CN109061559B - 一种uwb基站天线相位中心偏差建模与改正的研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种UWB基站天线相位中心偏差建模及改正的研究方法。天线相位中心偏差是由于接收天线的电气中心和几何中心不一致引起的，在高精度GNSS定位中，一般会考虑接收机天线相位中心误差的影响，并已有较为成熟的误差改正模型。但是在UWB定位解算中，天线相位中心偏差还没有被考虑进去。而如今UWB定位已达到5‑10厘米甚至更高的精度，天线相位中心偏差误差已成为制约其定位精度的一个重要因素。因此，本发明参考GNSS天线相位中心校正方法，提出了一种高度角相关的UWB天线相位偏差改正模型，以及一套完整的UWB天线相位中心偏差建模及误差改正方法。该方法在UWB定位解算中考虑了天线相位偏差的影响，并有效改正了该项误差，使UWB定位的数学模型更加严密，定位结果更加准确，提高了UWB的定位精度。

Description

一种UWB基站天线相位中心偏差建模与改正的研究方法

技术领域

本发明涉及超宽带(UWB：ultra-wide band)室内导航定位技术数据处理领域，尤其涉及一种用于UWB基站天线相位中心偏差校正方法。

背景技术

近年来，随着高精度室外导航定位技术如全球卫星导航系统(GNSS)的发展，其在军用与民用领域都得到了广泛应用。同时，室内环境下的高精度导航定位技术也成为了各大研究机构与企业的研究热点。与室外定位相比，室内环境的结构更为复杂，人员和障碍物更为密集，且没有稳定而普适的传感器体系。目前常用的室内定位技术包括超宽带(Ultra-wide band),射频识别(Radio-Frequency Identification，RFID)，红外线(Infrared-Ray，IR)，超声波(Ultrasound-Wave)，蓝牙以及无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)等技术。

其中，UWB技术是二十世纪中期美国军方开发的一种无线通信技术，21世纪初叶逐步开始转向民用用途。UWB技术具有定位精度高(可达10cm以内)、传输速率高(可达1Gbit/s)、空间容量大、功耗低、隐蔽性好、抗干扰能力强等特点。能够满足一些高精度室内定位场景的需求，如工业测量、军事训练、人员监管、大型场馆导航等领域。

UWB系统由定位基站和定位标签组成，其原理是通过测量信号由标签到基站间的传播时间测定标签位置。但是由于基站天线相位中心偏差的存在，其几何中心和电气中心并不一致，导致观测值中存在偏差。经测试，该项误差对传播时间的影响可达2ns左右，对距离观测值的影响达能够到几分米，在高精度UWB定位中其影响不可忽略。但是在现有的UWB定位算法研究中，并没有考虑该项误差的影响。

相比之下，GNSS导航定位中对天线相位中心误差的研究已较为成熟。由于不同类型的天线其相位中心误差不同，而同种天线对应不同频率信号的相位中心误差也不同，并且该类误差还与入射信号的角度与强度有关，因此，一般情况下天线相位中心误差很难通过差分的方式消除或减弱。而是事先对不同类型天线的相位中心偏差进行建模，再于定位过程中改正该项误差。近年来，GNSS天线相位中心改正模型不断精化，从相对模型发展到绝对模型，现已相当成熟。天线校正的精度可达0.2至0.4毫米。

发明内容

本发明的目的在于提供一种UWB基站天线相位中心偏差建模与改正方法，能够处理UWB室内导航定位等应用中基站天线相位中心偏差的问题。

本发明参考GNSS天线相位中心误差改正思想，结合UWB系统特点，提出了一种UWB天线相位中心误差建模与改正方法。首先，参考GNSS相位中心改正模型，假设UWB天线相位中心偏差与基站高度角有关。设计实验获取不同高度角下各基站观测值，研究确定UWB天线相位偏差的基本模型。再根据不同天线类型确定模型参数，在UWB定位解算过程中在观测值上改正该项误差。通过该方法对UWB天线相位中心偏差进行建模与改正，使UWB定位的数学模型更为严密，提高了UWB导航定位精度。

为了达到上述目的，本发明提供的方法技术方案为:

