CN106961725A

CN106961725A - 基于UWB与Wifi结合高精度的室内等位方法及系统

Info

Publication number: CN106961725A
Application number: CN201710212352.7A
Authority: CN
Inventors: 张沛昌; 黄磊; 李强; 李冠群; 林康成; 裴灿
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-07-18

Abstract

本发明涉及基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法,包括：A、确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；B、控制标签和每个基站进行多次通信并分别记录收发信号的本地时间；C、根据标签收发信号的本地以及每个基站收发信号的本地时间分别计算每个基站与标签之间的距离；D、根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差。在不知道标签与四个基站的起始时钟的前提下可以准确地测量电磁波的传播时间，避免由时钟同步误差所引起的结果误差，使用WiFi辅助超宽带进行无线数据的收发，WiFi无线传输测量时间不与超宽带冲突，减少系统复杂度，通过牛顿迭代对测量距离进行空间位置估计，提高测量结果准确性。

Description

基于UWB与Wifi结合高精度的室内等位方法及系统

技术领域

本发明属于无线电技术和室内定位技术的改进领域，尤其涉及一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内等位方法及系统。

背景技术

随着通信行业的快速发展以及物联网技术的逐渐成熟，人们希望能够实时掌握某一人或某一物体的具体位置，以获取其动态信息和提供服务。在室外环境，GPS、北斗等定位系统能提供位置信息服务，但在卫星信号较弱的建筑物内，往往无法接收卫星信号，不能获取当前所在的地理位置信息。室内环境的定位十分有必要，能够为人们提供更多的体验服务，是未来发展的趋势。

室内定位与传统的卫星定位及蜂窝定位系统不同，室内定位的环境范围小、直达波路径严重缺失、信道非平稳。室内定位技术在定位精度、稳健性、安全性、方向判断、标示识别及复杂度等方面有着自己的特点。比如定位精度，定位精度是衡量一个定位系统的重要指标，特别是针对空间狭小的室内环境，几年前对室内定位的精度还没有明确的概念，像写字楼内的定位还只是要求精确到某个“房间”就可以了，但是近年来的电子技术飞速发展，特别是服务业的机器人和自动化机械装置都需要较高的定位精度。比如稳健性，在室内复杂多变的环境下，很难保证系统的稳定性，室内目标位置的变化幅度往往很大，这对系统适应环境的能力就有了更高的要求。

室内定位在国内外民用、军用方面的运用目前处于起步阶段，但是每年的的需求处于爆发性的增长阶段，故开发高精度的室内定位是非常有现实意义和广阔的市场。

目前常用的室内定位技术有红外线室内定位、超声波室内定位、蓝牙室内定位、RFID室内定位、WiFi室内定位、ZigBee室内定位、麦克风室内定位和超宽带(Ultra WideBand，UWB)室内定位等。其中，WiFi室内定位、ZigBee室内定位精度较低，一般为3-20m，对于室内定位而言，这样的精度太低，不实用。RFID技术的定位精度可以达到1-2m，但是要求标签的密度必须足够大，铺设系统和管理都很麻烦，而且成本高。红外线室内定位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红外线室内定位的效果很差，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。蓝牙室内定位中蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大；超声波室内定位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。超宽带系统与传统的窄带系统相比，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。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。而超宽带技术的定位精度可以达到厘米级，定位精度高，抗干扰能力强，并且不需布设大量节点，从而成为室内定位的热门技术。超宽带室内定位技术是到目前为止最适合应用于室内定位的无线通信技术。超宽带技术具有数据传输率高、功率小、隐蔽性好、保密性强、穿透能力强、多径分辨力强和抗干扰能力强等特点，在测距和定位应用上具有精度高、可靠性强的优点。

而已有的超宽带室内定位系统一般采用估计信号到达时间的方式来完成测距，进一步计算出目标的坐标。由于各个节点间是独立的，因此在时间上是不同步的，即异步的，这给估计信号到达时间带来了麻烦，若采用数据线将各基站连接起来实现同步，则会增加系统的复杂度和成本。并且不同的节点，晶振的频率也有偏差，这也会降低估计信号到达时间的准确度，从而降低定位精度。

UWB与WiFi结合的高精度室内定位系统采用双程测距估计信号到达时间的方法进行测距，减小了时钟不同步带来的误差，然后利用牛顿迭代解算目标点在空间坐标系中的坐标。利用WiFi可以辅助超宽带进行无线数据的收发，减小系统的复杂度和成本，进而提高系统的准确性和有效性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法，旨在解决上述的技术问题。

