CN106017479B

CN106017479B - 室内移动目标的三维实时追踪方法及系统

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Publication number: CN106017479B
Application number: CN201610590928.9A
Authority: CN
Inventors: 宫新保; 王都都; 罗笑雨
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: CN106017479A

Abstract

一种室内移动目标的三维实时追踪方法及系统，在发射阶段采用基于OOK调制的超宽带信号作为定位探测信号；在接收阶段采用基于能量块和相干的时延估计方法或者基于门限法的时延估计方法来进行TOA时延估计，并通过基于TDOA的三维定位方法实现三维定位。本发明针对不同的设计和环境要求，采用了基于能量块和相干的时延估计和基于门限法的时延估计两种方法，运算时间短，可以进行实时定位，并且根据不同的探头数，采用不同的三维定位方法，可以达到较高的定位精度和具有较强的适应性。

Description

室内移动目标的三维实时追踪方法及系统

技术领域

本发明涉及的是一种无线室内定位领域的技术，具体是一种室内移动目标的三维实时追踪方法及系统。

背景技术

随着移动通信技术的快速发展，人们对定位与导航的需求日益增加，特别是对于机场大厅、图书馆、超市等大型室内场景，实现对移动目标的位置信息进行实时的监控和追踪，具有很强的实用价值。但是受到实现成本、定位精度和室内坏境等因素的限制，高精度的实时的室内定位系统目前还没有得到普及应用。目前，主要的室内无线定位技术有：超宽带定位技术、射频识别技术和无线传感器网络等。相比于其它定位方法，超宽带(超宽带技术是一种无线载波通信技术，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，可以从几Hz至GHz)定位方法具有抗多径、功耗低、安全性高、能提供精确的定位精度的优点，可以用于室内静止或者活动目标的定位追踪。采用超宽带定位技术，在三维空间内对移动目标进行实时追踪的主要难点在于：精确的时延估计和三维定位方法。

发明内容

本发明针对现有技术应用环境单一、安全性低以及物理测量的精度有限等缺陷，提出一种室内移动目标的三维实时追踪方法及系统，针对不同的设计和环境要求，采用了基于能量块和相干的时延估计和基于门限法的时延估计两种方法，运算时间短，可以进行实时定位，并且可以达到较高的定位精度和具有较强的适应性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种室内移动目标的三维实时追踪方法，在发射阶段采用基于OOK(二进制启闭键控)调制的超宽带信号作为定位探测信号；在接收阶段根据物体所携带的标签进行定位，采用基于能量块和相干的时延估计方法或者基于门限法的时延估计方法来进行到达时间(TOA，time of arrival)时延估计，得到标签到各个探头的相对时延，进而得到各个探头与标签之间的到达时间差(TDOA，time difference of arrival)，并结合已知的各个探头位置，采用三维定位方法，得到移动物体的位置。

所述的基于OOK调制的超宽带信号是指：当发送数据为“1”时发送调制后的超宽带信号；当发送数据为“0”时不发送超宽带信号。

所述的TOA时延估计中：基于能量块和相干的时延估计方法的优点在于定位精度高，可以在较低信噪比下完成高精度实时定位；基于门限法的时延估计方法的优点在于便于硬件实现，运算时间短。

所述的基于能量块和相干的时延估计方法包括：

第一步、基于能量块的估计，进行粗搜索以缩短运算时间，具体步骤包括：

1.1、对接收到的信号进行放大并积分求和，得到能量块；

1.2、找出接收到序列的最大的能量块的值所在的时隙和幅度；

1.3、进行求余操作，即把每一个时延估计都统一于第一个比特“1”内。

第二步、基于相干的估计，在能量块内进行细搜索以提高TOA时间估计的精度，即用接收信号与参考信号进行逐次移位相与求和，得到求和结果的最大值所在的时隙，即为精确的TOA时延估计。

所述的基于门限法的时延估计方法包括：校准过程、同步过程和工作时隙切换过程，其中：

a)校准过程是在输入只有噪声的情况，即没有定位探测信号的情况下进行信号接收，并相应设定噪声阈值和数据阈值；

b)同步过程主要是针对接收信号，即在具有定位探测信号的情况下进行信号接收，在数据位之前添加同步码，保证在数据时隙之内测得接收信号；

c)工作时隙切换过程动态调整衰减值，优选设置噪声保持在有50％的时隙内能够被检测到。

所述的三维定位方法是指：

①当发送阶段采用的探头个数超过四个时，采用修正的Chan定位算法进行定位，即远距离法来估计待测标签的坐标，具体为：

1)不失一般性，以第一探头的位置为参考位置，计算距离差矩阵 h是指距离差矩阵，是指第i探头与第一探头的距离的平方，x_i，y_i和z_i(i＝2...M)分别是指第i探头的三维坐标，x₁，y₁和z₁分别是指第一探头的三维坐标，τ_i,1(i＝2...M)是指第i探头和第一探头与标签之间的到达时间差，c是光速，K_i(i＝2...M)是探头i与原点的距离的平方，K₁是第一探头与原点的距离的平方；

