CN106814367A - 一种超宽带定位节点的自主位置测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超宽带定位节点的自主位置测量方法，包括以下步骤：对待布设定位节点区域进行分区，并在每个分区内布设定位节点；选取较为中心且可视距的三个相邻定位节点为参考定位节点，并以这三个参考定位节点为中心向周边发散式编号；获取三个参考定位节点的位置坐标；选取与三个参考定位节点距离最短且编号较小的定位节点作为待测定位节点，分别在待测定位节点和三个参考定位节点进行双向飞行测距，获取三个时间戳信息并发送给中央服务器进行待测定位节点的坐标更新，同时判断该区域内除三个参考定位节点外的所有定位节点的坐标是否已经更新完毕；若没有更新完毕，则以所述待测定位节点为新参考定位节点，选取下一个待测定位节点重新测量。

Description

一种超宽带定位节点的自主位置测量方法

技术领域

本发明涉及超宽带定位领域，具体的说，涉及了一种超宽带定位节点的自主位置测量方法。

背景技术

随着我国物联网建设的快速发展，精准位置信息的采集越来越显示出其重要作用。大多数的物联网位置信息采集都是在卫星信号较差或没有卫星信号的情况下进行，为了能得到更为精确的位置信息，需要采用布设高精度无线定位节点来实现精准定位。

近年来一种基于脉冲超宽带的定位方式应运而出，其较其它的定位系统如Wifi、蓝牙、zigbee等具有定位精度高，实时性好以及抗干扰能力强等优点，但其定位节点的布设精度要求高，布设速度慢，严重阻碍了超宽带定位技术的发展。传统的超宽带定位节点布设一般都需要采用全站仪或激光测距仪，而且还要经过多次测量，大区域还要进行坐标转换，地图拼接等来实现整体定位节点的布设，一般上千平米的工作量需要1-2天，布设区域越大，耗费的人力和时间也越多。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种超宽带定位节点的自主位置测量方法，实现了大范围超宽带定位节点布设的快速测量，具有设计科学、效果好的优点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超宽带定位节点的自主位置测量方法，包括以下步骤：

步骤1，按遮挡的程度对待布设定位节点区域进行分区，并在每个分区内布设定位节点；

步骤2，在布设好的定位节点中选取较为中心且可视距的三个相邻定位节点为参考定位节点，并以这三个参考定位节点为中心向周边定位节点发散式编号；

步骤3，获取三个参考定位节点的位置坐标；

步骤4，选取与三个参考定位节点距离最近且编号较小的定位节点作为待测定位节点，分别在待测定位节点和三个参考定位节点进行双向飞行测距，统计所述待测定位节点与三个参考定位节点双向飞行的时间戳信息并发送给中央服务器；

步骤5，中心服务器按待测定位节点的编号将接收到的三个时间戳信息进行分类，并送入解算模块进行待测定位节点的坐标更新；同时判断该区域内除三个参考定位节点外的所有定位节点的坐标是否已经更新完毕；若没有更新完毕，则继续执行步骤6，若更新完毕，则执行步骤7；

步骤6，以所述待测定位节点为新参考定位节点，选取下一个待测定位节点，重新执行步骤4和步骤5；

步骤7，结束运行。

基于上述，步骤5中待测定位节点的坐标更新的具体方法为：

设坐标更新前的待测定位节点到三个参考定位节点的距离分别为其中i为更新次数；分别以三个参考定位节点为圆心，以为半径构建三个圆，根据三个圆的相交情况求解待测定位节点的坐标信息并将其记录在定位节点数据库中，同时i加1。

基于上述，根据三个圆的相交情况求解待测定位节点的坐标信息的方法为：

以三个参考定位节点为中心，以待测定位节点到三个参考定位节点的距离为半径构建的三个圆的相交情况分为0个交点，1个公共交点、2个交点、3个交点、4个交点和6个交点；

当三个圆有唯一一个公共交点时，求取所述公共交点的坐标作为待测定位节点坐标；

当三个圆无交点或交点为三个时，表明定位节点设备存在问题，并标定维修；

当三个圆出现两个交点或四个交点时，分别获取每个交点的坐标并求取所有交点坐标的平均值作为待测定位节点坐标；

若为六个交点，则求出这六个交点的坐标，选取距离三个圆心最近的三个交点组成三角形，计算三角形的面积s，若s＜9cm²，则求取三角形重心的坐标作为待测定位节点的最新坐标；若s≥9cm²，则逐步缩小半径并重新画圆，直到选取的距离三个圆心最近的三个交点所组成的三角形的面积小于9cm2。

