CN108226861A - 超宽带定位穿墙自补偿方法及自补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超宽带定位穿墙自补偿方法及自补偿系统，所述超宽带定位穿墙自补偿方法包括：步骤1，进行定位基站同步时钟的穿墙静态补偿；步骤2，判断定位基站接收到的由定位标签发射的超宽带定位信号是否穿墙，并在判断超宽带定位信号穿墙时，进行超宽带定位信号动态补偿；步骤3，定位坐标解算；所述超宽带定位穿墙自补偿系统，包括地图数据构建单元、定位标签、定位基站、超宽带自补偿定位单元和终端显示单元，所述超宽带自补偿定位单元包括初次穿墙判断单元、二次穿墙判断单元、智能实时补偿单元和定位解算单元；本发明很好的解决了区域内墙体较多环境下，定位基站数目一定时，区域内人员及物品定位导航存在的难以实现及精度不高等问题。

Description

超宽带定位穿墙自补偿方法及自补偿系统

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，具体的说，涉及了一种超宽带定位穿墙自补偿方法及自补偿系统。

背景技术

随着无线通信网络技术的不断发展，针对人员、物品的精准位置信息服务已在多个行业领域得到了广泛应用，但在区域内复杂环境下，现有的多种无线定位系统存在以下缺点，更为重要的是缺少自穿墙补偿的方法和系统：

(1)区域内定位导航精度低，现有WiFi、蓝牙、zigbee等定位技术，但定位精度一般在3米以上；

(2)区域内定位导航抗干扰能力差，现有WiFi、蓝牙、zigbee等定位技术，区域内定位导航系统都是采用信号强度来定位，容易受到外界无线电波的干扰，系统稳定性较差；

(3)难以判断何时需要补偿，何时不需要补偿，以及是补偿定位基站的时钟延迟和定位标签的定位延迟，还是两者分开单一补偿。

(4)穿墙自补偿定位系统及方法尚属空白，而且现有的穿墙补偿系统和方法还大多停留在实验室阶段不能满足社会需求。

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穿墙自补偿方法及自补偿系统，很好的解决了区域内墙体较多环境下，定位基站数目一定时，区域内人员及物品定位导航存在的难以实现以及精度不高等问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超宽带定位穿墙自补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，进行定位基站同步时钟的穿墙静态补偿；

步骤2，判断定位基站接收到的由定位标签发射的超宽带定位信号是否穿墙，并在判断超宽带定位信号穿墙时，进行超宽带定位信号穿墙动态补偿；

步骤3，定位坐标解算。

基于上述，所述步骤1中，进行定位基站同步时钟的穿墙静态补偿的具体步骤为：

步骤1.1，建立“空气-墙壁-空气”介质折射模型：

其中，T为发射基站，P为入射点，R为折射点，S为接收基站，TP为发射基站到入射点的距离，RS为折射点到接收基站的距离，c为光速，τ为时延，ε_r为墙壁相对介电常数；

步骤1.2，根据两层介质折射点近似确定方法计算入射角的余弦值和折射角的余弦值；

根据两层介质折射点近似确定方法获得下述几何表达式：

根据工程中常用的折射近似方法可得：

由上述两式子可得：

其中，D为墙壁厚度，L/2为坐标原点到墙壁的距离，h为折射点到接收基站的垂直高度；a为发射基站到入射点的垂直高度；

根据式(4)和Snell折射定理可以得到入射角的余弦值和折射角的余弦值:

其中，θ₁为入射角，θ_R为折射角；

步骤1.3，根据“空气-墙壁-空气”介质折射模型、入射角的余弦值和折射角的余弦值计算时延：

步骤1.4，将接收到穿墙时钟信号减去步骤1.3获得的时延，即得到定位基站的静态时钟补偿。

基于上述，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1，根据TOA算法计算定位标签的多个坐标数据，并根据多个坐标数据判断定位标签的运动趋势和位置趋势，并根据定位标签的多个坐标数据和定位基站的坐标判断定位标签和定位基站的连线是否接近或穿越墙体，若是，则执行步骤2.2；

步骤2.2，计算定位基站接收到的超宽带信号的RSS数值；

步骤2.3，将定位基站接收到的超宽带信号的RSS数值分别与预设定位基站间时延的RSS最大值和最小值进行比较，根据比较结果判断超宽带信号是否穿墙；

步骤2.4，在超宽带信号穿墙时，则继续根据比较结果选择对应补偿方法，若选择一般动态补偿，则执行步骤2.5，若选择中等动态补偿，则执行步骤2.6；

步骤2.5，令θ₁,θ_R均为0，即cosθ₁,cosθ_R均为1，并由定位基站布设初期测得的墙体厚度、墙壁相对介电常数ε_r和式(6)计算出时延τ的最小值τ_Min；