2)计算向量矩阵其中：R_i,1(i＝2...M)是指第i探头与第一探头的距离；

3)计算标签坐标矩阵其中：Q＝(0.5*eye(M)+0.5*ones(M))*(delta^2)，其中：M＝k-1，k是探头个数，delta是允许的误差，Q是TDOA的协方差矩阵，eye()为对角线为1矩阵，ones()为全1矩阵。

4)计算得到标签的三维坐标值为：X＝z_a(1)，Y＝z_a(2)，Z＝z_a(3)。

②当发送阶段采用的探头个数为四个时，根据所求得的TDOA(到达时间差)，可以获得不同探头和标签之间的距离差，结合已知的探头坐标，可以采用修正的曲面求根公式求解待测标签的坐标。采用三维的曲面求根公式得到多个解，求出其中最优的一个解实现定位，具体包括以下步骤：

步骤A1：按照曲面求根公式进行求解，得到三维曲面的含根矩阵分别为Χ[·]、Y[·]、Ζ[·]，其中矩阵Χ[·]、Y[·]、Ζ[·]中的每一个根是一一对应的。

步骤A2：求解每一个根对应的时延绝对误差，在求得标签坐标之后，求解标签与探头之间的距离，进而求得两者之间的实际时延。

步骤A3：将每一个根对应得到的实际时延与之前估计的时延进行相减，并且求绝对值，即可得到每一个根对应的时延绝对误差，求得时延绝对误差最小的X、Y、Z值。

步骤A4：若X、Y、Z同时为0时，排除这种情况，重新进行步骤A3。

步骤A5：求得时延绝对误差最小的X、Y、Z值即为标签的坐标。

本发明涉及一种实现上述方法的室内移动目标的三维实时追踪系统，包括：若干个由发射模块和接收模块组成的探头，其中：发射模块通过超宽带信号的OOK调制后向待定位对象发射定位探测信号，接收模块接收从待定位对象处反射回来的反射信号；根据反射信号和定位探测信号，完成时延估计和三维定位，并将三维定位结果通过网络传输发送给用户。

技术效果

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：

1)本发明采用高精度的TOA时延估计方法和三维定位方法，在边长为150米的大型正方体室内，定位的标准差小于1米，定位的均差小于1.5米，具有非常高的定位精度。

2)本发明针对不同的场景和测试要求，采用不同的TOA时延估计方法，基于能量块和相干的时延估计方法适用于信噪比较低的场景，基于门限法的时延估计方法便于硬件实现，所以具有很强的适应性。

3)本发明可以并行实现，极大地缩减了运算时间，可以快速完成移动目标追踪定位。

附图说明

图1为大型室内移动目标的三维实时追踪方法的场景模型示意图；

图2为大型室内移动目标的三维实时追踪方法的示意图；

图3为基于门限法的时延估计的示意图；

图4为大型室内移动目标的三维实时追踪方法的仿真场景模型示意图；

图5为大型室内移动目标的三维实时追踪方法的效果图示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的三维实时追踪系统，包括若干个由发射模块和接收模块组成的探头，其中：发射模块通过超宽带信号的OOK调制后向待定位对象发射定位探测信号，接收模块接收从待定位对象处反射回来的反射信号；根据反射信号和定位探测信号，完成时延估计和三维定位，并将三维定位结果通过网络传输发送给用户。

在三维空间内，移动的物体或者人可以携带标签，安装在三维墙体的探头是用于定位信息的采集，三维空间内所需要的探头个数大于或者等于四个，首先完成信息的处理和定位，接着通过网络将定位信息及时发送给用户。

如图2所示，本实施例涉及一种大型室内移动目标的三维实时追踪方法，包括如下步骤：

步骤1、将超宽带信号进行OOK调制；超宽带信号采用的是高斯二阶导数，所谓将超宽带信号进行OOK调制就是当发送数据为“l”的时候，发送超宽带信号；当发送数据为“0”的时候，不发送超宽带信号。发送的比特是随机产生，但不能同时为0，比特位的长度为64比特。

步骤2、对接收到的从标签处反射回来的定位探测信号进行时延估计；所述的时延估计，针对不同的设计和环境要求，本实施例采用了两种时延估计的方法：基于能量块和相干的时延估计和基于门限法的时延估计。