基于上述，逐步缩小或放大半径的方法为：

设三个圆的方程如下：

其中待测定位节点的坐标为(x,y)，三个参考定位节点的坐标分别为：待测定位节点到三个参考定位节点的测量距离分别为：τ为调节距离，以厘米为单位，初始值为0；

当s≥9cm²时，则令τ＝(τ-0.5*i)cm，其中i为正整数，并重新代入方程进行判断。

基于上述，还包括移动标签辅助校准的方法，将移动标签放在一个能与周围三个定位节点均可视距化的确定位置，其中三个定位节点中含有一个待测定位节点和两个参考定位节点；根据移动标签和三个定位节点的高度差以及测距信息并采用勾股定理法获得一个与三个定位节点位于同一平面的虚拟定位节点，并根据上述待测定位节点坐标更新方法逐步更新，以实现在非视距或有遮挡的情况下的待测定位节点的精准测量。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明通过定位节点内部相互测距，并在固定点实施反向测距后结合逐步优化估算机制，不断进行坐标位置更新，实现了大范围动态的定位节点自主校准，全面改变了人工测量周期长，人为因素多等不足，还在一定程度上实现定位节点的查错，为实现位置信息采集智能化奠定了基础。

附图说明

图1是定位节点位置自主校准流程图。

图2是区域定位节点整体布设图。

图3是定位节点布设分布图。

图4是三点画圆待测定位节点估算图。

图5是移动标签辅助校准图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，一种超宽带定位节点的自主位置测量方法，包括以下步骤：

步骤1，按遮挡的程度对待布设定位节点区域进行分区，并在每个分区内布设定位节点；具体的，定位节点的布置方式和位置如图2所示，采用距房顶等高的距离安装定位节点，使得所有定为节点位于同一平面内，并尽可能采用近似菱形或矩形的形状进行布设；

步骤2，如图3所示，在布设好的定位节点中选取较为中心且可视距的三个相邻定位节点为参考定位节点，并以这三个参考定位节点为中心向周边定位节点发散式编号，越靠近参考节点的定位节点的编号越小；

步骤3，获取三个参考定位节点的位置坐标；优选的，采用全站仪或激光测距仪等高精准设备人工测量三个参考定位节点的坐标；

步骤4，选取与三个参考定位节点距离最近且编号较小的定位节点作为待测定位节点，分别在待测定位节点和三个参考定位节点进行双向飞行测距，统计所述待测定位节点与三个参考定位节点双向飞行的时间戳信息并发送给中央服务器；

步骤5，中心服务器按待测定位节点的编号将接收到的三个时间戳信息进行分类，并送入解算模块进行待测定位节点的坐标更新；同时判断该区域内除三个参考定位节点外的所有定位节点的坐标是否已经更新完毕；若没有更新完毕，则继续执行步骤6，若更新完毕，则执行步骤7；

步骤6，以所述待测定位节点为新参考定位节点，选取下一个待测定位节点，重新执行步骤4和步骤5；

步骤7，结束运行。

本发明利用超宽带定位节点双向测距原理和逐步优化估算机制相结合的方法，通过反向测距估算以及对定位节点的不断更新实现了超宽带定位节点的大面积自主校准。本发明具有较好的校准能力，定位节点越多，参考定位节点越多，自主校准精度越高，上千平米的测量工作可在几个小时内完成。

具体的，步骤5中待测定位节点的坐标更新的具体方法为：

如图4所示，设坐标更新前的待测定位节点到三个参考定位节点的距离分别为其中i为更新次数；分别以三个参考定位节点为圆心，以为半径构建三个圆，根据三个圆的相交情况求解待测定位节点的坐标信息并将其记录在定位节点数据库中，同时i加1。

正常情况下，以三个参考定位节点为中心，以待测定位节点到三个参考定位节点的距离为半径构建的三个圆有一个公共交点，但有时候受到定位节点高度的微小差异、无线信号干扰、穿墙延迟或人为数据记录误差等因素的影响，三个圆无法相交在一起，又由于主要以菱形和矩形布设为主，故还存在三个圆有2个交点、3个交点、4个交点或6个交点的情况。

当三个圆有唯一一个公共交点时，求取所述公共交点的坐标作为待测定位节点坐标；

当三个圆无交点或交点为三个时，表明定位节点设备存在问题，并标定维修；

当三个圆出现两个交点或四个交点时，分别获取每个交点的坐标并求取所有交点坐标的平均值作为待测定位节点坐标；

若为六个交点，则求出这六个交点的坐标，选取距离三个圆心最近的三个交点组成三角形，计算三角形的面积s，若s＜9cm²，则求取三角形重心的坐标作为待测定位节点的最新坐标；若s≥9cm²，则逐步缩小半径并重新画圆，直到选取的距离三个圆心最近的三个交点所组成的三角形的面积小于9cm2。

具体的，逐步缩小或放大半径的方法为：

设三个圆的方程如下：

其中待测定位节点的坐标为(x,y)，三个参考定位节点的坐标分别为：待测定位节点到三个参考定位节点的测量距离分别为：τ为调节距离，以厘米为单位，初始值为0；

当s≥9cm²时，则令τ＝(τ-0.5*i)cm，其中i为正整数，并重新代入方程进行判断。

优选的，在有些地方遮挡较多或出现定位节点非可视距的情况下，还可采用以移动标签作为辅助校准的方法进行定位节点的坐标更新。

如图5所示，将移动标签放在一个能与周围三个定位节点均可视距化的确定位置，其中三个定位节点中含有一个待测定位节点和两个参考定位节点；根据移动标签和三个定位节点的高度差以及测距信息并采用勾股定理法获得一个与三个定位节点位于同一平面的虚拟定位节点，并根据上述待测定位节点坐标更新方法逐步更新，以实现在非视距或有遮挡的情况下的待测定位节点的精准测量。