步骤2.6，令θ₁,θ_R均为0，即cosθ₁,cosθ_R均为1，并由定位基站布设初期测得的墙体厚度、墙壁相对介电常数ε_r和式(6)计算出时延τ的最大值τ_MAX。

基于上述，步骤3，定位坐标解算的具体步骤为：

将定位基站得到由定位标签发送的超宽带信号的时间戳信息转换为时间信息，减去动态时延τ后得到补偿时间戳信息，并进行定位坐标解算。

本发明还提供一种超宽带定位穿墙自补偿系统，包括地图数据构建单元、定位标签、定位基站、超宽带自补偿定位单元和终端显示单元，

所述地图数据构建单元，用于通过加载区域内的电子地图以及利用二维建模，构建区域内一维、二维地图场景；

所述定位标签用于向所述定位基站发射超宽带信号；

所述定位基站接收所述超宽带信号，记录所述超宽带信号的时间戳信息和RSS数据，并将所述超宽带信号的时间戳信息和RSS数据发送给所述超宽带自补偿定位单元；

所述超宽带自补偿定位单元用于根据所述超宽带信号的时间戳信息和RSS数据进行自补偿并输出所述定位标签的定位坐标数据；

所述终端显示单元，用于将地图数据和由所述宽带定位单元最终得出的定位坐标数据进行融合展示，实现面向用户的定位信息的呈现。

基于上述，所述地图数据构建单元包括一维地图单元、二维地图单元、地图数据缓存单元和地图模式切换单元，所述一维地图单元用于构建一维地图，所述二维地图单元用于构建二维地图，所述地图数据缓存单元用于实现地图数据的缓存服务，所述地图模式切换单元用于实现所述一维地图和所述二维地图的切换。

基于上述，所述超宽带自补偿定位单元包括初次穿墙判断单元、二次穿墙判断单元、智能实时补偿单元和定位解算单元，

所述初次穿墙判断单元，根据所述定位标签的历史坐标数据和所述定位基站的坐标数据判断所述定位标签所述定位基站的连线是否接近或穿越墙体；

所述二次穿墙判断单元，用于将所述定位基站接收到的超宽带信号的RSS数据与预设定位基站间时延的RSS最大值和最小值进行比较，并根据比较结果判断所述定位标签和所述定位基站之间是否有墙体阻挡；

所述智能实时补偿单元，根据所述RSS分析判断单元的判断结果，结合初始探测的墙体介电系数以及事先给出的补偿方程进行智能补偿，并将补偿数据送进所述定位解算单元；

所述定位解算单元，通过采用2次最小二乘估计解算出所述定位标签的坐标数据坐标。

基于上述，所述智能实时补偿单元包括穿墙静态补偿单元和穿墙动态补偿单元，所述穿墙静态补偿单元用于实现所述定位基站同步时钟的穿墙静态补偿，所述穿墙动态补偿单元用于根据所述RSS分析判断单元的判断结果实现所述超宽带定位信号的穿墙动态补偿。

基于上述，还包括系统联动单元，所述系统联动单元用于与外界设备进行联动通信。

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，本发明利用超宽带定位系统中的动静态穿墙补偿相结合的方法，经过RSS强度判断是否补偿并采用自动切换模式，实现了超宽带定位系统在复杂环境下的穿墙自补偿，并大幅提高了穿墙定位精度，解决目前墙体较多环境下、定位基站数目一定时，区域内人员及物品定位导航存在的难以实现以及精度不高等问题，为物联网基础信息位置感知开辟了复杂情况下的感知新途径。

附图说明

图1是本发明超宽带定位穿墙自补偿方法的流程示意图。

图2是本发明信号穿墙计算模型图。

图3是本发明超宽带定位穿墙自补偿系统的原理框架图。

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，本发明提供一种超宽带定位穿墙自补偿方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，进行定位基站同步时钟的穿墙静态补偿。

步骤1.1，建立“空气-墙壁-空气”介质折射模型：

其中，T为发射基站，P为入射点，R为折射点，S为接收基站，TP为发射基站到入射点的距离，RS为折射点到接收基站的距离，c为光速，τ为时延，ε_r为墙壁相对介电常数；

