CN107911864A

CN107911864A - 一种船舶室内精准定位的方法及其系统

Info

Publication number: CN107911864A
Application number: CN201711364678.8A
Authority: CN
Inventors: 沈重; 张鲲; 王海丰; 高倩; 李壮
Original assignee: Hainan University; Hainan Tropical Ocean University
Current assignee: Hainan University; Hainan Tropical Ocean University
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2018-04-13

Abstract

本发明公开了一种船舶室内精准定位的方法及其系统，所述系统包括定位UWB标签、UWB微基站和定位服务器三部分组成，所述定位UWB标签通过收发器向所述UWB微基站发送信号，所述UWB微基站将接收到的信号种类以及传输延迟时间信息发送到所述定位服务器，所述定位服务器根据所述信息进行对定位UWB标签的定位，所述船舶室内精准定位方法基于到达时间差的测距算法，经过优化后，不仅降低了以往参考基准之间高精度同步的要求，同时也降低了对系统时钟精度的要求和安装部署的难度，并在不牺牲定位精度的情况下，扩展了船舶室内定位的工作范围。

Description

一种船舶室内精准定位的方法及其系统

技术领域

本发明涉及定位系统领域，尤其涉及一种船舶室内定位方法及其系统。

背景技术

随着国家经济的快速发展，海上交通事故在逐年增加。在海上救助的过程中，无法与事故船只保持联系，特别是由于不能确定遇险船舶的准确位置，导致搜救区域大，路线远，耗时长，从而错过了最佳救援时间，因此，将超宽带定位技术与其他高精度无线定位技术相结合，从而为海上救援降低难度，是未来发展的一大趋势。

UWB技术可以将时间分辨率提高到纳秒级，结合基于到达时间差(TDOA)的测距算法，理论上能够实现厘米级的定位，足以满足正常应用场景中的定位要求，然而，在UWB信号传播过程中，多路径传播和非直线传播是定位精度降低的主要原因，现有的基于UWB技术的定位系统还不能很好的解决此问题。

发明内容

鉴以此，本发明的发明目在于提供一种船舶室内精准定位方法及其系统，以解决上述问题。

一种船舶室内精准定位系统，包括若干个定位UWB标签、若干个UWB微基站和定位服务器，所述UWB微基站与所述定位UWB标签相连，所述定位服务器通过无线网络与所述UWB微基站相连。

优选地，所述UWB微基站包括电源管理模块、存储模块、指示灯单元、微处理器、接口单元、收发器模块、WIFI模块，所述电源管理模块分别与所述存储模块、指示灯单元、微处理器、接口单元、收发器模块、WIFI模块相连并供电；所述微处理器分别与所述存储模块、指示灯单元、接口单元、收发器模块和WIFI模块相连；所述接口单元包括预留接口、SWD接口和USB接口，所述预留接口、SWD接口和USB接口分别与所述微处理器相连；所述指示灯单元包括状态指示灯和电源指示灯，所述状态指示灯与所述微处理器相连，所述电源指示灯与所述电源管理模块相连；所述UWB微基站通过收发器模块与所述定位UWB标签相连。

优选地，所述电源管理模块采用低压差线性稳压器SPX3819芯片，将12V电源转化为3.3V直流电为所述UWB微基站供电。

优选地，所述存储模块为FLASH存储模块，所述FLASH存储模块与所述微处理器通过SPI串行外设接口进行数据传输。

优选地，所述定位UWB标签使用锂电池供电。

优选地，所述UWB微基站为若干个固定UWB微基站或若干个可移动UWB微基站。

一种船舶室内精准定位方法，包括以下步骤：

S1：将UWB微基站布置在船舶上，定位UWB标签布置在需要定位的人员或物品上；

S2：定位UWB标签发送信号，UWB微基站接收信号并将数据发送到定位服务器进行处理；

S3：定位服务器对接收的数据进行处理并得出定位结果。

优选地，S3中定位服务器以所述UWB微基站为中心，以范围值为半径，绘制圆，各个以UWB微基站为中心的圆的交点则是定位点的位置，船舶室内定位UWB标签位置的非线性观测方程由以下公式得出：

然后，

在公式(1)和(2)中，i为UWB微基站的数量，ρ_U为超宽频观察距离；(X_i,Y_i,Z_i)是UWB微基站的坐标，(X,Y,Z)是可移动的UWB微基站的坐标，α和β是比例误差和固定误差；ρ_UB是误差校正后的实际距离值，可移动的UWB微基站的大致位置为(X₀,Y₀,Z₀)，在这个近似位置的泰勒级数扩展到线性形式为：