本发明还可以设置在已经测量过定位节点坐标的系统中，对已测量过的定位节点的坐标进行对比、校准和查错。

首先进行划分区域和定位节点编号，标定参考点，除特殊点和参考点外按编号从小到大的顺序进行定位节点坐标的逐步估算，经以上步骤得出较为精准的坐标后进行逐级更新坐标。

更新完后再按以上方法进行校准，当除特殊点和参考点外的全部定位节点的坐标更新一段时间后，将得到的定位节点坐标和原先测量过的坐标进行比对，如果不同，则进行标注，偏差较大的定位节点很可能就是人工测量所导致的误差，可以直接进行修改，也可以用移动标签辅助校准的方法来实现定位节点位置的重新标定。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种超宽带定位节点的自主位置测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，按遮挡的程度对待布设定位节点区域进行分区，并在每个分区内布设定位节点；

步骤2，在布设好的定位节点中选取较为中心且可视距的三个相邻定位节点为参考定位节点，并以这三个参考定位节点为中心向周边定位节点发散式编号；

步骤3，获取三个参考定位节点的位置坐标；

步骤4，选取与三个参考定位节点距离最近且编号较小的定位节点作为待测定位节点，分别在待测定位节点和三个参考定位节点进行双向飞行测距，统计所述待测定位节点与三个参考定位节点双向飞行的时间戳信息并发送给中央服务器；

步骤5，中心服务器按待测定位节点的编号将接收到的三个时间戳信息进行分类，并送入解算模块进行待测定位节点的坐标更新；同时判断该区域内除三个参考定位节点外的所有定位节点的坐标是否已经更新完毕；若没有更新完毕，则继续执行步骤6，若更新完毕，则执行步骤7；

步骤6，以所述待测定位节点为新参考定位节点，选取下一个待测定位节点，重新执行步骤4和步骤5；

步骤7，结束运行。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带定位节点的自主位置测量方法，其特征在于，步骤5中待测定位节点的坐标更新的具体方法为：

设坐标更新前的待测定位节点到三个参考定位节点的距离分别为i∈(0,1,2…)，其中i为更新次数；分别以三个参考定位节点为圆心，以i∈(0,1,2…)为半径构建三个圆，根据三个圆的相交情况求解待测定位节点的坐标信息并将其记录在定位节点数据库中，同时i加1。

3.根据权利要求2所述的一种超宽带定位节点的自主位置测量方法，其特征在于，根据三个圆的相交情况求解待测定位节点的坐标信息的方法为：以三个参考定位节点为中心，以待测定位节点到三个参考定位节点的距离i∈(0,1,2…)为半径构建的三个圆的相交情况分为0个交点，1个公共交点、2个交点、3个交点、4个交点和6个交点；

当三个圆有唯一一个公共交点时，求取所述公共交点的坐标作为待测定位节点坐标；

当三个圆无交点或交点为三个时，表明定位节点设备存在问题，并标定维修；

当三个圆出现两个交点或四个交点时，分别获取每个交点的坐标并求取所有交点坐标的平均值作为待测定位节点坐标；

若为六个交点，则求出这六个交点的坐标，选取距离三个圆心最近的三个交点组成三角形，计算三角形的面积s，若s＜9cm²，则求取三角形重心的坐标作为待测定位节点的最新坐标；若s≥9cm²，则逐步缩小半径i∈(0,1,2…)，并重新画圆，直到选取的距离三个圆心最近的三个交点所组成的三角形的面积小于9cm²。

4.根据权利要求3所述的一种超宽带定位节点的自主位置测量方法，其特征在于，逐步缩小或放大半径i∈(0,1,2…)的方法为：

设三个圆的方程如下：

$\begin{array}{c}(x-x_A^0)+{(y-y_A^0)}^2={(R_A^i+\mathrm{\τ})}^2\\ (x-x_B^0)+{(y-y_B^0)}^2={(R_B^i+\mathrm{\τ})}^2\\ (x-x_C^0)+{(y-y_C^0)}^2={(R_C^i+\mathrm{\τ})}^2\end{array}$

其中待测定位节点的坐标为(x,y)，三个参考定位节点的坐标分别为：待测定位节点到三个参考定位节点的测量距离分别为：i∈(0,1,2…),τ为调节距离，以厘米为单位，初始值为0；

当s≥9cm²时，则令τ＝(τ-0.5*i)cm，其中i为正整数，并重新代入方程进行判断。

5.根据权利要求4所述的一种超宽带定位节点的自主位置测量方法，其特征在于：还包括移动标签辅助校准的方法，将移动标签放在一个能与周围三个定位节点均可视距化的确定位置，其中三个定位节点中含有一个待测定位节点和两个参考定位节点；根据移动标签和三个定位节点的高度差以及测距信息并采用勾股定理法获得一个与三个定位节点位于同一平面的虚拟定位节点，并根据上述待测定位节点坐标更新方法逐步更新，以实现在非视距或有遮挡的情况下的待测定位节点的精准测量。