CN108872934B - 一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法 - Google Patents
一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108872934B CN108872934B CN201810353498.8A CN201810353498A CN108872934B CN 108872934 B CN108872934 B CN 108872934B CN 201810353498 A CN201810353498 A CN 201810353498A CN 108872934 B CN108872934 B CN 108872934B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- line
- sight
- indoor
- error
- coordinate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
- G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
- G01S5/06—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
- G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
- G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法,该方法应用于室内非视距环境下的目标定位,通过对非视距误差进行分析,将定位问题转化为一个非线性约束问题,并估计出非视距误差从而将非视距问题转化为视距问题,最后结合线性最小二乘估计,得到准确的三维坐标。本发明采用的三维定位技术,是当前室内定位领域的研究热点之一。在室内三维定位过程中,通过采用非视距误差抑制技术,能够有效降低多径传播及环境变化引起的影响,提高室内定位的精度。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域,具体涉及一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法。
背景技术
室内定位技术是指在室内环境中对目标位置进行精确定位,主要采用由无线通讯、基站定位等多种技术组成的一套室内位置定位体系,来实现人员、物体等在室内空间中的位置服务。常见的定位技术有基于Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波的定位技术。
室内定位的主要问题是面临复杂的信号传播环境,室内环境下有较多的障碍物,无线信号在传播的过程中,可能会产生反射、折射、多径效应等现象,十分不利于终端设备对无线信号信息的判断,因此,室内环境下的NLOS误差是影响定位精度的重要因素。在对室内物体进行定位时,对无线信号而言,常常是视距(Line OfSight,LOS)与非视距(Non LineOfSight,NLOS)混合的场景,而不是单一的LOS或者NLOS环境。在这种背景下,要获得对目标物体较高的定位精度,必须充分考虑到实际的复杂环境。
在目前室内定位技术的研究中,已有很多针对二维定位技术的研究成果,然而随着室内定位技术应用领域的不断拓宽,在许多场景下,二维定位技术已经难以满足定位要求,很多情况下需要有效的三维空间定位技术的支持,因而对室内三维定位问题的研究更加具有实际意义及应用前景。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,提供一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法,通过将定位问题转化为一个非线性约束问题,从而估计出非视距误差,再结合线性最小二乘估计,实现对目标的定位。
技术方案:为实现上述目的,本发明提供一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法,包括如下步骤:
1)先进行无线信号到达时间的测量,根据各锚节点的坐标Xi=[xi yi]T,i=1,2,...,N,测得相应的信号到达时间ti,i=1,2,..,N,从而得到每个锚节点到未知节点的测量距离di=cti,i=1,2,..,N;
进一步地,所述步骤1中测得未知节点到每个锚节点的信号到达时间ti,i=1,2,..,N,从而得到N个测量距离
di=ri+bi+ni=cti,i=1,2,..,N
进一步地,所述步骤2中将上式写成矢量形式如下
D=H(X)+B+V
其中
以X0作为泰勒展开式的初始参考点,假设H0是H(X)在X0处的雅克比矩阵,并且忽略高阶项可以得到
H(X)≈H(X0)+H0(X-X0)
假设非视距误差不存在,可以得到未知节点坐标的无偏估计
进一步地,所述步骤3中先求出三维情况下误差所能取得的最大值,作为此时非视距误差的上界ui,i=1,2,...,N,根据构造的目标函数及其约束条件min J(B)=BTSTQ-1SB-2ZTSTB
进一步地,所述步骤5中忽略测距过程中高斯噪声ni和非视距误差bi的影响,那么以N个锚节点和其对应测量距离构成的圆不会相交于一点,从而有以下N个不一致的等式
线性最小二乘算法的基本原理是把上述的非线性等式转化为线性等式。通过选择第m个等式作为参考并与剩下的N-1个等式相减,可以得到线性等式如下
其中
采用最小二乘法得到未知节点位置坐标估计的闭式解如下
本发明在室内定位过程中,通过采用三维定位技术并结合非视距误差抑制方法,能够较为准确地估计出非视距误差,从而将NLOS问题转化为LOS问题,有效降低多径传播及环境变化引起的误差的影响,提高室内定位的精度。
