这两组参数之上利用自我诊断算法检验参数是否符合要求，利用定位算法计算移动基站坐标。本发明有效解决了直达信号无法检测而造成的定位不准确问题，提高超宽带室内定位的精度，而室内定位技术具有很高推广价值。

Description

非直达径环境下单接收器的超宽带定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，尤其是一种无线定位技术，具体地说是一种室内环境下非直达径环境下单接收器的超宽带定位方法。

背景技术

目前，定位技术越来越受到人们的关注，室外定位技术最广为人知的就是GPS技术，即全球定位系统(Global Positioning System)，然而，由于室内环境具有其自身的特殊性——有非视距噪声干扰及室内遮挡，GPS等卫星定位系统的定位精度明显降低，GPS目前不适用于室内定位应用。

基于室内定位的需求，常用的室内定位技术主要有蓝牙定位、红外线定位、超声波定位和RFID定位。其中蓝牙定位技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，是通过测量信号强度来进行定位，但对于复杂的空间环境，蓝牙定位系统受噪声信号干扰较大，使得其稳定性稍差；红外线定位技术是利用光学传感器接收光信号进行定位，识别精度较高，但容易被荧光灯或者其他光源干扰，在定位上有局限性；超声波定位技术是利用反射式的测距法，根据发射波和回波的时间差计算距离来实现定位，但会受到多径效应和非视距传播的影响，同时需要大量的底层硬件设施，使得定位的成本太高；射频识别(radio frequencyidentification，RFID)技术利用射频方式进行非接触、非视距双向通信，以实现目标自动识别并获取相关数据，且可同时识别多个目标等优点，但定位精度有限。UWB是一种新的无线载波通信技术，它不采用传统的正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波脉冲传输数据，其所占的频谱范围很宽，可以从数Hz至数GHz。这样UWB系统可以在信噪比很低的情况下工作，并且UWB旧系统发射的功率谱密度也非常低，几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声中，故具有功耗低、系统复杂度低、隐密性好、截获率低、保密性好等优点，能很好的满足现代通信系统对安全性的要求。同时，信号的传输速率高，可达几十Mbps到几GbPs，并且抗多径衰减能力强，具有很强的穿透能力，能提供精确的定位精度，在室内定位方面应用具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对当前室内定位技术中由于环境比较复杂，在移动基站和固定基站之间容易受到障碍物的遮挡，特别是金属障碍物的干扰，使得超宽带信号强度衰减严重，造成固定基站传感器接收不到来自移动基站的超宽带直达信道，从而影响超宽带定位系统精度的问题，发明一种非直达径环境下单接收器的超宽带定位方法。

本发明的技术方案是：

一种非直达径环境下单接收器的超宽带定位方法，其特征是它包括以下步骤：

A、首先，在室内布置一个固定基站和一个移动基站，移动基站布置在室内移动物体上，并对室内空间进行坐标化，并且以固定基站为坐标原点进行空间坐标系的标定，然后对系统进行初始化，主要包括基站的时间同步、容差范围D、测距次数N；

B、其次，由固定基站的全向天线发射超宽带UWB脉冲信号1；

C、移动基站的非定向天线接收固定基站的超宽带UWB脉冲信号1，并检测该反射脉冲信号最强径，计算最强径的到达时间与信号发射时间的时间差即信号传播时延τ₁，则通过移动基站的天线阵列获取信号到达信号的方位角和俯仰角θ_M1，将这三个参数发送给定位平台服务器；

D、移动基站根据到达路径的方位角和俯仰角调整自身定向发射天线的方位角和俯仰角，并且发射超宽带脉冲信号，固定基站检测反射脉冲信号的最强径，计算最强径的到达时间与信号发射时间的时间差即传播时延τ₂，则通过天线阵列获取该到达信号的方位角和俯仰角θ_F1(由反射路径的对称性可知该到达信号的方位角和俯仰角即为步骤B中发射信号的出发方位角和俯仰角)，然后将这两个参数发送给定位平台服务器；