本发明是这样实现的，一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法，所述室内定位方法包括以下步骤：

A、确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；

B、控制标签和每个基站进行多次通信并分别记录收发信号的本地时间；

C、根据标签收发信号的本地以及每个基站收发信号的本地时间分别计算每个基站与标签之间的距离；

D、根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差；其公式为：其，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分别为基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，每个基站与标签之间的距离分别为s1、s2、s3、s4，δt_u为系统时间误差。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤A中还包括以下步骤：

A1、调整标签的位置以使标签固定于待定位目标的顶部。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤B中还包括以下步骤：

B1、控制标签发送第一信号至锚节点，并记录标签发送第一信号的标签本地时间为第一时间；

B2、记录锚节点接收到第一信号的本地时间为第二时间，控制锚节点等待预设时间后发送第一反馈信号至标签，并记录锚节点发送第一反馈信号的本地时间为第三时间；

B3、记录标签接收到第一反馈信号的本地时间为第四时间，等待预设时间后，控制标签发送第二信号至锚节点，并记录标签发送第二信号本地时间为第五时间；

B4、记录锚节点接收到第二信号的本地时间为第六时间；

B5、重复步骤B1-B4，分别记录每个锚节点发出信号和接收信号的锚节点本地时间。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤C中还包括以下步骤：

C1、根据标签与每个锚节点对应的第一时间、第二时间、第三时间、第四时间、第五时间及第六时间计算信号在标签与锚节点之间单次传输所需的传输时间；

C2、将传输时间乘以光速，获得每个锚节点与标签的距离。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤D中还包括以下步骤：

D1、根据距离计算结果，获取四个基站与标签的距离分别为s1、s2、s3、s4；

D2、建立空间坐标系，获取四个基站的位置，根据空间几何关系和牛顿迭代算法解算标签的空间坐标，确定标签位置，其公式为：

其中，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分别为四个基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，δt_u为系统时间误差。

本发明的另一目的在于提供一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位系统，所述室内定位方法包括：

确定模块，用于确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；

时间记录模块，控制标签和每个基站进行多次通信并分别记录收发信号的本地时间；

距离计算模块，用于根据标签收发信号的本地以及每个基站收发信号的本地时间分别计算每个基站与标签之间的距离；

位置确定模块，用于根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差；其公式为：其，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分别为基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，每个基站与标签之间的距离分别为s1、s2、s3、s4，δt_u为系统时间误差。

本发明的进一步技术方案是：所述确定模块中还包括：

标签调整单元，用于调整标签的位置以使标签固定于待定位目标的顶部。

本发明的进一步技术方案是：所述时间记录模块中还包括：

第一记录单元，用于控制标签发送第一信号至锚节点，并记录标签发送第一信号的标签本地时间为第一时间；

第二记录单元，用于记录锚节点接收到第一信号的本地时间为第二时间，控制锚节点等待预设时间后发送第一反馈信号至标签，并记录锚节点发送第一反馈信号的本地时间为第三时间；

第三记录单元，用于记录标签接收到第一反馈信号的本地时间为第四时间，等待预设时间后，控制标签发送第二信号至锚节点，并记录标签发送第二信号本地时间为第五时间；

第四记录单元，用于记录锚节点接收到第二信号的本地时间为第六时间；

重复记录单元，用于重复第一记录单元-第二记录单元，分别记录每个锚节点发出信号和接收信号的锚节点本地时间。

本发明的进一步技术方案是：所述距离计算模块中还包括：

单次传输时间计算单元，用于根据标签与每个锚节点对应的第一时间、第二时间、第三时间、第四时间、第五时间及第六时间计算信号在标签与锚节点之间单次传输所需的传输时间；

距离计算单元，用于将传输时间乘以光速，获得每个锚节点与标签的距离。

本发明的进一步技术方案是：所述位置确定模块中还包括：

距离获取单元，用于根据距离计算结果，获取四个基站与标签的距离分别为s1、s2、s3、s4；

位置确定单元，用于建立空间坐标系，获取四个基站的位置，根据空间几何关系和牛顿迭代算法解算标签的空间坐标，确定标签位置，其公式为：其中，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾⁾、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分别为四个基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，δt_u为系统时间误差。