利用非视距误差抑制技术解决室内环境下的三维定位问题,通过对非视距误差进行准确的估计,可将非视距问题转化为视距问题再进行处理,可以有效提高室内定位的精度,减小定位误差。
有益效果:本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1、本发明采用了非视距误差抑制技术,并充分利用锚节点的坐标残差信息对测距结果进行校正,可以降低定位过程中非视距误差的影响。
2、本发明采用基于到达时间的定位技术,可以有效提高定位过程中的测距精度。
3、本发明构建了三维空间下以非视距误差为研究对象的目标函数及约束条件,对非视距误差进行了准确的分析和估计,能够有效地降低非视距误差的影响,增强定位效果。
4、本发明采用线性最小二乘算法对校正的测距信息进行处理,能够有效提高定位精度,同时降低定位过程中的计算量,达到较好的定位效果。
附图说明
图1为混合视距/非视距环境下的室内三维定位场景示意图;
图2为基于非视距误差抑制的室内三维定位算法流程图;
图3为三维情况下非视距误差的上界示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1和图2所示,本发明提供一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法,包括如下步骤:
1)先进行无线信号到达时间的测量,根据各锚节点的坐标Xi=[xi yi]T,i=1,2,...,N,测得相应的信号到达时间ti,i=1,2,..,N,从而得到每个锚节点到未知节点的测量距离di=cti,i=1,2,..,N,其具体包括:
测得未知节点到每个锚节点的信号到达时间ti,i=1,2,..,N,从而得到N个测量距离
di=ri+bi+ni=cti,i=1,2,..,N (1)
将公式(1)写成矢量形式如下
D=H(X)+B+V
其中
以X0作为泰勒展开式的初始参考点,假设H0是H(X)在X0处的雅克比矩阵,并且忽略高阶项可以得到
H(X)≈H(X0)+H0(X-X0)
假设非视距误差不存在,可以得到未知节点坐标的无偏估计
先求出三维情况下误差所能取得的最大值,作为此时非视距误差的上界。如图3所示,X代表未知节点的实际位置,T为分别以锚节点i、j、k为球心的三个球的相交区域,曲面L为T与球Oi的球面重合的部分,di为Oi到未知节点的测量距离,PQ为球Oi的半径与T相交得到的最长的线段,假设Q位于曲面L上,P为T表面上一点,则lPQ为非视距误差所能取得的最大值。令ui,j,k=lPQ,对于第i个锚节点,其非视距误差的上界为ui,j,k,因此可构造的目标函数及其约束条件如下
min J(B)=BTSTQ-1SB-2ZTSTB
忽略测距过程中高斯噪声ni和非视距误差bi的影响,那么以N个锚节点和其对应测量距离构成的圆不会相交于一点,从而有以下N个不一致的等式
线性最小二乘算法的基本原理是把上述的非线性等式转化为线性等式。通过选择第m个等式作为参考并与剩下的N-1个等式相减,可以得到线性等式如下
其中
采用最小二乘法得到未知节点位置坐标估计的闭式解如下
Claims (5)
1.一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)先进行无线信号到达时间的测量,根据各锚节点的坐标Xi=[xi yi]T,i=1,2,...,N,测得相应的信号到达时间ti,i=1,2,..,N,从而得到每个锚节点到未知节点的测量距离di=cti,i=1,2,..,N;
所述步骤1中测得未知节点到每个锚节点的信号到达时间ti,i=1,2,..,N,从而得到N个测量距离
di=ri+bi+ni=cti,i=1,2,..,N
所述步骤2中求得无偏估计的具体方法为:定义D=[d1,d2,...,dN]T为测量距离的矢量形式,H(X)=[h1(X),h2(X),...,hN(X)]T为各锚节点到未知节点的实际距离,未知节点坐标的无偏估计
5.根据权利要求1~4任一项所述的一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法,其特征在于:所述方法应用于室内非视距环境下的三维定位。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810353498.8A CN108872934B (zh) | 2018-04-19 | 2018-04-19 | 一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810353498.8A CN108872934B (zh) | 2018-04-19 | 2018-04-19 | 一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108872934A CN108872934A (zh) | 2018-11-23 |
CN108872934B true CN108872934B (zh) | 2022-05-17 |
Family
ID=64327079
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810353498.8A Active CN108872934B (zh) | 2018-04-19 | 2018-04-19 | 一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108872934B (zh) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110007264B (zh) * | 2019-04-19 | 2021-09-21 | 中国矿业大学(北京) | 一种矿井人员精确定位非视距误差判定方法 |