E、由固定基站的全向天线再次发射超宽带脉冲信号2，并且重复步骤C和D，检测出固定基站与移动基站之间另一条反射路径的相关参数并发送给定位平台服务器；

F、定位平台服务器根据自我诊断算法检测参数判断两条反射路径参数是否在容差范围内，如果超出容差范围则重新进行步骤B、C、D和E；否则由定位算法计算出移动基站坐标，并提供给客户端使用。

所述的自我诊断算法为：

其中:是第二条UWB反射信道传播时延τ₂的理论计算值，由两条反射信道的参数确定；D₂为所选容差范围，根据定位精度要求以及实验数据确定。

所述的定位算法为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_M\\ y_M\\ z_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_F\\ y_F\\ z_F\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}(a_{11}+b_{11})-a_{11}(c_{11}+k{c}_{12})\\ (a_{12}+b_{12})-a_{12}(c_{11}+k{c}_{12})\\ (a_{13}+b_{13})-a_{13}(c_{11}+k{c}_{12})\end{array}\right]{\mathrm{c\τ}}_1$

其中：(x_M,y_M,z_M)为移动基站坐标，(x_F,y_F,z_F)为固定基站坐标，a_ij,b_ij,c_ij(i＝1、2、3,j＝1、2、3)和k由所检测的两条反射路径参数确定。

所述的固定基站与移动基站均通过两根双绞线相连，一根用于基站之间的时间同步，一根用于与定位平台服务器的数据通信和控制。

系统初始化过程中的初始化变量包括固定基站在坐标系中的坐标(x_F,y_F,z_F)、基站的时间同步、参数容差范围D、测距次数N以及信号传输速度c。

固定基站中所采用的天线是接收和发射的分时双工天线，而移动基站的接收端使用全向天线，发射端使用精度比较高的定向天线，以保证移动基站发射的信道路径与接收到的信道路径高度重合。

通过检测固定基站和移动基站之间的两条反射路径，得到两组参数分别为和这两组参数可以通过信道自我诊断算法检验采集到的参数精度是否符合系统精度要求，当参数值d₂的计算值与检测值之差小于系统设定的容差时，则表明系统所检测的两组参数符合要求，可以用来计算移动基站的坐标位置，反之则重新检测信道参数。这种信道的自我诊断算法可以有效果过滤因为环境不确定因素引起的信道参数的突变，排除峰值误差，是系统定位结果更加稳定，有效降低系统的定位误差。

自我诊断算法

其中：

系统的定位算法可以由两条反射信道的几何关系获得：

$\left[\begin{array}{c}{x}_M\\ y_M\\ z_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_F\\ y_F\\ z_F\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}(a_{11}+b_{11})-a_{11}(c_{11}+k{c}_{12})\\ (a_{12}+b_{12})-a_{12}(c_{11}+k{c}_{12})\\ (a_{13}+b_{13})-a_{13}(c_{11}+k{c}_{12})\end{array}\right]{\mathrm{c\τ}}_1$

其中：

本发明针对超宽带UWB定位过程中由于障碍物阻挡而无法检测直达信道的问题，提出了利用固定基站与移动基站之间的反射信道进行定位的方法。其步骤可简述为：首先进行硬件的设置、空间坐标的设定和系统初始化；其次由固定基站发送超宽带信号，移动基站的非定向天线接收来自固定基站的信号并检测传播时延、到达方位角和俯仰角；然后移动基站的定向天线根据之前的到达方位角和俯仰角调整自身发射角度，并反射超宽带信号；固定基站接收来自移动基站的信号，并检测到达方位角和俯仰角，此时第一条反射信道的5个参数测量完毕；接着利用同样的方法检测出第二条反射信道的5个参数；在这两组参数之上利用自我诊断算法检验参数是否符合要求，如果符合则利用提出的定位算法计算移动基站坐标，否则重新检测。本发明利用基站之间的反射信道进行定位，有效解决了直达信号无法检测而造成的定位不准确问题，提高超宽带室内定位的精度，而室内定位技术具有很高推广价值。

本发明的有益效果：

本发明创造性地利用超宽带的反射信道进行移动基站的定位，有效解决了超宽带室内定位系统定位过程中直达信道被障碍物遮挡而无法检测的问题，可以应用于比较复杂的室内环境定位，并且通过信道的自我诊断算法，有效降低环境噪声的干扰，排除了峰值误差给定位精度造成的影响，提高系统定位精度。

经过现场环境的实际测量，利用本发明的方法进行超宽带定位，可以有效排除环境的噪声干扰，提高定位精度，相比传统的超宽带定位方法具有更大的优势。

附图说明

图1是本发明的硬件平台图。

图2是本发明的定位流程图。

图3是本发明的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示。

一种非直达径环境下单接收器的超宽带定位方法，它包括以下步骤：

1、首先，在室内布置一个固定基站和一个移动基站，固定基站用螺栓固定在墙上，移动基站布置在室内移动物体上，比如AGV小车。固定基站和移动基站分别连接有两根网线，一根用于两个基站之间的时间同步，另外一根连接到局域网中，用于数据通信，如图1所示。然后对室内空间进行直角坐标化，并且以固定基站为坐标原点(0,0,0)进行空间坐标系的标定。硬件平台准备就绪以后，需要对系统各参数进行初始化，初始化的参数包括固定基站在坐标系中的坐标(x_F,y_F,z_F)＝(0,0,0)、基站的时间同步、参数容差范围D、测距次数N＝3以及信号传输速度c＝3×10⁸m/s。

2、其次，当开始进行定位时，先将固定基站的超宽带天线置于发射模式，移动基站的非定向接收天线处于工作模式，由固定基站的天线发射超宽带UWB脉冲信号1；

3、移动基站的非定向天线接收固定基站的超宽带反射脉冲信号1，并检测出该反射脉冲信号最强径，计算最强径的到达时间与信号发射时间的时间差即反射信道的传播时延τ₁，并且通过移动基站的天线阵列获取信号到达信号的方位角和俯仰角θ_M1，将这三个参数发送给定位平台服务器，否则由固定基站的天线再次发射超宽带UWB脉冲信号1直到传播时延τ₁满足设定值。定位平台接收到来自移动终端的信道参数后，将固定基站的天线置于接收端，移动基站的定向天线处于工作模式；

4、移动基站根据反射信道到达路径的方位角和俯仰角调整自身定向发射天线的方位角和俯仰角，并且发射超宽带脉冲信号，固定基站检测反射脉冲信号的最强径，计算最强径的到达时间与信号发射时间的时间差即传播时延τ₂，并且通过天线阵列获取该到达信号的方位角和俯仰角θ_F1(由反射信道的对称性可知该到达信号的方位角和俯仰角即为步骤2中固定基站发射信号的出发方位角和俯仰角)，然后将这两个参数发送给定位平台服务器，由此可以获得第一条反射信道的参数出发方位角出发俯仰角θ_F1、到达方位角到达俯仰角θ_M1和反射信道传播时延τ₁；

5、由固定基站的全向天线再次发射超宽带脉冲信号2，并且重复步骤3和4，检测出固定基站与移动基站之间另一条反射路径的相关参数并发送给定位平台服务器；

6、定位平台服务器根据自我诊断算法检测第二条反射路径的信道传播距离d₂的误差Δd₂是否在容差范围内，即判断两条反射路径参数是否满足要求，如果超出容差范围则重新进行步骤2、3、4和5；否则由定位算法计算出移动基站坐标，并提供给客户端使用。

自我诊断算法：

其中：

系统的定位算法可以由两条反射信道的几何关系获得：

$\left[\begin{array}{c}{x}_M\\ y_M\\ z_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_F\\ y_F\\ z_F\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}(a_{11}+b_{11})-a_{11}(c_{11}+k{c}_{12})\\ (a_{12}+b_{12})-a_{12}(c_{11}+k{c}_{12})\\ (a_{13}+b_{13})-a_{13}(c_{11}+k{c}_{12})\end{array}\right]{\mathrm{c\τ}}_1$

其中：

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种非直达径环境下单接收器的超宽带定位方法，其特征是它包括以下步骤：

A、首先，在室内布置一个固定基站和一个移动基站，移动基站布置在室内移动物体上，并对室内空间进行坐标化，并且以固定基站为坐标原点进行空间坐标系的标定，然后对系统进行初始化，主要包括基站的时间同步、容差范围D、测距次数N；