一种UWB基站天线相位中心偏差建模与改正方法，包括：

步骤L1：确定UWB基站天线相位中心偏差校正的基本模型；

步骤L2：查找所用UWB天线对应的模型参数，若已有该类型天线对应的参数，进入步骤L3；

否则，布设控制点，采集数据，计算步骤L1所述该类型UWB天线基本模型的模型参数；

步骤L3：计算初步定位结果，结合步骤L2所述天线相位偏差改正模型，改正各基站观测值中的天线相位偏差误差；

步骤L4：利用步骤L3所述经天线相位偏差改正后的观测值，求得最终定位结果。

步骤L5:判断L4所得定位结果是否满足精度需求，若是，输出该定位结果；

若否，将该结果作为初值迭代执行L3，L4直到得到满足精度要求的定位结果。

可选的，在上述一种UWB基站天线相位中心偏差建模及改正方法中，所述步骤L1包括：

认为UWB基站天线相位中心的偏差值与待测点和各个基站间的高度角有关；

认为UWB基站天线相位中心的偏差值是待测点和各个基站的高度角三角函数的线性函数。

不同类型的天线对应的天线相位中心偏差改正模型的参数不同。

可选的，在上述一种UWB基站天线相位中心偏差建模及改正方法中，所述步骤L2中模型参数得的计算包括：

在UWB覆盖环境中尽可能多的布设均匀分布的控制点；

在控制点上采集静态数据，计算各个控制点和基站之间的高度角；

最小二乘解算该天线相位中心偏差改正模型参数。

可选的，在上述一种UWB基站天线相位中心偏差建模及改正方法中，所述步骤L3包括：

根据初定位结果，计算标签与各基站的高度角代入天线相位中心偏差改正模型中，改正各基站观测值。

可选的，在上述一种UWB基站天线相位中心偏差建模及改正方法中，所述步骤L4包括：

利用步骤L3中改正后的观测值，求得经天线相位中心偏差改正后的定位结果。

综上所述，本发明参考GNSS天线相位中心偏差改正方法，设计实验对UWB基站天线相位中心偏差进行建模并改正。通过该项误差的改正，使UWB定位的数据模型更加严密，提高了UWB定位解算精度。

具体的，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

现有的UWB基站天线研究多针对电子通讯领域，包括基站天线的设计，数据通讯等，还没有关于UWB基站天线相位中心偏差方面的研究，而UWB定位算法中也没有将该项误差考虑进去。然而，该基站天线相位中心偏差对高精度UWB定位具有较大影响。因此，本发明参考GNSS天线相位偏差改正方法，提出了一种高度角相关的UWB天线相位偏差改正模，以及一套完整的UWB天线相位中心偏差建模及误差改正方法。该方法在UWB定位解算中考虑了天线相位偏差的影响，并有效改正了该项误差，使UWB定位的数学模型更加严密，定位结果更加准确，提高了UWB的定位精度。

附图说明

图1.基站与标签间的高度角

图2为本发明一优选实施例中的UWB基站天线相位中心偏差建模及改正方法流程示意图；

图3为图1中步骤S1具体流程示意图；

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参考图1，本发明一优选实施例中，一种UWB基站天线相位中心偏差建模及改正的研究方法中包括：

步骤S1：确定UWB基站天线相位中心偏差校正的基本模型；

具体的，参考图2，步骤S1包括：

步骤S11：分析UWB基站天线相位偏差的影响因素。查阅文献资料，参考GNSS天线相位偏差改正模型，首先假设UWB基站天线相位偏差与待测点和基站之间的高度角有关。

步骤S12：根据步骤S11的分析结论，设计实验，获取不同高度角上已知标签坐标的静态观测数据。

首先，假设共有n个基准基站，UWB定位的基本观测方程为：

其中，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站(i＝1,…,n)，

表示标签k收到的基站i的观测值。

为标签和基站之间的距离，

表示基站i的天线相位偏差，dt_k为标签的钟差，δt为同步控制装置的钟差，rⁱ为第i个基站到同步控制装置之间的时延量，

为观测噪声，c表示光速。

由于(1)中包含了标签的钟差，无法得到天线相位偏差的误差值，此时可做基站间差分，设基准基站为j,则差分方程为：

其中，差分算子

可以看出，通过基站间观测值做差，标签的钟差被消掉，基站的钟差之差可通过时间同步控制求得。此时，将标签坐标和基站坐标代入(2)，即可求得基站天线的相位偏差误差值。

步骤S13：可选的，结合(2)式，经大量数据的统计分析，可得到UWB基站天线相位中心偏差改正的基本模型：

其中，

是两个UWB基站的天线相位中心偏差之差，α、β分别为两基站对应的高度角，其示意图见图1，a、b为可选的模型参数，具体数值可根据不同天线类型选择。

步骤S2：获取指定天线类型的天线相位中心偏差改正参数。

首先在UWB覆盖环境中尽可能多的布设均匀分布的控制点，并采集静态数据。根据已知坐标求出高度角：

其中,基站坐标为(x_j,y_j,z_j),标签坐标为(xk,yk,zk)。将(3)代入(2)中用最小二乘平差求解模型参数，则观测方程为：

L＝Bs+ε (5)

其中L＝cR^ij-P^ij-cδt^ij,s＝[a b],B为系数矩阵，ε为残差向量。则平差求得天线相位中心偏差改正参数为：

可选的，可采用标签与基站距离、观测值信噪比等参数确定权阵P，本发明对此不做限制。

步骤S3：计算初步定位结果，改正各基站观测值。

采用泰勒级数展开法求解标签位置，本发明UWB标签定位算法不做要求。首先，忽略基站天线相位中心的影响，则UWB定位的观测方程(2)变为：

cR^ij＝P^ij+cδt^ij+∈^ij (7)

因此时仅考虑1个标签，为书写方便忽略下脚标。

将(7)中P^ij按泰勒级数展开,观测方程变为：

其中,

(x₀,y₀,z₀)为标签坐标初值，(δx,δy,δz)为标签坐标的改正数。

将观测方程写成矩阵形式：

l＝Aδ+ε,Q_ε (9)