CN110673089B (zh) * | 2019-08-23 | 2021-06-15 | 宁波大学 | 未知视距和非视距分布情况下基于到达时间的定位方法 |
CN110850366B (zh) * | 2019-10-31 | 2021-07-16 | 宁波大学 | 混合视距和非视距环境下基于接收信号强度的定位方法 |
CN112394320B (zh) * | 2020-04-26 | 2023-06-23 | 南京邮电大学 | 基于支持向量机的室内高精度质心定位方法 |
CN113804181B (zh) * | 2021-09-14 | 2024-02-02 | 吉林大学 | 一种利用锚点高维空间坐标信息的非视距识别及定位方法 |
CN116582818A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-08-11 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于uwb测距的非视距效应补偿室内定位方法 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1752785A2 (en) * | 2005-07-14 | 2007-02-14 | Seiko Epson Corporation | Terminal device for position calculation based on satellite signals and corresponding control method and program |
JP2009210582A (ja) * | 2008-03-04 | 2009-09-17 | Nec (China) Co Ltd | Toa(到達時刻)とrss(受信信号強度)の融合による適応型測位法、装置、およびシステム |
CN102064895A (zh) * | 2010-12-21 | 2011-05-18 | 西安电子科技大学 | Rssi与模式匹配相结合的无源定位方法 |
WO2015172458A1 (zh) * | 2014-05-14 | 2015-11-19 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种基于跳频技术的rssi定位方法 |
CN106102162A (zh) * | 2016-06-03 | 2016-11-09 | 南京邮电大学 | 一种用于无线传感器网络三维定位的迭代估计方法 |
CN106842121A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-06-13 | 宁波大学 | 视距与非视距混合环境中基于到达时间差的稳健定位方法 |
CN107271956A (zh) * | 2017-04-24 | 2017-10-20 | 宁波大学 | 非视距环境中未知起始时间的基于到达时间的定位方法 |
CN107517500A (zh) * | 2017-08-24 | 2017-12-26 | 哈尔滨工业大学(威海) | 一种基于最小误差传播的锚节点优化选择的三边测量定位方法 |
CN107817469A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-03-20 | 上海理工大学 | 基于非视距环境下超宽频测距实现室内定位方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20170123039A1 (en) * | 2015-10-29 | 2017-05-04 | Industrial Bank Of Korea | Ultra wideband (uwb)-based high precision positioning method and system |
-
2018
- 2018-04-19 CN CN201810353498.8A patent/CN108872934B/zh active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1752785A2 (en) * | 2005-07-14 | 2007-02-14 | Seiko Epson Corporation | Terminal device for position calculation based on satellite signals and corresponding control method and program |
JP2009210582A (ja) * | 2008-03-04 | 2009-09-17 | Nec (China) Co Ltd | Toa(到達時刻)とrss(受信信号強度)の融合による適応型測位法、装置、およびシステム |
CN102064895A (zh) * | 2010-12-21 | 2011-05-18 | 西安电子科技大学 | Rssi与模式匹配相结合的无源定位方法 |
WO2015172458A1 (zh) * | 2014-05-14 | 2015-11-19 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种基于跳频技术的rssi定位方法 |
CN106102162A (zh) * | 2016-06-03 | 2016-11-09 | 南京邮电大学 | 一种用于无线传感器网络三维定位的迭代估计方法 |
CN106842121A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-06-13 | 宁波大学 | 视距与非视距混合环境中基于到达时间差的稳健定位方法 |