本发明的有益效果是：在不知道标签与四个基站的起始时钟的前提下也可以准确地测量电磁波的传播时间，避免了由于时钟同步误差所引起的结果误差，使用WiFi辅助超宽带进行无线数据的收发，WiFi无线传输测量时间不与超宽带冲突，减少了系统的复杂度，通过牛顿迭代对测量距离进行空间位置估计，提高测量结果的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的一个应用实例中标签点和至少四个基站位置示意图。

图3是本发明实施例提供的基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法的第二个实施例的流程示意图。

图4是本发明实施例提供的基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位系统的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位位系统的第二个实施例的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的定位计算原理空间几何示意图。

图7是本发明实施例提供的回程测距的原理示意图。

图8是本发明实施例提供的牛顿迭代解算的示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明提供的基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法的流程图，详述如下：

步骤S1，确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；确定标签和基站，其中，标签固定于待定位目标，四个基站中任三个不在同一直线上，四个基站形成一个矩形布置在室内的四个角落上，距离地面的高度为h。以上所说的基站和标签是指不同的UWB和WiFi收发机。

步骤S2，控制标签和每个基站进行多次通信并分别记录收发信号的本地时间；控制基站与标签进行两次以上的双程通信，并当基站与标签收到信号时等待预设时间再发出信号，分别记录标签发出信号和接收到信号的标签本地时间以及每个基站发出信号和接收到信号的基站本地时间。

信号发出并收到反馈信号记为一次回程通信，基站与标签之间进行至少两次回程通信是指基站和标签发送至少两次信号，并且标签接收到发出信号次数等同次数的单个基站发出的反馈信号。需要指出的是，每次回程通信过程中标签发出的信号可以不相同。控制吗每个基站与标签至少进行两次回程通信，并在进行回程通信过程中，无论是标签还是基站在接收到信号后需等待预设时间后再发出信号，记录整个回程通信过程中，标签发出信号和接收到信号的标签本地时间、基站发出信号和接收到信号的基站本地时间，由于标签的时间记录是基于标签本地时间而基站的时间记录是基于基站本地时间，基于不同的时间记录，在距离计算过程中基站与标签间无需时间同步即可实现高精度定位。针对每个基站与标签之间进行回程通信过程中的时间分别记录，以便在后续过程中，单独计算每个基站与标签之间距离。一般来说，预设时间的目的是留出足够的时间给基站来处理接收的测试信息帧和准备好回复信息帧，预设时间并没有绝对的值，要视节点超宽带收发机的处理速度，只要时间足够给基站来处理就可以。

下面以标签与基站1之间进行两次回程通信为例详细解释步骤S2的过程。

标签向基站1发送请求测距信号，记录标签发出请求测距信号的标签本地时间；基站1接收到请求测距信号，记录基站1收到请求测距信号的基站1本地时间，等待预设时间后基站1反馈同意测距信号至标签，记录基站1发出反馈同意测距信号的基站1本地时间，标签接收同意测距信号，记录标签1接收同意测距信号的标签本地时间，等待预设时间后标签1记录标签本地时间，发送自身已记录的时间参数至基站1，基站1接收标签发送过来的时间参数，并记录接收到时间参数的基站1本地时间。

步骤S3，根据标签收发信号的本地以及每个基站收发信号的本地时间分别计算每个基站与标签之间的距离；根据标签发出信号和接收到信号的标签本地时间以及每个基站发出信号和接收到信号的基站本地时间，分别计算至少四个基站与标签之间的距离，获得距离计算结果。

基于步骤S2中记录的时间以及预设时间可以计算出标签与单个基站之间单次信号传输所需时间，信号在空气中传播速度近似光速，已知传输时间和传输速度即可计算出标签与每个基站之间距离。非必要的，在步骤S3可以采用计算多次基站与标签之间信号传输所需时间，再除以传输次数，采用平均值的方式减小误差、提高数据准确度。

步骤S4，根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差；其公式为：其，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分别为基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，每个基站与标签之间的距离分别为s1、s2、s3、s4，δt_u为系统时间误差。根据距离计算结果，确定标签位置。

在步骤S3中已经获得每个基站与标签之间距离，基站位置固定且已知，构建空间坐标系并采用空间几何计算，即可确定标签位置，由于标签固定于待定位目标，当标签位置确定后，待定位目标的位置也已确定。