在公式(3)中，是从UWB微基站到可移动的UWB微基站的距离的近似值；l_ui、m_ui和n_ui分别是从可移动的UWB微基站的近似位置到UWB微基站的方向余弦；ε_0i是测量的噪声，表示船舶室内位置估计误差的概率累积分布函数。

优选地，S2中定位UWB标签发送信号时所选择的脉冲宽度，为经过仿真计算后得出的接收信号延迟性能良好的情况下的脉冲宽度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种船舶室内精准定位方法及其系统，采用了UWB超宽带技术，抗干扰能力强，传输速率高，系统容量大且发送功率小，消耗电能少，同时，本系统通过仿真和多路信道噪声信号传输的分析，提高了信号的延迟性能和船舶的室内定位精度，并大大降低了系统部署的难度和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的系统结构示意图。

图2是本发明实施例的UMB微基站结构示意图。

图3是本发明实施例的存储模块外围电路示意图。

图4是本发明实施例的船舶室内精准定位方法的流程示意图。

图中，1是定位UWB标签，2是UWB微基站，2是定位服务器，21是微处理器，22是电源管理模块，23是存储模块，24是指示灯单元，25是接口单元，26是收发器模块，27是WIFI模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参照图1，本发明提供一种船舶室内精准定位系统，包括若干个定位UWB标签1、若干个UWB微基站2和定位服务器3，所述定位UWB标签1与所述UWB微基站相连，所述UWB微基站2和所述定位服务器3相连。所述定位UWB标签1发送信号，所述UWB微基站2接收到信号后，将接收信号的种类、延迟时间等数据发送到所述定位服务器3，定位服务器3对接收的数据进行处理后得出定位信息。

所述UWB微基站2包括微处理器21、电源管理模块22、存储模块23、指示灯单元24、接口单元25、收发器模块26和WIFI模块27。所述电源管理模块22分别与所述存储模块23、指示灯单元24、微处理器21、接口单元25、收发器模块26、WIFI模块27相连并供电；所述微处理器21分别与所述存储模块23、指示灯单元24、接口单元25、收发器模块26和WIFI模块27相连；所述指示灯单元24包括状态指示灯和电源指示灯，所述状态指示灯与所述微处理器21相连，所述电源指示灯与所述电源管理模块22相连。

具体的，所述微处理器21用于对数据进行处理并向其他组件发送控制命令。

所述电源管理模块22采用低压差线性稳压器SPX3819芯片，将12V电源转化为3.3V直流电为所述UWB微基站2供电，所述低压差线性稳压器SPX3819芯片的特点是自耗低，自有噪声低，同时还具有过流保护、过温保护、差分放大和延迟器功能。所述定位UWB标签1使用锂电池供电，因为锂电池自放电率低，放电电压平缓，能够保证定位UWB标签1长期运作而不需要经常重新充电，同时锂电池体积小，能够满足定位UWB标签1小型化的要求。

所述存储模块23为FLASH存储模块，用于收集和处理船舶内部定位系统的数据，FLASH存储模块的特点是即使没有电流供应也能够长期保存数据，其存储特性相当于硬盘。所述FLASH存储模23块与所述微处理器21通过SPI串行外设接口进行数据传输，采用SPI串行外设接口所需信号线少，协议简单，同时相对数据传输速率高，具体连接方式如图3所示。

所述状态指示灯和电源指示灯分别采用红色LED灯和绿色LED灯对用户进行指示。红色LED灯闪烁表示连接正常和数据传输正在进行中；红色LED灯常亮表示连接失效；绿色LED灯常亮表示电源正常，绿色LED灯不亮表示电源出现故障。

所述接口单元25包括预留接口、SWD接口和USB接口，用于接入外部设备，所述预留接口、SWD接口和USB接口分别与所述微处理器21相连。

所述UWB微基站2可以是若干个位置固定的UWB微基站2，也可以是若干个位置可移动可改变的UWB微基站2。

所述定位UWB标签1固定在需要定位的人员或物品上后，向四周发射信号，所述UWB微基站2的收发器模块接收到信号后，经由微处理器21、WIFI模块27发送到所述定位服务器3进行处理，微处理器21根据各个单元或模块的运行情况控制所述指示灯单元24通过状态指示灯和电源指示灯反映UWB微基站2的运行状态，同时微处理器21将数据存储到所述存储模块23中。