CN107271956A (zh) * | 2017-04-24 | 2017-10-20 | 宁波大学 | 非视距环境中未知起始时间的基于到达时间的定位方法 |
CN107517500A (zh) * | 2017-08-24 | 2017-12-26 | 哈尔滨工业大学(威海) | 一种基于最小误差传播的锚节点优化选择的三边测量定位方法 |
CN107817469A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-03-20 | 上海理工大学 | 基于非视距环境下超宽频测距实现室内定位方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
"A linear combination based weighted least square approach for target localization with noisy range measurements";Wang C 等;《Signal Processing》;20141231;第202-211页 * |
"Hybrid TOA/RSSI Wireless Location with Unconstrained Nonlinear Optimization for Indoor UWB Channels";Chin-Der Wann 等;《2007 IEEE Wireless Communications and Networking Conference》;20071231;第3948-3843页 * |
"Robust NLOS error mitigation method for TOA-based localization via second order cone relaxation";ZHANG S 等;《IEEE Communications Letters》;20151231;第2210-2213页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108872934A (zh) | 2018-11-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108872934B (zh) | 一种基于非视距误差抑制的室内三维定位方法 | |
Yang et al. | A novel NLOS error compensation method based IMU for UWB indoor positioning system | |
Zhu et al. | Three-dimensional VLC positioning based on angle difference of arrival with arbitrary tilting angle of receiver | |
CN103402258B (zh) | 一种基于Wi‑Fi的室内定位系统和方法 | |
US9407317B2 (en) | Differential ultra-wideband indoor positioning method | |
CN108307301B (zh) | 基于rssi测距和轨迹相似性的室内定位方法 | |
CN108226860B (zh) | 基于rss的超宽带混合维定位方法及定位系统 | |
CN106793087B (zh) | 一种基于aoa和pdoa的阵列天线室内定位方法 | |
CN103476116B (zh) | 基于定位单元质量及多算法数据融合的抗NLoS误差定位方法 | |
CN108882149B (zh) | 距离相关概率的nlos补偿定位方法 | |
CN103167606B (zh) | 基于稀疏表示的wlan室内定位方法 | |
CN109613584B (zh) | 基于uwb的无人集卡的定位定向方法 | |
CN110636436A (zh) | 基于改进chan算法的三维uwb室内定位方法 | |
CN111722180A (zh) | 一种基于卡尔曼滤波的室内行人定位方法、装置及系统 | |
CN111157943A (zh) | 在异步网络中基于toa的传感器位置误差抑制方法 | |
CN113567925A (zh) | 一种基于超宽带技术的精准定位方法、系统、装置 | |
CN103596265A (zh) | 一种基于声音测距和移动向量的多用户室内定位方法 | |
CN109270489B (zh) | 基于uwb的nlos隧道环境下的实时连续定位方法 | |
Megalou et al. | Passive UHF-RFID hyperbolic positioning of moving tags by exploiting neural networks | |
Chóliz et al. | Evaluation of algorithms for UWB indoor tracking | |
CN116170744A (zh) | 一种基于超宽带的室内跨区域盲点定位方法和系统 | |
Ling et al. | UWB-based real-time continuous positioning system in NLOS tunnel environment | |
CN110213719A (zh) | 一种基于uwb的室内定位方法 | |
Landolsi et al. | TOAI/AOA/RSS maximum likelihood data fusion for efficient localization in wireless networks | |
CN109613477A (zh) | 一种复杂环境下的tdoa定位追踪方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |