CN104125639A - 无线定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种无线定位方法及装置，将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时。根据待测点与基站装置之间的无线信号传输时间，得到与基站装置对应的计时差值。根据计时差值计算待测点与基站装置对应的距离值。获取基站装置的坐标，并分别根据三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的待测点的初始坐标，根据初始坐标计算得到待测点的定位坐标。由于通过无线信号的方式传播信号，可穿透障碍物进行信号传输，因此在建筑物内和障碍物遮挡的情况下仍具有较好的测距能力，与传统的无线定位技术相比，提高了在复杂区域的定位精度。

Description

无线定位方法及装置

技术领域

本发明涉及定位技术领域，特别是涉及一种无线定位方法及装置。

背景技术

随着无线通信技术的发展，近年来无线定位技术受到人们越来越多的关注，在军事和民用领域已获得了广泛的应用。

传统的无线定位技术主要采用ZigBee无线定位，Zigbee定位是一种基于RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示)机制的定位系统，根据接收信号的强度来计算节点间的距离。接收信号强度是发送端与接收端之间的距离的函数。可用如下经验公式表示二者关系：

RSSI(dbm)＝A-10nlgd

其中，n为信号传播常量，也叫做传播指数，d表示接收端与发送端的距离，A表示在1米距离接收信号强度，可以通过测定接收信号强度RSSI来计算两节点之间的距离，然后通过两点定位即可确定被测点坐标。

Zigbee无线定位的定位精度取决于接收信号强度(RSSI)，但是如果在复杂区域，如节点和被测点之间存在大的障碍物或者干扰信号源时进行测距，接收信号强度将不再符合公式中描述的与距离的关系。因此采用传统的无线定位技术进行复杂区域测距存在定位精度低的缺点。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可提高复杂区域定位精度的无线定位方法及装置。

一种无线定位方法，包括以下步骤：

将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时；

根据所述待测点与所述基站装置之间的无线信号传输时间，得到与所述基站装置对应的计时差值；

根据所述计时差值计算所述待测点与所述基站装置对应的距离值；

获取所述基站装置的坐标，并分别根据所述三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的所述待测点的初始坐标；

根据所述初始坐标计算得到所述待测点的定位坐标。

一种无线定位装置，包括：

发射模块，用于将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时；

处理模块，用于根据所述待测点与所述基站装置之间的无线信号传输时间，得到与所述基站装置对应的计时差值；及根据所述计时差值计算所述待测点与所述基站装置对应的距离值；

初始坐标计算模块，用于获取所述基站装置的坐标，并分别根据所述三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的所述待测点的初始坐标；

定位坐标计算模块，用于根据所述初始坐标计算得到所述待测点的定位坐标。

上述无线定位方法及装置，将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时。根据待测点与基站装置之间的无线信号传输时间，得到与基站装置对应的计时差值。根据计时差值计算待测点与基站装置对应的距离值。获取基站装置的坐标，并分别根据三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的待测点的初始坐标，根据初始坐标计算得到待测点的定位坐标。由于通过无线信号的方式传播信号，可穿透障碍物进行信号传输，因此在建筑物内和障碍物遮挡的情况下仍具有较好的测距能力，与传统的无线定位技术相比，提高了在复杂区域的定位精度。

附图说明

图1为一实施例中无线定位方法的流程图；

图2为另一实施例中无线定位方法的流程图；

图3为一实施例中无线定位装置的结构图；

图4为另一实施例中无线定位装置的结构图；

图5为一实施例中无线定位装置的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

一种无线定位方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S110：将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时。

本实施例中，无线测距方法可应用于检测装置(检测器)中，将检测器设置于待测点，发送无线信号。基站装置为用于进行信号收发，且位置固定不变坐标已知的装置。具体可通过检测器发送UWB(Ultra Wideband，超宽带)无线信号至基站装置，UWB无线信号具有较低的穿透衰减和较好的后向散射能力，确保信号传输的稳定性，进一步提高测距准确性。

步骤S120：根据待测点与基站装置之间的无线信号传输时间，得到与基站装置对应的计时差值。

具体地，可通过接收基站装置返回的无线信号计算计时差值。基站装置在接收到检测器发送的无线信号后，返回无线信号至检测器。与前文对应，本实施例中基站装置返回的无线信号也是UWB无线信号。检测器接收基站装置返回的无线信号后，可停止计时也可仍继续计时。本实施例中可以是将接收到无线信号时的计时数值作为与各基站装置对应的计时差值。

在其中一个实施例中，计时差值包括待测点计时差值和基站计时差值。步骤S120包括步骤21和步骤22。

步骤21：接收基站装置返回至待测点的无线信号，得到待测点计时差值。

检测器将接收到基站装置返回的无线信号时的计时数值作为待测点计时差值。

步骤22：再次返回无线信号至基站装置，并接收基站装置发送的基站计时差值。

检测器接收到基站装置返回的无线信号后再次发射无线信号至基站装置，再次发射的无线信号同样也可以是UWB无线信号。基站装置在返回无线信号至检测器时同样开始计时，接收到检测器再次返回的无线信号后得到基站计时差值并发送至检测器。