步骤1.2，根据两层介质折射点近似确定方法计算入射角的余弦值和折射角的余弦值；

根据两层介质折射点近似确定方法获得下述几何表达式：

根据工程中常用的折射近似方法可得：

由上述两式子可得：

其中，D为墙壁厚度，L为坐标原点到墙壁的距离，h为折射点到接收基站的垂直高度；a为发射基站到入射点的垂直高度；θ1为入射角，θR为折射角；

根据式(4)和Snell折射定理可以得到入射角的余弦值和折射角的余弦值:

其中，θ₁为入射角，θ_R为折射角；

步骤1.3，根据“空气-墙壁-空气”介质折射模型、入射角的余弦值和折射角的余弦值计算时延τ：

步骤1.4，将接收到穿墙时钟信号减去步骤1.3获得的时延τ，即得到定位基站的静态时钟补偿。

步骤2，判断定位基站接收到的由定位标签发射的超宽带定位信号是否穿墙，并在判断超宽带定位信号穿墙时，进行超宽带定位信号动态补偿；

步骤2.1，根据TOA算法计算定位标签的多个坐标数据，并根据多个坐标数据判断定位标签的运动趋势和位置趋势，并根据定位标签的多个坐标数据和定位基站的坐标判断定位标签和定位基站的连线是否接近或穿越墙体，若是，则执行步骤2.2；

步骤2.2，计算定位基站接收到的RSS数值；

RSS数值的算法为：

其中，RSS_d是距离为d的节点间的信号强度；RSS_d0是参考距离d0处的强度，为事先给定的；η为路径损耗指数，用于衡量RSS信号强度的衰减速率；X_noise是方差为σ²的高斯白噪声；η和σ²与环境密切相关；

具体的，标准差σ是衡量统计分布特性的指标，σ值越大，定位基站接收到的信号波动性越大；当σ值较小时,说明此时RSS信号强度稳定，干扰很小即X_noise数值很小，否则不能作为参考依据需要重新采集，一般情况时σ值较小，为了简化计算，进行近似计算如下所示：

步骤2.3，将定位基站接收到的RSS数值分别与预设定位基站间时延的RSS最大值RSS_MAX和最小值RSS_MIN进行比较，判断是否穿墙；

穿墙；

未穿墙

步骤2.4，在穿墙时，进一步判断进行一般动态补偿或中等动态补偿，若为一般动态补偿，则执行步骤2.5，若为中等动态补偿，则执行步骤2.6；

采用中等动态补偿；

采用一般动态补偿；

步骤2.5，令θ₁,θ_R均为0，即cosθ₁,cosθ_R均为1，并由定位基站布设初期测得的墙体厚度、墙壁相对介电常数和式(6)计算出时延τ的最小值τ_MIN，将接收到穿墙时钟信号减去时延τ的最小值τ_MIN，即得到超宽带定位信号一般动态补偿；

步骤2.6，令θ₁,θ_R均为0，即cosθ₁,cosθ_R均为1，并由定位基站布设初期测得的墙体厚度、墙壁相对介电常数和式(6)计算出时延τ的最大值τ_MAX，其中，τ_MAX≈2τ_MIN，将接收到穿墙时钟信号减去时延τ的最大值τ_MAX，即得到超宽带定位信号的中等动态补偿。

步骤3，定位坐标解算；

将定位基站得到定位标签发送过来的时间戳信息转换为时间信息，减去动态时延τ就可以进行定位解算，通过数据调整，并进行2次最小二乘估计解算出定位标签坐标。

如图2所示，本发明还提供一种超宽带定位穿墙自补偿系统，包括地图数据构建单元、定位标签、定位基站、超宽带自补偿定位单元和终端显示单元，

所述地图数据构建单元，用于通过加载区域内的电子地图以及利用二维建模，构建区域内一维、二维地图场景；

所述定位标签用于向所述定位基站发射超宽带信号；优选的，在实际应用中，人员以及物品均佩带或安装上所述定位标签，并且所述定位标签采用0.1Hz～100Hz的刷新速率；

所述定位基站接收所述超宽带信号，记录所述超宽带信号的时间戳信息和RSS数据，并将所述超宽带信号的时间戳信息和RSS数据发送给所述超宽带自补偿定位单元；

所述超宽带自补偿定位单元用于根据所述超宽带信号的时间戳信息和RSS数据进行自补偿并输出所述定位标签的定位坐标数据；

所述终端显示单元，用于将地图数据和由所述宽带定位单元最终得出的定位坐标数据进行融合展示，实现面向用户的定位信息的呈现。

具体的，所述地图数据构建单元包括一维地图单元、二维地图单元、地图数据缓存单元和地图模式切换单元，所述一维地图单元用于构建一维地图，所述二维地图单元用于构建二维地图，所述地图数据缓存单元用于实现地图数据的缓存服务，所述地图模式切换单元用于实现所述一维地图和所述二维地图的切换。具体的，构建区域内地图的方法为采用全站仪、激光测距器、三维激光扫描等方法进行前期的数据扫描，并利用CAD进行一维定位区域和二维定位区域内的数据地图构建，并和室外大地图绝对坐标对接，实现采用鼠标滚轮放大缩小，左键拖动，全面满足待定位区域内地图需求功能。

具体的，所述超宽带自补偿定位单元包括初次穿墙判断单元、二次穿墙判断单元、智能实时补偿单元和定位解算单元，

所述初次穿墙判断单元，根据所述定位标签的历史坐标数据和所述定位基站的坐标数据判断所述定位标签所述定位基站的连线是否接近或穿越墙体；

所述二次穿墙判断单元，用于将所述定位基站接收到的超宽带信号的RSS数据与预设定位基站间时延的RSS最大值和最小值进行比较，并根据比较结果判断所述定位标签和所述定位基站之间是否有墙体阻挡；

所述智能实时补偿单元，根据所述RSS分析判断单元的判断结果，结合初始探测的墙体介电系数以及事先给出的补偿方程进行智能补偿，并将补偿数据送进所述定位解算单元；

所述定位解算单元，通过采用2次最小二乘估计解算出所述定位标签的坐标数据坐标。

具体的，所述智能实时补偿单元包括穿墙静态补偿单元和穿墙动态补偿单元，所述穿墙静态补偿单元用于实现所述定位基站同步时钟的穿墙静态补偿，所述穿墙动态补偿单元用于根据所述RSS分析判断单元的判断结果实现所述超宽带定位信号的穿墙动态补偿。

具体的，所述宽带定位穿墙自补偿系统还包括系统联动单元，所述系统联动单元用于与外界设备进行联动通信，如通过电子围栏进行的自动视频监控、自动闯入报警等。

在使用本自补偿系统时，首先进行全局时钟同步，在安装好的定位区域内选取一个定位基站为主基站，一般在区域内中间区域选择，选好后由主基站向周围定位基站分级同步，直到实现全局时钟全部同步。

本发明利用超宽带定位系统中的动静态穿墙补偿相结合的方法，经过RSS强度判断是否补偿并采用自动切换模式，实现了超宽带定位系统在复杂环境下的穿墙自补偿，并大幅提高了穿墙定位精度，解决目前墙体较多环境下、定位基站数目一定时，区域内人员及物品定位导航存在的难以实现以及精度不高等问题，为物联网基础信息位置感知开辟了复杂情况下的感知新途径。

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，所述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 (9)

1.一种超宽带定位穿墙自补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，进行定位基站同步时钟的穿墙静态补偿；

步骤2，判断定位基站接收到的由定位标签发射的超宽带定位信号是否穿墙，并在判断超宽带定位信号穿墙时，进行超宽带定位信号穿墙动态补偿；

步骤3，定位坐标解算。

2.根据权利要求1所述的超宽带定位穿墙自补偿方法，其特征在于，所述步骤1中，进行定位基站同步时钟的穿墙静态补偿的具体步骤为：

步骤1.1，建立“空气-墙壁-空气”介质折射模型：

其中，T为发射基站，P为入射点，R为折射点，S为接收基站，TP为发射基站到入射点的距离，RS为折射点到接收基站的距离，c为光速，τ为时延，ε_r为墙壁相对介电常数；

步骤1.2，根据两层介质折射点近似确定方法计算入射角的余弦值和折射角的余弦值；

根据两层介质折射点近似确定方法获得下述几何表达式：

根据工程中常用的折射近似方法可得：

由上述两式子可得：

其中，D为墙壁厚度，L/2为坐标原点到墙壁的距离，h为折射点到接收基站的垂直高度；a为发射基站到入射点的垂直高度；

根据式(4)和Snell折射定理可以得到入射角的余弦值和折射角的余弦值:

其中，θ₁为入射角，θ_R为折射角；

步骤1.3，根据“空气-墙壁-空气”介质折射模型、入射角的余弦值和折射角的余弦值计算时延：

步骤1.4，将接收到穿墙时钟信号减去步骤1.3获得的时延，即得到定位基站的静态时钟补偿。

3.根据权利要求1所述的超宽带定位穿墙自补偿方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1，根据TOA算法计算定位标签的多个坐标数据以判断定位标签的运动趋势和位置趋势，并根据定位标签的多个坐标数据和定位基站的坐标数据判断定位标签和定位基站的连线是否接近或穿越墙体，若是，则执行步骤2.2；