本发明UWB与WiFi结合的高精度室内定位方法，确定标签固定于待定位目标，四个基站中任三个不在同一直线上，四个基站形成一个矩形，距固定于室内任意位置，分别记录标签发送信号至基站的标签本地时间和基站反馈至标签的标签本地时间，并且在至少两次信号发送过程采用间隔相同预设时间方式，巧妙的避开传统距离计算过程中标签与基站间需要时间同步的问题，实现对信号传播时间的异步测量，提高了标签与基站之间距离计算的精度，进而实现对标签(待定位目标)的准确定位。

如图3所示，在其中一个实施例中，步骤S2包括：

步骤S21：控制标签发送第一信号至基站，并记录标签发送第一信号的标签本地时间为第一时间t₁。

步骤S22：记录基站接收到第一信号的基站本地时间为第二时间t₂，控制基站等待预设时间T后发送第一反馈信号至标签，并记录基站发送第一反馈信号的基站本地时间为第三时间t₃。

步骤S23：记录标签接收到第一反馈信号的标签本地时间为第四时间t₄，等待预设时间T后，控制标签发送第二信号至基站，并记录标签发送第二信号的标签本地时间为第五时间t₅。

步骤S24：记录基站接收到第二信号的基站本地时间的为第六时间t₆。

步骤S25：重复步骤S21-S24步骤，分别记录每个基站发出信号和接收到信号的基站本地时间。

针对每个基站与标签之间回程通信过程分别记录信号收到和发送的本地时间，即针对每次的双程通信均有相应的第一时间t₁、第二时间t₂、第三时间t₂、第四时间t₄、第五时间t₅以及第六时间t₆。在本实施例中，基站与标签之间仅采用两次回程通信，采用较小次数的回程通信可以减少定位处理过程，实现待定位目标的高效定位。

如图3所示，在其中一个实施例中，步骤S3包括：

S31：根据基站与标签对应的第一时间t₁、第二时间t₂、第三时间t₃、第四时间t₄、第五时间t₅以及第六时间t₆，计算信号在标签与单个基站之间单次传输所需的传输时间T_of。

S640：将传输时间T_of乘以光速c，获得每个基站与标签的距离，其中，传输时间T_of的计算公式为：T_of＝((t₄-t₁)-(t₃-t₂)+(t₆-t₃)-(t₅-t₄))/4。

在本实施例中，针对每个基站与标签之间信号单次传输所需传输时间过程中，采用计算平均值的方式提高结算结果的准确度，以更进一步实现准确定位。

如图3所示，在其中一个实施例中，步骤S2之前还包括：

步骤S11：调整标签位置，以使标签固定于待定位目标的顶部。

待定位目标可能是一个比较大的物体，标签设置于待定位目标不同位置可能会对最终定位结果产生影响。在本实施例中，对标签设置于待定位目标的位置进行调整，以使标签固定于待定位目标的顶部，更进一步提高定位的准确度。

在其中一个实施例中，基站的数量为四个，根据距离计算结果，确定标签位置的步骤包括：

步骤一：根据距离计算结果，获取四个基站与标签的距离分别为s1、s2、s3、s4。

步骤二：建立空间坐标系，获取四个基站的位置，根据空间几何关系和牛顿迭代算法解算标签的空间坐标，确定标签位置，其公式为：

其中，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分别为四个基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，δt_u为系统时间误差，利用以上方程组通过牛顿迭代法可以求解标签的空间坐标，即标签在室内中所处的位置(x，y，z)和系统时间误差δt_u。

在本实施例中，通过构建空间坐标系并根据空间几何关系和牛顿迭代算法解算出两个位置坐标，然后由经验常识去掉一个，这样准确确定标签的位置。

如图4所示，UWB与WiFi结合的高精度室内定位系统，包括：

确定模块，用于确定标签和基站，其中，标签固定于待定位目标，四个基站中任三个不在同一直线上，四个基站形成一个矩形，距离地面的高度为h。

时间记录模块，用于控制标签与每个基站至少进行两次回程通信，并当标签与每个基站收到信号时等待预设时间再发出信号，分别记录标签发出信号和接收到信号的标签本地时间以及每个基站发出信号和接收到信号的基站本地时间。

距离计算模块，用于根据标签发出信号和接收到信号的标签本地时间以及每个基站发出信号和接收到信号的基站本地时间，分别计算至少四个基站与标签之间的距离，获得距离计算结果；