进一步地，无线信号为根据预存的测距数据包转换得到。预先存储的测距数据包含有特定的数据信息，以便后续步骤中进行匹配检测，避免接收到干扰信号而影响定位精确度，数据信息的具体内容并不唯一。步骤21具体包括步骤211至步骤213。

步骤211：接收基站装置返回至待测点的无线信号，并将基站装置返回的无线信号转换为返回数据包。

检测器接收基站装置返回的无线信号并进行转换，得到返回数据包。

步骤212：判断返回数据包与测距数据包是否匹配。若否，则返回步骤S110，检测器再次从待测点发射无线信号至基站装置，并重新开始计时，直至返回数据包与测距数据包匹配；若是，则进行步骤213。将返回数据包与测距数据包进行比较是否匹配，具体地，若返回数据包与测距数据包中的数据相同，则说明两者匹配。避免接收到干扰信号而影响定位精确度，进一步提高了复杂区域的定位精度。

步骤213：得到待测点计时差值。

检测器在判断返回数据包与测距数据包匹配时，得到与各基站装置对应的待测点计时差值。需要说明的是，若步骤212中判断返回数据包与测距数据包不匹配时，返回步骤S110，再次发射无线信号至基站装置，并重新开始计时。再次发射无线信号时会将原计时数值清零，重新开始计时，则在两个数据包匹配后，步骤213中得到的待测点计时差值分别为无线信号在检测器与各基站装置之间传播一个来回所用的时间。

可以理解，在其他实施例中，也可以是在接收到基站装置返回的无线信号后便直接获取与各基站装置对应的待测点计时差值，不进行判断数据包是否匹配的步骤。

步骤S130：根据计时差值计算待测点与基站装置对应的距离值。

检测器根据得到的计时差值进行测距处理，得到距离值，即为测得的各基站装置与待测点之间的距离。在其中一个实施例中，计时差值包括待测点计时差值和基站计时差值，步骤S130包括：

根据计算待测点与基站装置对应的距离值。

其中，d为距离值，c为光速，T_ab为待测点计时差值，T_ba为基站计时差值，T_db为基站装置从接收到检测器发射的无线信号到返回无线信号的时间延迟，T_da为检测器从接收到基站装置发射的无线信号到第二次发射无线信号的时间延迟。T_db和T_da跟时钟周期、算法复杂程度有关，在一个程序中是固定的，可通过测试得到并预先进行设置。

将待测点计时差值和基站计时差值分别减去对应的时间延迟得到无线信号在检测器与基站装置之间传播两个来回所用的时间，取其四分之一乘以光速便可得到待测点与各基站装置对应的距离。本实施例中计算距离值时去除了时间延时，可进一步提高定位精确度。

根据检测器和基站装置两边得到的计时差来计算距离值，减小因检测器可能出现故障时产生的计时误差，同样可提高定位精确度。可以理解，在其他实施例中，步骤S130也可以是只根据待测点计时差值计算对应的距离值，或只根据基站装置发送的基站计时差值来计算对应的距离值。

步骤S140：获取基站装置的坐标，并分别根据三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的待测点的初始坐标。

可对各基站装置的坐标进行预先存储，以共有n个基站装置为例，分别取n个基站装置中三个基站装置的坐标，则可根据三点定位法计算得到待测点的一个初始坐标。令则共可得到待测点的m个初始坐标N₁(X₁，Y₁)，N₂(X₂，Y₂)，…，N_m(X_m，Y_m)。

步骤S150：根据初始坐标计算得到待测点的定位坐标。

同样以根据n个基站装置的坐标计算得到m个初始坐标为例，在其中一个实施例中步骤S150可包括步骤51至步骤53。

步骤51：计算初始坐标的加权值。具体为

$p_k^2=\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({(X_i-X_k)}^2+{(Y_i-Y_k)}^2)$

其中k＝1，2，…，m，m为初始坐标的个数；p_k表示第k个初始坐标的权重值，X_k和Y_k分别表示第k个初始坐标的横轴值和纵轴值；X_i和Y_i分别表示第i个初始坐标的横轴值和纵轴值。

步骤52：去除权重值大于预设权重阈值的初始坐标，得到筛选坐标。

预设权重阈值可进行调整。当初始坐标的权重值大于预设权重阈值时，表示这个坐标离其他坐标较远，误差较大，去除该初始坐标，最终得到筛选坐标。

步骤53：根据筛选坐标计算定位坐标。具体为

$x_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{X_i}{p_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{1}{p_i}},y_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{Y_i}{p_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{1}{p_i}}$