步骤2.2，计算定位基站接收到的超宽带信号的RSS数值；

步骤2.3，将定位基站接收到的超宽带信号的RSS数值分别与预设定位基站间时延的RSS最大值和最小值进行比较，根据比较结果判断超宽带信号是否穿墙；

步骤2.4，在超宽带信号穿墙时，则继续根据比较结果选择对应补偿方法，若选择一般动态补偿，则执行步骤2.5，若选择中等动态补偿，则执行步骤2.6；

步骤2.5，令θ₁,θ_R均为0，即cosθ₁,cosθ_R均为1，并由定位基站布设初期测得的墙体厚度、墙壁相对介电常数ε_r和式(6)计算出时延τ的最小值τ_Min；

步骤2.6，令θ₁,θ_R均为0，即cosθ₁,cosθ_R均为1，并由定位基站布设初期测得的墙体厚度、墙壁相对介电常数ε_r和式(6)计算出时延τ的最大值τ_MAX。

4.根据权利要求1所述的超宽带定位穿墙自补偿方法，其特征在于，步骤3，定位坐标解算的具体步骤为：

将定位基站得到由定位标签发送的超宽带信号的时间戳信息转换为时间信息，减去动态时延τ后得到自补偿时间戳信息，并进行定位坐标解算。

5.一种超宽带定位穿墙自补偿系统，其特征在于：包括地图数据构建单元、定位标签、定位基站、超宽带自补偿定位单元和终端显示单元，

所述地图数据构建单元，用于通过加载区域内的电子地图以及利用二维建模，构建区域内一维、二维地图场景；

所述定位标签用于向所述定位基站发射超宽带信号；

所述定位基站接收所述超宽带信号，记录所述超宽带信号的时间戳信息和RSS数据，并将所述超宽带信号的时间戳信息和RSS数据发送给所述超宽带自补偿定位单元；

所述超宽带自补偿定位单元用于根据所述超宽带信号的时间戳信息和RSS数据进行自补偿并输出所述定位标签的定位坐标数据；

所述终端显示单元，用于将地图数据和由所述宽带定位单元最终得出的定位坐标数据进行融合展示，实现面向用户的定位信息的呈现。

6.根据权利要求5所述的超宽带定位穿墙自补偿系统，其特征在于：所述地图数据构建单元包括一维地图单元、二维地图单元、地图数据缓存单元和地图模式切换单元，所述一维地图单元用于构建一维地图，所述二维地图单元用于构建二维地图，所述地图数据缓存单元用于实现地图数据的缓存服务，所述地图模式切换单元用于实现所述一维地图和所述二维地图的切换。

7.根据权利要求5所述的超宽带定位穿墙自补偿系统，其特征在于，所述超宽带自补偿定位单元包括初次穿墙判断单元、二次穿墙判断单元、智能实时补偿单元和定位解算单元，

所述初次穿墙判断单元，根据所述定位标签的历史坐标数据和所述定位基站的坐标数据判断所述定位标签所述定位基站的连线是否接近或穿越墙体；

所述二次穿墙判断单元，用于将所述定位基站接收到的超宽带信号的RSS数据与预设定位基站间时延的RSS最大值和最小值进行比较，并根据比较结果判断所述定位标签和所述定位基站之间是否有墙体阻挡；

所述智能实时补偿单元，根据所述RSS分析判断单元的判断结果，结合初始探测的墙体的介电系数以及事先给出的补偿方程进行智能补偿，并将补偿数据送进所述定位解算单元；

所述定位解算单元，通过采用2次最小二乘估计解算出所述定位标签的坐标数据坐标。

8.根据权利要求7所述的超宽带定位穿墙自补偿系统，其特征在于：所述智能实时补偿单元包括穿墙静态补偿单元和穿墙动态补偿单元，所述穿墙静态补偿单元用于实现所述定位基站同步时钟的穿墙静态补偿，所述穿墙动态补偿单元用于根据所述RSS分析判断单元的判断结果实现所述超宽带定位信号的穿墙动态补偿。

9.根据权利要求5所述的超宽带定位穿墙自补偿系统，其特征在于：还包括系统联动单元，所述系统联动单元用于与外界设备进行联动通信。