位置确定模块，用于根据距离计算结果，确定标签位置。

本发明UWB与WiFi结合的高精度室内定位系统，确定标签固定于待定位目标，至少四个基站中任三个不在同一直线上，四个基站形成一个矩形，距离地面的高度为h；分别记录标签发送信号至基站的标签本地时间和基站反馈至标签的标签本地时间，并且在至少两次信号发送过程采用间隔相同预设时间方式，巧妙的避开传统距离计算过程中基站与标签间需要时间同步的问题，实现对信号传播时间的异步测量，提高基站与标签之间距离计算的精度，进而实现对标签(待定位目标)的准确定位。

如图5所示，在其中一个实施例中，时间记录模块400包括：

第一记录单元，用于控制标签发送第一信号至基站，并记录标签发送第一信号的标签本地时间为第一时间t₁。

第二记录单元，用于记录基站接收到第一信号的基站本地时间为第二时间t₂，控制基站等待预设时间T后发送第一反馈信号至标签，并记录基站发送第一反馈信号的基站本地时间为第四时间t₃。

第四记录单元，用于记录标签接收到第一反馈信号的标签本地时间为第四时间t₄，等待预设时间T后，控制标签发送第二信号至基站，并记录标签发送第二信号的标签本地时间为第五时间t₅。

第四记录单元，用于记录基站接收到第二信号的基站本地时间的为第六时间t₆。

重复记录单元，用于控制第一记录单元、第二记录单元、第三记录单元以及第四记录单元执行相应操作，以分别记录每个基站发出信号和接收到信号的基站本地时间。

针对每个基站与标签之间回程通信过程分别记录信号收到和发送的本地时间，即针对每个基站均有相应的第一时间t₁、第二时间t₂、第四时间t₃、第四时间t₄、第五时间t₅以及第六时间t₆。在本实施例中，基站与标签之间仅采用两次回程通信，采用较小次数的回程通信可以减少定位处理过程，实现待定位目标的高效定位。

如图5所示，在其中一个实施例中，距离计算模块包括：

单次传输时间计算单元，用于根据每个基站与标签对应的第一时间t₁、第二时间t₂、第四时间t₃、第四时间t₄、第五时间t₅以及第六时间t₆，计算信号在标签与单个基站之间单次传输所需的传输时间T_of。

距离计算单元：将传输时间T_of乘以光速，获得每个基站与标签的距离，其中，传输时间T_of的计算公式为：T_of＝((t₄-t₁)-(t₃-t₂)+(t₆-t₃)-(t₅-t₄))/4

在其中一个实施例中，时间记录模块之前还包括：

标签调整模块，用于调整标签位置，以使标签固定于待定位目标的顶部。

在其中一个实施例中，基站的数量为四个，位置确定模块包括：

距离获取单元，用于根据距离计算结果，获取四个基站与标签的距离分别为s1、s2、s3、s4

位置确定单元，用于建立空间坐标系，获取四个基站的位置，根据空间几何关系和牛顿迭代算法解算标签的空间坐标，确定标签位置，其公式为：

在其中(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分别为四个基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，δt_u为系统时间误差。

设x是非线性方程式f(x)＝0的根，选取x₀作为x的初始估计值，如果f(x)在点x₀附近连续可导，过点(x₀，f(x₀))做曲y＝f(x₀)的切线L，L的方程为

y＝f(x₀)+f′(x₀)(x-x₀)，f′(x₀)为f(x)的一阶导数在x₀处的值。

求出L与x轴交点的横坐标，得：

称x₁为x的一次近似值。过点(x₁，f(x₁))做曲线f(x)的切线，并求该切线与x轴交点的横坐标，得：

称x₂为x的二次近似值。经过多次如此的循环迭代后，我们就可以得到非线性方程的数值解得x的近似值序列，其中，

称为x的n+1次近似值，上式称为牛顿迭代公式。

为更进一步详细解释本发明UWB与WiFi结合的高精度室内定位系统的技术方案及其带来的效果，下面将借助图6和图7采用应用实例对整个技术方案进行说明，在应用实例中，数据处理计算过程由图6中所示的后台服务器完成。

如图6所示，此室内定位装置由四个基站，一个标签和后台服务器组成。每个节点均是一个超宽带收发机，后台服务器一般是一台电脑，定位目标是一个带有支架标签。四个基站的位置是固定的，安放在房间四个角落，四个基站任意三个不能共线，应尽量分散。四个基站中有一个主基站和三个次基站，主基站用来和后台服务器连接，可以是有线或者无线的方式，用来将距离数据上传的后台服务器。本实施例中基站3通过USB数据线与后台电脑相连。标签支架顶部，与支架绑定。工作时，标签通过回程测距方法轮流和四个基站进行通信测距，并将距离数据汇总发给主基站，主基站再将数据通过有线或者无线的方式发送给后台电脑。后台电脑上运行定位程序，定位程序获得距离数据后通过定位方程和牛顿迭代算法，计算出标签的三维坐标，并在显示界面中实时的显示出标签坐标。