其中，x₀、y₀分别为定位坐标的横轴值和纵轴值，q为筛选坐标的数量，X_i和Y_i分别为第i个筛选坐标的横轴值和纵轴值，p_i为第i个筛选坐标的权重值。

本实施例中根据得到的初始坐标的权重值进行筛选，去除离其他坐标较远的坐标，然后根据筛选得到的坐标及对应权重值来计算定位坐标。由于去除了误差较大的坐标，同样可提高定位准确度。可以理解，在其他实施例中，步骤S150也可不对初始坐标进行筛选直接计算定位坐标，如将各初始坐标的横轴值的平均值作为定位坐标的横轴值，将各初始坐标的纵轴值的平均值作为定位坐标的纵轴值。

上述无线定位方法，将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时。根据待测点与基站装置之间的无线信号传输时间，得到与基站装置对应的计时差值。根据计时差值计算待测点与基站装置对应的距离值。获取基站装置的坐标，并分别根据三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的待测点的初始坐标，根据初始坐标计算得到待测点的定位坐标。由于通过无线信号的方式传播信号，可穿透障碍物进行信号传输，因此在建筑物内和障碍物遮挡的情况下仍具有较好的测距能力，提高了在复杂区域的定位精度。

在其中一个实施例中，如图2所示，步骤S150之后，无线定位方法还可包括以下步骤：

步骤S160：根据基站装置的坐标建立距离函数。

距离函数表征待测点与基站装置的实际距离。假设测得待测点与n个基站装置之间的距离分别为d₁，d₂，…，d_n，n个基站装置的坐标已知，分别为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，…，(x_n，y_n)，令待测点的坐标为(x，y)，则：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2={d_1}^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2={d_2}^2\\ \\ {(x-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2={d_n}^2\end{array}\right.$

建立距离函数其中d_i、x_i和y_i分别表示测得的待测点与第i个基站装置的距离，以及第i个基站装置的横轴值和纵轴值。

步骤S170：计算距离函数在定位坐标的泰勒级数展开式。

令x₀、y₀分别为步骤S150中计算得到的定位坐标的横轴值和纵轴值，则计算距离函数f_i(x,y)在坐标(x₀，y₀)处的泰勒级数展开式。

步骤S180：去除泰勒级数展开式一阶偏导之后的项，并计算待测点的实际坐标与定位坐标的横轴偏差值与纵轴偏差值。

一阶偏导之后的项具体包括二阶偏导项、三节偏导项等。去除泰勒级数展开式一阶偏导之后的项得到：

$f_i(x,y)=f_i(x_0+\mathrm{\Δx},y_0+\mathrm{\Δy})=f_i(x_0,y_0)+\frac{\∂f_i(x,y)}{\∂x}{|}_{x=x_0}*\mathrm{\Δx}+\frac{\∂f_i(x,y)}{\∂y}{|}_{y=y_0}*\mathrm{\Δy}$

即 $f_i(x,y){-f}_i(x_0,y_0)=\frac{\∂f_i(x,y)}{\∂x}{|}_{x=x_0}*\mathrm{\Δx}+\frac{\∂f_i(x,y)}{\∂y}{|}_{y=y_0}*\mathrm{\Δy}$

其中，f_i(x,y)-f_i(x₀,y₀)表示待测点与基站装置的实际距离，与计算得到的距离值的偏差，Δx和Δy分别表示待测点的实际坐标与定位坐标(x₀，y₀)的横轴偏差值与纵轴偏差值。

将上式用矩阵表示：B＝AΔ。其中，

$A=\left(\begin{array}{cc}\frac{x_0-x_1}{\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2}}& \frac{y_0-y_1}{\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2}}\\ \frac{x_0-x_2}{\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2}}& \frac{y_0-y_2}{\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2}}\\ & \\ \frac{x_0-x_n}{\sqrt{{(x_0-x_n)}^2+{(y_0-y_n)}^2}}& \frac{y_0-y_n}{\sqrt{{(x_0-x_n)}^2+{(y_0-y_n)}^2}}\end{array}\right)$

$B=\left(\begin{array}{c}{d}_1-\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2}\\ d_2-\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2}\\ \\ d_n-\sqrt{{(x_0-x_n)}^2+{(y_0-y_n)}^2}\end{array}\right)$

$\mathrm{\Δ}=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right)$

求B＝AΔ的解，得到Δ＝(A^TA)^-1A^TB，至此便计算出待测点的实际坐标与定位坐标(x₀，y₀)的横轴偏差值Δx与纵轴偏差值Δy。

步骤S190：根据定位坐标和横轴偏差值与纵轴偏差值计算得到校准坐标。

步骤S190具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{x_0}^{,}=x_0+\mathrm{\Δx}\\ {y_0}^{,}=y_0+\mathrm{\Δy}\end{array}\right.$