如图4所示，本发明还公开了一种船舶室内精准定位的方法，包括以下步骤：

S1：将所述UWB微基站布置在船舶上，所述定位UWB标签布置在需要定位的人员或物品上；

S2：所述定位UWB标签发送信号，UWB微基站接收信号并将数据发送到所述定位服务器进行处理；

S3：所述定位服务器对接收的数据进行处理并得出定位结果。

S2中所述的定位UWB标签发送信号时所选择的脉冲宽度，为经过仿真计算后得出的接收信号延迟性能良好的情况下的脉冲宽度。

具体的，S3中定位服务器3以所述UWB微基站2为中心，以范围值为半径，绘制圆，各个以UWB微基站2为中心的圆的交点则是定位点的位置，船舶室内定位UWB标签1位置的非线性观测方程由以下公式得出：

然后，

在公式(1)和(2)中，i为UWB微基站2的数量，ρ_U为超宽频观察距离；(X_i,Y_i,Z_i)是UWB微基站2的坐标，(X,Y,Z)是可移动的UWB微基站2的坐标，α和β是比例误差和固定误差；ρ_UB是误差校正后的实际距离值，可移动的UWB微基站2的大致位置为(X₀,Y₀,Z₀)，在这个近似位置的泰勒级数扩展到线性形式为：

在公式(3)中，是从UWB微基站2到可移动的UWB微基站2的距离的近似值；l_ui、m_ui和n_ui分别是从可移动的UWB微基站2的近似位置到UWB微基站2的方向余弦；ε_0i是测量的噪声，表示船舶室内位置估计误差的概率累积分布函数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种船舶室内精准定位系统，其特征在于，所述系统包括若干个定位UWB标签、若干个UWB微基站和定位服务器，所述UWB微基站与所述定位UWB标签相连，所述定位服务器通过无线网络与所述UWB微基站相连。

2.根据权利要求1所述的一种船舶室内精准定位系统，其特征在于，所述UWB微基站包括电源管理模块、存储模块、指示灯单元、微处理器、接口单元、收发器模块、WIFI模块，

所述电源管理模块分别与所述存储模块、电源指示灯、微处理器、接口单元、收发器模块、WIFI模块相连并供电；

所述微处理器分别与所述存储模块、指示灯单元、接口单元、收发器模块和WIFI模块相连；

所述接口单元包括预留接口、SWD接口和USB接口，所述预留接口、SWD接口和USB接口分别与所述微处理器相连；

所述指示灯单元包括状态指示灯和电源指示灯，所述状态指示灯与所述微处理器相连，所述电源指示灯与所述电源管理模块相连；

所述UWB微基站通过收发器模块与所述定位UWB标签相连。

3.根据权利要求2所述的一种船舶室内精准定位系统，其特征在于，所述电源管理模块采用低压差线性稳压器SPX3819芯片，将12V电源转化为3.3V直流电为所述UWB微基站供电。

4.根据权利要求2所述的一种船舶室内精准定位系统，其特征在于，所述存储模块为FLASH存储模块，所述FLASH存储模块与所述微处理器通过SPI串行外设接口进行数据传输。

5.根据权利要求1所述的一种船舶室内精准定位系统，其特征在于，所述定位UWB标签使用锂电池供电。

6.根据权利要求1所述的一种船舶室内精准定位系统，其特征在于，所述UWB微基站为若干个固定UWB微基站或若干个可移动UWB微基站。

7.一种船舶室内精准定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S3定位服务器对接收的数据进行处理并得出定位结果。

8.根据权利要求7所述的一种船舶室内精准定位方法，其特征在于，S3中定位服务器以UWB微基站为中心，以范围值为半径，绘制圆，各个以UWB微基站为中心的圆的交点则是定位点的位置，船舶室内定位UWB标签位置的非线性观测方程由以下公式得出：

然后，

在公式(1)和(2)中，i为UWB微基站的数量，ρ_U为超宽频观察距离；(X_i，Y_i，Z_i)是UWB微基站的坐标，(X，Y，Z)是可移动的UWB微基站的坐标，α和β是比例误差和固定误差；ρ_UB是误差校正后的实际距离值，可移动的UWB微基站的大致位置为(X₀，Y₀，Z₀)，在这个近似位置的泰勒级数扩展到线性形式为：

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9.根据权利要求7所述的一种船舶室内精准定位方法，其特征在于，S2中定位UWB标签发送信号时所选择的脉冲宽度，为经过仿真计算后得出的接收信号延迟性能良好的情况下的脉冲宽度。