B、其次，由固定基站的全向天线发射超宽带UWB脉冲信号1；

C、移动基站的非定向天线接收固定基站的超宽带UWB脉冲信号1，并检测反射脉冲信号最强径，计算最强径的到达时间与信号发射时间的时间差即信号传播时延τ₁，然后通过移动基站的天线阵列获取到达信号的方位角和俯仰角θ_M1，将这三个参数发送给定位平台服务器；

D、移动基站根据到达路径的方位角和俯仰角调整自身定向发射天线的方位角和俯仰角，并且发射超宽带脉冲信号，固定基站检测反射脉冲信号的最强径，然后通过天线阵列获取该到达信号的方位角和俯仰角θ_F1，然后将这两个参数发送给定位平台服务器；

E、由固定基站的全向天线再次发射超宽带脉冲信号2，并且重复步骤C和D，检测出固定基站与移动基站之间另一条反射路径的相关参数并发送给定位平台服务器；

F、定位平台服务器根据自我诊断算法检测第二条反射路径的信道传播距离d₂的误差Δd₂是否在容差范围内，即判断两条反射路径参数是否满足要求，如果超出容差范围则重新进行步骤B、C、D和E；否则由定位算法计算出移动基站坐标，并提供给客户端使用；所述的定位算法为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_M\\ y_M\\ z_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_F\\ y_F\\ z_F\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}(a_{11}+b_{11})-a_{11}(c_{11}+k{c}_{12})\\ (a_{12}+b_{12})-a_{12}(c_{11}+k{c}_{12})\\ (a_{13}+b_{13})-a_{13}(c_{11}+k{c}_{12})\end{array}\right]{\mathrm{c\τ}}_1$

其中：(x_M,y_M,z_M)为移动基站坐标，(x_F,y_F,z_F)为固定基站坐标，a_ij,b_ij,c_ij(i＝1、2、3,j＝1、2、3)和k由所检测的两条反射路径参数确定，c为信号传输速度；

其中：

$\left[\begin{array}{cc}{c}_{11}& c_{12}\\ c_{21}& c_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{a_{22}{b}_{11}-a_{21}{b}_{12}}{a_{11}{a}_{22}-a_{12}{a}_{21}}& \frac{a_{21}{b}_{22}-a_{22}{b}_{21}}{a_{11}{a}_{22}-a_{12}{a}_{21}}\\ \frac{a_{12}{b}_{11}-a_{11}{b}_{12}}{a_{11}{a}_{22}-a_{12}{a}_{21}}& \frac{a_{11}{b}_{22}-a_{12}{b}_{21}}{a_{11}{a}_{22}-a_{12}{a}_{21}}\end{array}\right].$

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于所述的自我诊断算法为：

其中:是第二条UWB反射信道传播时延τ₂的理论计算值，由两条反射信道的参数确定：

${\widehat{\mathrm{\τ}}}_2=\frac{(a_{21}{b}_{12}-a_{22}{b}_{11})a_{13}+(a_{12}{b}_{11}-a_{11}{b}_{12})a_{23}+(a_{11}{a}_{22}-a_{12}{a}_{21})b_{13}}{(a_{21}{b}_{22}-a_{22}{b}_{21})a_{13}+(a_{12}{b}_{21}-a_{11}{b}_{22})a_{23}+(a_{11}{a}_{22}-a_{12}{a}_{21})b_{23}}{\mathrm{\τ}}_1;$

D₂为所选容差范围，由根据定位精度要求以及实验数据确定。

3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于所述的固定基站与移动基站均通过两根双绞线相连，一根用于基站之间的时间同步，一根用于与定位平台服务器的数据通信和控制。

4.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于系统初始化过程中的初始化变量包括固定基站在坐标系中的坐标(x_F,y_F,z_F)、基站的时间同步、参数容差范围D、测距次数N以及信号传输速度c。

5.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于固定基站中所采用的天线是接收和发射的分时双工天线，而移动基站的接收端使用全向天线，发射端使用定向天线，以保证移动基站发射的信道路径与接收到的信道路径高度重合。