其中，x₀、y₀为定位坐标的横轴值和纵轴值，Δx和Δy分别表示待横轴偏差值与纵轴偏差值，x₀’、y₀’分别为校准坐标的横轴值和纵轴值。

步骤S192：判断横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和是否小于或等于预设的偏差阈值。

偏差阈值同样可根据实际情况调整，判断横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和是否小于或等于偏差阈值，若否，则将校准坐标作为定位坐标，并返回步骤S170，再次计算距离函数在新确定的定位坐标的泰勒级数展开式，进而再次计算得到新的横轴偏差值与纵轴偏差值以及校准坐标，直至计算得到的横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和小于或等于偏差阈值；若是，则将校准坐标作为待测点的坐标，至此便得到待测点的坐标。

步骤S160至步骤S192根据步骤S150得到的定位坐标，采用泰勒级数展开算法进行迭代计算，提高待测点的坐标精确度，即是进一步提高了定位精度。

本发明还提供了一种无线定位装置，如图3所示，包括发射模块110、处理模块120、初始坐标计算模块130和定位坐标计算模块140。

发射模块110用于将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时。

本实施例中发射模块110发送UWB(Ultra Wideband，超宽带)无线信号至基站装置，UWB无线信号具有较低的穿透衰减和较好的后向散射能力，确保信号传输的稳定性，进一步提高测距准确性。

处理模块120用于根据待测点与基站装置之间的无线信号传输时间，得到与基站装置对应的计时差值；及根据计时差值计算待测点与基站装置对应的距离值。

具体地，可通过接收基站装置返回的无线信号计算计时差值。基站装置在接收到发射模块110发送的无线信号后，返回无线信号至处理模块120。与前文对应，本实施例中基站装置返回的无线信号也是UWB无线信号。在接收到基站装置返回的无线信号后，可停止计时也可仍继续计时。本实施例中可以是将接收到无线信号时的计时数值作为与各基站装置对应的计时差值。

在其中一个实施例中，计时差值包括待测点计时差值和基站计时差值。处理模块120包括无线接收单元、无线回应单元和处理单元。

无线接收单元用于接收基站装置返回至待测点的无线信号，得到待测点计时差值。将接收到基站装置返回的无线信号时的计时数值作为待测点计时差值。

无线回应单元用于再次返回无线信号至基站装置，并接收基站装置发送的基站计时差值。

再次发射的无线信号同样也可以是UWB无线信号，基站装置在返回无线信号时同样开始计时，接收到无线回应单元返回的无线信号后得到基站计时差值并发送至无线回应单元。

处理单元用于根据待测点计时差值和基站计时差值计算待测点与基站装置对应的距离值。

具体计算过程为：

根据计算待测点与基站装置对应的距离值。

其中，d为距离值，c为光速，T_ab为待测点计时差值，T_ba为基站计时差值，T_db为基站装置从接收到无线信号到返回无线信号的时间延迟，T_da为第一处理单元从接收到基站装置发射的无线信号到再次发射无线信号的时间延迟。将计时差值和基站计时差值分别减去对应的时间延迟得到无线信号在待测点与基站装置之间传播两个来回所用的时间，取其四分之一乘以光速便可得到待测点与各基站装置对应的距离。本实施例中计算距离值时去除了时间延迟，可进一步提高定位精确度。

本实施例中即是根据待测点和基站装置两边得到的计时差来计算距离值，减小因装置可能出现故障时产生的计时误差，同样可提高定位精确度。可以理解，在其他实施例中，也可以是只根据待测点计时差值计算对应的距离值，或只根据基站装置发送的基站计时差值来计算对应的距离值。

进一步地，无线信号为根据预存的测距数据包转换得到。预先存储的测距数据包含有特定的数据信息，以便后续步骤中进行匹配检测，避免接收到干扰信号而影响定位精确度，数据信息的具体内容并不唯一。无线接收单元包括接收单元和判断单元。

接收单元用于接收基站装置返回至待测点的无线信号，并将基站装置返回的无线信号转换为返回数据包。

接收单元接收基站装置返回的无线信号并进行转换，得到返回数据包。

判断单元用于判断返回数据包与测距数据包是否匹配。若否，则控制发射模块110再次将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并重新开始计时，直至返回数据包与测距数据包匹配；若是，则得到待测点计时差值。将返回数据包与测距数据包进行比较是否匹配，若返回数据包与测距数据包中的数据相同，则说明两者匹配。避免接收到干扰信号而影响定位精确度，进一步提高了复杂区域的定位精度。

需要说明的是，判断单元判断返回数据包与测距数据包不匹配时，控制发射模块110再次将无线信号发射至三个以上基站装置，并重新开始计时。再次发射无线信号时会将原计时数值清零，重新开始计时，则在两个数据包匹配后，得到的待测点计时差值分别为无线信号在待测点与各基站装置之间传播一个来回所用的时间。

可以理解，在其他实施例中，也可以是在接收到基站装置返回的无线信号后便直接获取与各基站装置对应的待测点计时差值，不判断数据包是否匹配。

初始坐标计算130用于获取基站装置的坐标，并分别根据三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的待测点的初始坐标。