式中,

δ=[δx δy δz]^T,ε＝[ε₁,…,ε_n]^T。

利用最小二乘平差，可解得坐标位置的改正数：

将改正后的初值再作为初值迭代，直到得到满足条件的位置解(x,y,z)。利用该坐标值求得各基站高度角的初值θ₀，代入天线相位中心改正模型中，求得天线相位中心改正的误差值。在观测值上改正该误差。

步骤S4：计算经天线相位偏差改正后的结果。

将步骤S3所述经天线相位偏差改正后的观测值代入(9),(10),求出经天线相位偏差改正后的定位结果。

步骤S5：判断定位结果是否满足精度要求。

若不满足，将S4所得定位结果作为初值代入S3中，重复步骤S3、S4,直到定位结果满足精度要求。

综上所述，本发明参考GNSS天线相位中心偏差改正方法，设计实验对UWB基站天线相位中心偏差进行建模并改正。通过该项误差的改正，使UWB定位的数据模型更加严密，提高了UWB定位解算精度。

具体的，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

现有的UWB基站天线研究多针对电子通讯领域，包括基站天线的设计，数据通讯等，还没有关于UWB基站天线相位中心偏差方面的研究，而UWB定位算法中也没有将该项误差考虑进去。然而，该基站天线相位中心偏差对高精度UWB定位具有较大影响。因此，本发明参考GNSS天线相位偏差改正方法，提出了一种高度角相关的UWB天线相位偏差改正模，以及一套完整的UWB天线相位中心偏差建模及误差改正方法。该方法在UWB定位解算中考虑了天线相位偏差的影响，并有效改正了该项误差，使UWB定位的数学模型更加严密，定位结果更加准确，提高了UWB的定位精度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种UWB基站天线相位中心偏差建模与改正的研究方法，其特征在于，包括：

步骤L1：确定UWB基站天线相位中心偏差校正的基本模型；

步骤L2：查找所用UWB天线对应的模型参数，若已有该类型天线对应的参数，进入步骤L3；

否则，布设控制点，采集数据，计算步骤L1所述该类型UWB天线基本模型的模型参数；

步骤L3：计算初步定位结果，结合步骤L2天线相位偏差改正模型，改正各基站观测值中的天线相位偏差误差；

步骤L4：利用步骤L3经天线相位偏差改正后的观测值，求得最终定位结果；

步骤L5:判断L4所得定位结果是否满足精度需求，若是，输出该定位结果；

若否，将该结果作为初值迭代执行L3，L4直到得到满足精度要求的定位结果；

其特征在于，所述步骤L1包括：

认为UWB基站天线相位中心的偏差值与待测点和各个基站间的高度角有关；

认为UWB基站天线相位中心的偏差值是待测点和各个基站的高度角三角函数的线性函数；

不同类型的天线对应的天线相位中心偏差改正模型的参数不同；

其特征在于，根据其分析结论，设计实验，获取不同高度角上已知标签坐标的静态观测数据，

首先，假设共有n个基准基站，UWB定位的基本观测方程为：

其中，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站(i＝1,…,n)，

表示标签k收到的基站i的观测值；

为标签和基站之间的距离，

表示基站i的天线相位偏差，dt_k为标签的钟差，δt为同步控制装置的钟差，rⁱ为第i个基站到同步控制装置之间的时延量，

为观测噪声，c表示光速；

由于(1)中包含了标签的钟差，无法得到天线相位偏差的误差值，此时可做基站间差分，设基准基站为j,则差分方程为：

其中，差分算子

可以看出，通过基站间观测值做差，标签的钟差被消掉，基站的钟差之差可通过时间同步控制求得；此时，将标签坐标和基站坐标代入(2)，即可求得基站天线的相位偏差误差值；

步骤S13：可选的，结合(2)式，经大量数据的统计分析，可得到UWB基站天线相位中心偏差改正的基本模型：

其中，

是两个UWB基站的天线相位中心偏差之差，α、β分别为两基站对应的高度角，a、b为可选的模型参数，具体数值可根据不同天线类型选择。

2.如权利要求1所述的一种UWB基站天线相位中心偏差建模与改正的研究方法，其特征在于，所述步骤L2中模型参数得的计算包括：

在UWB覆盖环境中尽可能多的布设均匀分布的控制点；

在控制点上采集静态数据，计算各个控制点和基站之间的高度角；

最小二乘解算该天线相位中心偏差改正模型参数。

3.如权利要求1所述的一种UWB基站天线相位中心偏差建模与改正的研究方法，其特征在于，所述步骤L3包括：

根据初定位结果，计算标签与各基站的高度角代入天线相位中心偏差改正模型中，改正各基站观测值。

4.如权利要求1所述的一种UWB基站天线相位中心偏差建模与改正的研究方法，其特征在于，所述步骤L4包括：

利用步骤L3中改正后的观测值，求得经天线相位中心偏差改正后的定位结果。

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