步骤2.1、基于能量块和相干的时延估计，包括：基于能量块的估计和基于相干的估计，具体步骤为：

步骤2.1.1、基于能量块的估计：首先是对接收信号进行平方，也就是对接收信号进行放大，然后选取能量块的长度为10ns，在10ns的长度内，对平方后的接收信号进行积分求和，得到能量块；接着是求出所接收到序列的最大的能量块的值所在的时隙和幅度，在这里，求最大值而不是设阈值求时延，从而防止噪声的干扰，降低信噪比，因为阈值无法避免偶尔冲击对测量结果的影响，而求最大能量块就可以避免冲击对测量结果的影响，由于采用多个比特的测量结果求最强能量块，肯定会有一个比特的信号所在的能量块就是最强能量块；最后进行求余操作，即寻求把每一个时延估计都统一于第一个比特“1”内，也就是说不管最强能量块在那个比特内找到，经过求余操作后，都可以认为是在第一个比特“1”内，这也是基于各个比特内的超宽带信号的时延是相同，所以最强能量块所在的比特“1”的时延和第一个比特“1”的时延是相同的。

步骤2.1.2、基于相干的估计：即采用接收信号与参考信号进行逐次移位相与，因为能量块的长度为10ns，所以在这里为了达到1ns的测量精度，需要高采样率的A/D，在求出最强能量块所在时隙后，也就可以求出估计出接收信号的比特“1”内波形的大概位置，在长度为10ns内，用接收信号与参考信号进行逐次移位相与求和，得到求和之后结果的最大值和最大值所在的时隙，该时隙即为精确的TOA时延估计，估计结果误差小于或者等于1ns。

步骤2.2、如图3所示，为基于门限法的时延估计方法，包括：校准过程、同步过程和工作时隙切换过程，具体步骤如下：

步骤2.2.1、在输入只有噪声的情况下进行校准过程，包括：噪声阈值设定，使得只有50％的噪声被检测出来；数据阈值设定：根据设计误码率BER，接收个数据中仅有一个被LATCH检测到；调整衰减器，使得50％的噪声被LATCH获取，记为VVA0.5，使得70％的噪声被LATCH获取，记为VVA0.7，使得30％的噪声被LATCH获取，记为VVA0.3，计算一个最小衰减步进值：S＝min{|VVA0.7‐VVA0.5|,|VVA0.5‐VVA0.3|}。

步骤2.2.2、对接收信号进行同步过程：即在数据位之前添加了同步码，用于同步，要保证同步位在数据时隙的间隔内测得，那么就可以保证在数据时隙内测得信号。

步骤2.2.3、工作时隙切换过程：校准完成后，每个数据时隙内插入两个噪声时隙，如果两个噪声时隙内没有噪声被锁定，那么降低VVA衰减值S；如果有一个时隙被锁存器锁定，那么不改变VVA衰减值；如果2个噪声时隙都被锁定，那么增大衰减值S。通过动态调整衰减值S，使噪声保持在有50％被检测出来，当信号强度较低时，增大信号强度，使信号不至于被当做噪声；当噪声强度较大时，降低噪声强度，使噪声不至于被当做信号。

因为TOA时延估计存在两种方法可供选择，所以，在下述的步骤2.1和步骤2.2中，可以任意选择其中一种时延估计方法进行TOA时延估计。

步骤3、三维定位：采用基于TDOA的三维定位方法。基于TDOA的三维定位方法，所需要的探头数要大于或者等于四个，当探头数为四个时，采用步骤3.1进行求解；当探头数大于四个时，采用步骤3.2进行求解。

步骤3.1、当探头数等于四个时，采用修正的曲面求根公式进行求解。采用三维的曲面求根公式进行求解时，可以得到多个解，而我们只需要最优的一个解。求解最优解的步骤如下：

步骤A1：按照曲面求根公式进行求解，得到三维曲面的含根矩阵分别为Χ[·]、Y[·]、Ζ[·]，其中矩阵Χ[·]、Y[·]、Ζ[·]中每一个根是一一对应的。

步骤3.2、当探头数大于四个时，采用修正的三维Chan定位算法，即其中：Q＝(0.5*eye(M)+0.5*ones(M))*(delta^2)，M＝k-1，其中k是探头个数，delta是允许的误差，Q是TDOA的协方差矩阵，eye()是指矩阵对角线为1，其它为0，ones()是指矩阵的元素全是1。