可对各基站装置的坐标进行预先存储，以共有n个基站装置为例，分别取n个基站装置中三个基站装置的坐标，则可根据三点定位法计算得到待测点的一个初始坐标。令则共可得到待测点的m个初始坐标N₁(X₁，Y₁)，N₂(X₂，Y₂)，…，N_m(X_m，Y_m)。

定位坐标计算模块140用于根据初始坐标计算得到待测点的定位坐标。

同样以根据n个基站装置的坐标计算得到m个初始坐标为例，定位坐标计算模块140包括第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元。

第一计算单元用于计算初始坐标的加权值。具体为

$p_k^2=\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({(X_i-X_k)}^2+{(Y_i-Y_k)}^2)$

其中k＝1，2，…，m，m为初始坐标的个数；p_k表示第k个初始坐标的权重值，X_k和Y_k分别表示第k个初始坐标的横轴值和纵轴值；X_i和Y_i分别表示第i个初始坐标的横轴值和纵轴值；

第二计算单元用于去除权重值大于预设权重阈值的初始坐标，得到筛选坐标。预设权重阈值可进行调整。当初始坐标的权重值大于预设权重阈值时，表示这个坐标离其他坐标较远，误差较大，去除该初始坐标，最终得到筛选坐标。

第三计算单元用于根据筛选坐标计算定位坐标。具体为

$x_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{X_i}{p_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{1}{p_i}},y_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{Y_i}{p_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{1}{p_i}}$

其中，x₀、y₀分别为定位坐标的横轴值和纵轴值，q为筛选坐标的数量，X_i和Y_i分别为第i个筛选坐标的横轴值和纵轴值，p_i为第i个筛选坐标的权重值。

本实施例中根据得到的初始坐标的权重值进行筛选，去除离其他坐标较远的坐标，然后根据筛选得到的坐标及对应权重值来计算定位坐标。由于去除了误差较大的坐标，同样可提高定位准确度。可以理解，在其他实施例中，也可不对初始坐标进行筛选直接计算定位坐标，如将各初始坐标的横轴值的平均值作为定位坐标的横轴值，将各初始坐标的纵轴值的平均值作为定位坐标的纵轴值。

上述无线定位装置，发射模块110将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时。处理模块120根据待测点与基站装置之间的无线信号传输时间，得到与基站装置对应的计时差值；及根据计时差值计算待测点与基站装置对应的距离值。初始坐标计算模块130获取基站装置的坐标，并分别根据三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的待测点的初始坐标，定位坐标计算模块140根据初始坐标计算得到待测点的定位坐标。由于通过无线信号的方式传输信号，可穿透障碍物进行信号传输，因此在建筑物内和障碍物遮挡的情况下仍具有较好的测距能力，提高了在复杂区域的定位精度。

在其中一个实施例中，如图4所示，无线定位装置还可包括构建模块150、第一运算模块160、第二运算模块170、第三运算模块180和第四运算模块190。

构建模块150用于根据基站装置的坐标建立距离函数。

距离函数表征待测点与基站装置的实际距离。建立距离函数的具体过程在上述步骤S160中已进行详细的解释说明，在此不做赘述。

第一运算模块160用于计算距离函数在定位坐标的泰勒级数展开式。

令x₀、y₀分别为定位坐标的横轴值和纵轴值，则计算距离函数在坐标(x₀，y₀)处的泰勒级数展开式。

第二运算模块170用于去除泰勒级数展开式一阶偏导之后的项，并计算待测点的实际坐标与定位坐标的横轴偏差值与纵轴偏差值。

一阶偏导之后的项具体包括二阶偏导项、三节偏导项等。计算待测点的实际坐标与定位坐标的横轴偏差值与纵轴偏差值的具体过程在上述步骤S180中已进行了详细的解释说民，在此不做赘述。

第三运算模块180用于根据定位坐标和横轴偏差值与纵轴偏差值计算得到校准坐标。

具体计算过程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x_0}^{,}=x_0+\mathrm{\Δx}\\ {y_0}^{,}=y_0+\mathrm{\Δy}\end{array}\right.$

其中，x₀、y₀为定位坐标的横轴值和纵轴值，Δx和Δy分别表示待横轴偏差值与纵轴偏差值，x₀’、y₀’分别为校准坐标的横轴值和纵轴值。

第四运算模块190用于判断横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和是否小于或等于预设的偏差阈值；若否，则将校准坐标作为定位坐标，并控制第一运算模块160再次计算距离函数在定位坐标的泰勒级数展开式，进而再次计算得到新的横轴偏差值与纵轴偏差值以及校准坐标，直至计算得到的横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和小于或等于偏差阈值；若是，则将校准坐标作为待测点的坐标，至此便得到待测点的坐标。

构建模块150至第四运算模块190根据定位坐标计算模块140得到的定位坐标，采用泰勒级数展开算法进行迭代计算，提高待测点的坐标精确度，即是进一步提高了定位精度。

在一个较为详细的实施例中，上述发射模块110至第四运算模块190的功能具体可通过测距控制器和测距收发器实现。

测距收发器对应发射模块110，将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，发射无线信号后开始计时的操作可以是由测距收发器进行，也可以由测距控制器进行，本实施例中测距控制器在测距收发器发射无线信号后开始计时。