整个定位过程包括回程测距阶段和定位阶段。

如图7所示，回程测距阶段包括如下步骤：

第一步：标签向基站发送测试信息帧，请求测距，并记录下标签的发送时间点t₁。

第二步：基站收到测试信息帧后，记录本地接收时间点t₂，在等待T时间后，向标签点发送回复信息帧，确认收到请求信息并同意测距，并记录下本地发送时间点t₃。

第三步：标签点收到回复信息帧后，记录下本地接收时间点t₄，同样在等待T时间后，发送时间点信息帧，则时间点信息帧的发送时间点t₅可以在发送之前便计算出来：t₅＝t₄+T，时间点信息帧中包含标签记录的全部时间点信息，将这些时间信息发给基站用于计算超宽带信号的传播时间。此处等待T时间作用与第二步一样。

第三步：基站收到时间点信息帧后，记录下本地接收时间点t₆。在获得标签发来的时间点信息后，基站可以计算出基站和标签的距离，并发送报告信息帧，将距离数据发送给标签。计算方法为：1.先计算出超宽带信号在空中的传播时间T_of计算方法为：T_of＝((t₄-t₁)-(t₃-t₂)+(t₆-t₃)-(t₅-t₄))/4，2.距离s＝c*T_of，c为电磁波的速度。

定位阶段包括如下步骤：

步骤一：标签与基站1进行通信，通过双程测距方法获得距离数据s₁，并存下来。

步骤二：接着，标签与基站2、基站3、基站4进行通信，通过双程测距方法获得距离数据s₂、s₃、s₄并存下来，然后将获得的距离数据s₂、s₃、s₄发送给基站1。

步骤三：基站1将四次测量的距离数据s₁、s₂、s₃、s₄，通过WiFi传给后台电脑。

步骤四：后台电脑上运行的定位程序收到四个距离数据后，通过定位方程和牛顿迭代算法，计算出标签的三维坐标，并在显示界面中实时的显示出标签坐标。在本实施例中，通过构建空间坐标系并根据空间几何关系和牛顿迭代算法解算出两个位置坐标，然后由经验常识去掉一个，这样准确确定标签的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法包括以下步骤：

A、确认目标标签和不在同一直线上的四个基站；

D、根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差；其公式为：其，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z^（4））分别为基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，每个基站与标签之间的距离分别为s1、s2、s3、s4，δt_u为系统时间误差。

2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述步骤A中还包括以下步骤：

A1、调整标签的位置以使标签固定于待定位目标的顶部。

3.根据权利要求2所述的室内定位方法，其特征在于，所述步骤B中还包括以下步骤：

B4、记录锚节点接收到第二信号的本地时间为第六时间；

4.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，所述步骤C中还包括以下步骤：

C2、将传输时间乘以光速，获得每个锚节点与标签的距离。

5.根据权利要求4所述的室内定位方法，其特征在于，所述步骤D中还包括以下步骤：

其中，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z^（3））、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z^（4））分别为四个基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，δt_u为系统时间误差。

6.一种基于UWB与Wifi结合高精度的室内定位系统，其特征在于，所述室内定位方法包括：

位置确定模块，用于根据计算的得到的距离利用牛顿迭代计算结果确定标签位置和系统时间误差；其公式为：其，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(^x(2)，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z^（4））分别为基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，每个基站与标签之间的距离分别为s1、s2、s3、s4，δt_u为系统时间误差。

7.根据权利要求6所述的室内定位系统，其特征在于，所述确定模块中还包括：

8.根据权利要求7所述的室内定位系统，其特征在于，所述时间记录模块中还包括：

9.根据权利要求8所述的室内定位系统，其特征在于，所述距离计算模块中还包括：

10.根据权利要求9所述的室内定位系统，其特征在于，所述位置确定模块中还包括：

位置确定单元，用于建立空间坐标系，获取四个基站的位置，根据空间几何关系和牛顿迭代算法解算标签的空间坐标，确定标签位置，其公式为：其中，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z^（3））、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z^（4））分别为四个基站的空间坐标，(x，y，z)为标签的空间坐标，δt_u为系统时间误差。