标签的坐标为：X＝z_a(1)，Y＝z_a(2)，Z＝z_a(3)。

如图4所示，给出了本实施例的仿真结果，本实施例的三维空间尺寸是150m*150m*150m，标签数为1个，标签发射功率为‐20dBmW、ID号设为FFFFFFFFFFFFFFFF，采用十六进制表示，总共64比特，探头数设为4个，探头的具体位置如图所示，探头位置误差均设为1m。标签的运动轨迹是在三维空间内进行随机连续移动，移动的速度为2.5米每秒，选取的TOA时延估计方法是能量块和相干法。如图5所示，给出了标签在三维空间内随机移动的追踪效果图。经测试，本实施例所提供的方法，在边长为150米的大型正方体室内，定位的标准差小于1米，定位的均差小于1.5米。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims

1.一种室内移动目标的三维实时追踪方法，其特征在于，在发射阶段采用基于OOK调制的超宽带信号作为定位探测信号；在接收阶段根据物体所携带的标签进行定位，采用基于能量块和相干的时延估计方法或者基于门限法的时延估计方法来进行TOA时延估计，得到标签到各个探头的相对时延，进而得到各个探头与标签之间的TDOA，并结合已知的各个探头位置，采用三维定位方法，得到移动物体的位置；

所述的基于能量块和相干的时延估计方法包括：

第一步、基于能量块的估计，进行粗搜索以缩短运算时间，具体包括：

1.1、对接收到的信号进行放大并积分求和，得到能量块；

1.3、进行求余操作：把每一个时延估计都统一于第一个比特“1”内；

第二步、基于相干的估计，在能量块内进行细搜索以提高TOA时间估计的精度：用接收信号与参考信号进行逐次移位相与求和，得到求和结果的最大值所在的时隙，实现精确的TOA时延估计；

a)校准过程是在输入只有噪声的情况：没有定位探测信号的情况下进行信号接收，并相应设定噪声阈值和数据阈值；

b)同步过程主要是针对接收信号：在具有定位探测信号的情况下进行信号接收，在数据位之前添加同步码，保证在数据时隙之内测得接收信号；

c)工作时隙切换过程动态调整衰减值，设置噪声保持在有50％的时隙内能够被检测到。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的基于OOK调制的超宽带信号是指：当发送数据为“1”时发送调制后的超宽带信号；当发送数据为“0”时不发送超宽带信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的三维定位方法是指：①当发送阶段采用的探头个数超过四个时，采用修正的Chan定位算法进行定位：远距离法来估计待测标签的坐标，或者是②当发送阶段采用的探头个数为四个时，根据所求得的TDOA，获得不同探头和标签之间的距离差，结合已知的探头坐标，采用修正的曲面求根公式求解待测标签的坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的修正的Chan定位算法具体包括：

1)以第一探头的位置为参考位置，计算距离差矩阵

h是指距离差矩阵，是指探头i与第一探头的距离的平方，x_i，y_i和z_i分别是指第i探头的三维坐标，x₁，y₁和z₁分别是指第一探头的三维坐标，τ_i,1是指第i探头和第一探头与标签之间的到达时间差，c是光速，K_i是第i探头与原点的距离的平方，K₁是第一探头与原点的距离的平方；

2)计算向量矩阵其中：R_i,1是指第i探头与第一探头的距离；

3)计算标签坐标矩阵其中：Q＝(0.5*eye(M)+0.5*ones(M))*(delta^2)，其中：M＝k-1，k是探头个数，delta是允许的误差，Q是TDOA的协方差矩阵，eye()为对角线为1矩阵，ones()为全1矩阵；

4)计算得到标签的三维坐标为：X＝z_a(1)，Y＝z_a(2)，Z＝z_a(3)。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征是，采用修正的曲面求根公式求解待测标签的坐标：采用三维的曲面求根公式得到多个解，求出其中最优的一个解实现定位，具体包括以下步骤：

步骤A1：按照曲面求根公式进行求解，得到三维曲面的含根矩阵分别为X[·]、Y[·]、Z[·]，但是X[·]、Y[·]、Z[·]中每一个根是一一对应的；

步骤A2：求解每一个根对应的时延绝对误差，在求得标签坐标之后，求解标签与探头之间的距离，进而求得两者之间的实际时延；

步骤A3：将每一个根对应得到的实际时延与之前估计的时延进行相减，并且求绝对值，得到每一个根对应的时延绝对误差，求得时延绝对误差最小的X、Y、Z值；

步骤A4：当X、Y、Z同时为0时，排除这种情况，重新进行步骤A3；

6.一种实现权利要求1～5中任一所述方法的室内移动目标的三维实时追踪系统，其特征在于，包括：若干个由发射模块和接收模块组成的探头，其中：发射模块通过超宽带信号的OOK调制后向待定位对象发射定位探测信号，接收模块接收从待定位对象处反射回来的反射信号；根据反射信号和定位探测信号，完成时延估计和三维定位，并将三维定位结果通过网络传输发送给用户。