测距控制器对应处理模块120、初始坐标计算模块130和定位坐标计算模块140。测距控制器根据待测点与基站装置之间的无线信号传输时间，得到与基站装置对应的计时差值；及计时差值计算待测点与基站装置对应的距离值。测距控制器获取基站装置的坐标，并分别根据三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的待测点的初始坐标，以及根据初始坐标计算得到待测点的定位坐标。

进一步地，测距控制器还与构建模块150、第一运算模块160、第二运算模块170、第三运算模块180和第四运算模块190对应，测距控制器根据基站装置的坐标及对应的与待测点的距离值建立距离函数，计算距离函数在定位坐标的泰勒级数展开式。测距控制器去除泰勒级数展开式一阶偏导之后的项，并计算待测点的实际坐标与定位坐标的横轴偏差值与纵轴偏差值，根据定位坐标和横轴偏差值与纵轴偏差值计算得到校准坐标。测距控制器判断横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和是否小于或等于偏差阈值，若否，则将校准坐标作为定位坐标，再次计算距离函数在新确定的定位坐标的泰勒级数展开式，进而再次计算新的横轴偏差值与纵轴偏差值以及校准坐标，直至计算得到的横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和小于或等于偏差阈值；若是，则将校准坐标作为待测点的坐标，至此便得到待测点的坐标。

测距控制器发送测距数据包至测距收发器之前，还可对测距收发器进行初始化设置，如进行传输模式、缓存大小、模块地址、传输速度等信息的设置。测距控制器还可通过发送发射指令至测距收发器，以控制测距收发器发射无线信号。

测距收发器发射无线信号后，可发送请求指令至测距控制器。测距控制器接收到请求指令后发送接收指令至测距收发器，控制测距收发器接收基站装置返回的无线信号。

测距控制器与测距收发器具体可通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)总线连接，占用连接端口少，节省空间，且传输速度快，安全性高。

在其中一个实施例中，如图5所示，测距控制器210包括控制器U1，还包括电阻R1、电阻R4、电位器R15和电位器R16。测距收发器220包括与控制器U1连接的信号处理器U2，还包括收发器U4、电阻R5和电阻R6。

控制器U1可采用STM32F103芯片，STM32F103芯片可连接两个外部时钟，同时还有两个内部时钟，选择不同的外部时钟和分频系数以及不同的内部时钟和分频系数，可以构成系统时钟(SYSCLK)和各级时钟源，为STM32F103芯片及连接在STM32F103芯片上面的外设提供时钟源。信号处理器U2可采用nanoPAN5735芯片，抗干扰性强。

控制器U1的端口VDD_1、端口VDD_2、端口VDD_3和端口VDDA连接电源接入端V25N，端口VSS_1、端口VSS_2、端口VSS_3和端口VSSA接地。控制器U1的端口BOOT0和端口BOOT1分别连接电位器R15的端口2和电位器R16的端口2，电位器R15的端口1连接电源接入端V25N，端口3接地。电位器R16的端口1连接电源接入端，端口3接地。通过调整电位器R15和电位器R16的跳线帽连接方式，接入高电平或低电平至控制器U1的端口BOOT0和BOOT1，对控制器U1的启动模式进行设置。

控制器U1的端口PA0_WAUP通过电阻R4连接信号处理器U2的端口DIIO2，并通过电阻R1连接按键，按键另一端可连接3.3V电源。当按键被按下后接入高电平至控制器U1的端口PA0_WAUP，用于唤醒输入。控制器U1的端口PA1连接信号处理器U2的端口DIIO3，控制器U1的端口PA2连接信号处理器U2的端口PONREST。控制器U1不仅支持内部软件复位，也可以通过外部复位来实现。控制器U1的端口PA8、端口PA9和端口PA10用作复用功能。控制器U1的端口PA13、端口PA14、端口PA15、端口PB3和端口PB4可用作串行接口调试和JTAG接口调试，以JTAG接口调试为例，端口PA13、端口PA14、端口PA15、端口PB3和端口PB4分别连接JTAG接口的端口TMS、端口TCK、端口TDI、端口TDO和端口nTRST，控制器U1通过端口TMS为JTAG接口进行模式选择，通过端口TCK为JTAG接口提供时钟信号，通过端口TDI和端口TDO输入输出数据，通过端口nTRST对JTAG接口进行复位。

控制器U1的端口PB8、端口PB9、端口PB12、端口PB13、端口PB14和端口PB15分别连接信号处理器U2的端口uCRST、端口uCIRQ、端口SPISSN、端口SPICLK、端口SPITXD和端口SPIRXD连接。控制器U1通过对信号处理器U2的端口SPISSN高低电平控制来选择信号处理器U2作为从设备，控制器U1通过信号处理器U2的端口SPICLK将内部系统时钟外接，为信号处理器U2提供时钟源，控制器U1通过信号处理器U2的端口SPITXD和端口SPIRXD进行数据传输。

信号处理器U2的端口VCC均连接电源接入端V25N，端口GND均接地。信号处理器U2的端口uCIRQ连接控制器U1的端口PB9，并通过电阻R5连接电源接入端V25N，端口PONREST通过电阻R6连接电源接入端V25N。信号处理器U2的端口ANT连接收发器U4的端口1。收发器U4的端口2、端口3和端口4接地。信号处理器U2将控制器U1发送的测试数据包转换为无线信号后由收发器U4发射，并通过收发器U4接收基站装置返回的无线信号。

在其中一个实施例中，继续参照图5，无线定位装置还可包括连接测距控制器210的时钟电路230。时钟电路230用于输送时钟信号至测距控制器210。

具体地，本实施例中时钟电路230包括32.768KHz的晶振器X1和16MHz的晶振器X2，还包括电容C1、电容C2、电容C3和电容C4。晶振器X1的端口2连接控制器U1的端口PC14，并通过电容C1接地，晶振器X1的端口1连接控制器U1的端口PC15，并通过电容C2接地。晶振器X2的端口1连接控制器U1的端口PD0，并通过电容C3接地，晶振器X2的端口2连接控制器U1的端口PD1，并通过电容C4接地。

在其中一个实施例中，无线定位装置还可包括连接测距控制器210、用于监控测距控制器210的工作状态的监控电路240。本实施例中监控电路240包括发光二极管D1、发光二极管D2、电阻R2和电阻R3，发光二极管D1和发光二极管D2的正极均连接电源接入端V25N，负极分别通过电阻R3和电阻R2连接控制器U1的端口LED1和端口LED2。控制器U1控制端口LED1和端口LED2为低电平就可以点亮LED灯，通过控制器U1的控制循环点亮发光二极管D1和发光二极管D2，观察无线通信是否正常，监控控制器U1工作状态。若出现通信故障便于工作人员及时检修。

在其中一个实施例中，无线定位装置还可包括连接测距控制器210、用于对测距控制器210进行复位操作的复位电路。复位电路具体可包括复位开关、复位电容、复位电阻和反相器，复位开关和复位电容并联且一端连接电源接入端，另一端通过复位电阻接地，且通过反相器连接测距控制器210，具体连接图6中控制器U1的端口nRST。复位电路在控制器U1出现程序偏差时对控制器U1进行复位操作。

此外，无线定位装置还可包括连接测距控制器210、用于接入外部电源对测距控制器210供电的供电电路。本实施例中供电电路包括LT3083芯片、ams1117-3.3芯片和ams1117-2.5芯片，固定输出3.3V和2.5V，可为整个装置提供电源。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无线定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时；

根据所述待测点与所述基站装置之间的无线信号传输时间，得到与所述基站装置对应的计时差值；

根据所述计时差值计算所述待测点与所述基站装置对应的距离值；

获取所述基站装置的坐标，并分别根据所述三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的所述待测点的初始坐标；

根据所述初始坐标计算得到所述待测点的定位坐标。

2.根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，所述计时差值包括待测点计时差值和基站计时差值；根据所述待测点与所述基站装置之间的无线信号传输时间，得到与所述基站装置对应的计时差值的步骤，包括：

接收所述基站装置返回至所述待测点的无线信号，得到所述待测点计时差值；

再次返回无线信号至所述基站装置，并接收所述基站装置发送的所述基站计时差值；

所述根据所述计时差值计算所述待测点与所述基站装置对应的距离值为，根据所述待测点计时差值和基站计时差值计算所述待测点与所述基站装置对应的距离值。

3.根据权利要求2所述的无线定位方法，其特征在于，所述无线信号为根据预存的测距数据包转换得到；所述接收所述基站装置返回至所述待测点的无线信号，得到所述待测点计时差值的步骤，具体包括：

接收所述基站装置返回至所述待测点的无线信号，并将所述基站装置返回的无线信号转换为返回数据包；

判断所述返回数据包与所述测距数据包是否匹配；

若否，则返回所述将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时的步骤，直至所述返回数据包与所述测距数据包匹配；

若是，则得到所述待测点计时差值。

4.根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，所述根据所述初始坐标计算得到所述待测点的定位坐标的步骤，包括以下步骤：

计算所述初始坐标的加权值；具体为

$p_k^2=\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({(X_i-X_k)}^2+{(Y_i-Y_k)}^2)$

其中k＝1，2，…，m，m为初始坐标的个数；p_k表示第k个初始坐标的权重值，X_k和Y_k分别表示第k个初始坐标的横轴值和纵轴值；X_i和Y_i分别表示第i个初始坐标的横轴值和纵轴值；

去除权重值大于预设权重阈值的初始坐标，得到筛选坐标；

根据所述筛选坐标计算所述定位坐标；具体为

$x_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{X_i}{p_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{1}{p_i}},y_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{Y_i}{p_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{1}{p_i}}$

其中，x₀、y₀分别为定位坐标的横轴值和纵轴值，q为所述筛选坐标的数量，X_i和Y_i分别为第i个筛选坐标的横轴值和纵轴值，p_i为第i个筛选坐标的权重值。

5.根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，根据所述初始坐标计算得到所述待测点的定位坐标之后，还包括以下步骤：

根据所述基站装置的坐标建立距离函数；所述距离函数表征所述待测点与所述基站装置的实际距离；

计算所述距离函数在所述定位坐标的泰勒级数展开式；

去除所述泰勒级数展开式一阶偏导之后的项，并计算所述待测点的实际坐标与所述定位坐标的横轴偏差值与纵轴偏差值；

根据所述定位坐标和所述横轴偏差值与纵轴偏差值计算得到校准坐标；

判断所述横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和是否小于或等于预设的偏差阈值；若否，则将所述校准坐标作为所述定位坐标，并返回所述计算所述距离函数在所述定位坐标的泰勒级数展开式的步骤，直至所述横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和小于或等于所述偏差阈值；若是，则将所述校准坐标作为所述待测点的坐标。

6.一种无线定位装置，其特征在于，包括：

发射模块，用于将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并开始计时；

处理模块，用于根据所述待测点与所述基站装置之间的无线信号传输时间，得到与所述基站装置对应的计时差值；及根据所述计时差值计算所述待测点与所述基站装置对应的距离值；

初始坐标计算模块，用于获取所述基站装置的坐标，并分别根据所述三个以上基站装置中的三个基站装置的坐标及对应的距离值计算得到对应的所述待测点的初始坐标；

定位坐标计算模块，用于根据所述初始坐标计算得到所述待测点的定位坐标。

7.根据权利要求6所述无线定位装置，其特征在于，所述计时差值包括待测点计时差值和基站计时差值；所述处理模块包括：

无线接收单元，用于接收所述基站装置返回至所述待测点的无线信号，得到所述待测点计时差值；

无线回应单元，用于再次返回无线信号至所述基站装置，并接收所述基站装置发送的所述基站计时差值；

处理单元，用于根据所述待测点计时差值和基站计时差值计算所述待测点与所述基站装置对应的距离值。

8.根据权利要求7所述无线定位装置，其特征在于，所述无线信号为根据预存的测距数据包转换得到；所述无线接收单元包括：

接收单元，用于接收所述基站装置返回至所述待测点的无线信号，并将所述基站装置返回的无线信号转换为返回数据包；

判断单元，用于判断所述返回数据包与所述测距数据包是否匹配；若否，则控制所述发射模块再次将无线信号从待测点发射至三个以上基站装置，并重新开始计时，直至所述返回数据包与所述测距数据包匹配；若是，则得到所述待测点计时差值。

9.根据权利要求6所述无线定位装置，其特征在于，所述定位坐标计算模块包括：

第一计算单元，用于计算所述初始坐标的加权值；具体为

$p_k^2=\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({(X_i-X_k)}^2+{(Y_i-Y_k)}^2)$

其中k＝1，2，…，m，m为初始坐标的个数；p_k表示第k个初始坐标的权重值，X_k和Y_k分别表示第k个初始坐标的横轴值和纵轴值；X_i和Y_i分别表示第i个初始坐标的横轴值和纵轴值；

第二计算单元，用于去除权重值大于预设权重阈值的初始坐标，得到筛选坐标；

第三计算单元，用于根据所述筛选坐标计算所述定位坐标；具体为

$x_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{X_i}{p_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{1}{p_i}},y_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{Y_i}{p_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q\frac{1}{p_i}}$

其中，x₀、y₀分别为定位坐标的横轴值和纵轴值，q为所述筛选坐标的数量，X_i和Y_i分别为第i个筛选坐标的横轴值和纵轴值，p_i为第i个筛选坐标的权重值。

10.根据权利要求6所述无线定位装置，其特征在于，还包括：

构建模块，用于根据所述基站装置与所述待测点的距离值建立距离函数；所述距离函数表征所述待测点与所述基站装置的实际距离；

第一运算模块，用于计算所述距离函数在所述定位坐标的泰勒级数展开式；

第二运算模块，用于去除所述泰勒级数展开式一阶偏导之后的项，并计算所述待测点的实际坐标与所述定位坐标的横轴偏差值与纵轴偏差值；

第三运算模块，用于根据所述定位坐标和所述横轴偏差值与纵轴偏差值计算得到校准坐标；

第四运算模块，用于判断所述横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和是否小于或等于预设的偏差阈值；若否，则将所述校准坐标作为所述定位坐标，并控制所述第一运算模块再次计算所述距离函数在所述定位坐标的泰勒级数展开式，直至所述横轴偏差值与纵轴偏差值的绝对值之和小于或等于所述偏差阈值；若是，则将所述校准坐标作为所述待测点的坐标。