CN110248310A - 一种基于多路径建模的室内定位tdoa处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多路径建模的室内定位TDOA处理方法，采用多路径误差建模实现对到达时间差伪距进行优化的方法，以消除多路径造成的部分误差，进一步提升定位精度。由于本发明主要基于软件形式实现，可以在现有的硬件设备基础上进行软件优化，无需额外铺设大量的硬件设备或对现有硬件设备做出更改，因此易于推广，在室内高精度定位应用环境中具有较大优势和商业前景。

Description

一种基于多路径建模的室内定位TDOA处理方法
技术领域
本发明涉及定位导航技术领域，尤其是一种基于多路径建模的室内定位TDOA处理方法。
背景技术
随着信息化时代不断深入，智能手机与互联网已无处不在，定位导航，商品搜索，媒体社交都离不开位置感知服务。而由于信息化时代无线定位技术的快速发展，室外卫星导航技术可以精确到毫米级别的定位精度，人们在室外，无论是驾车还是路上行走或是搜索位置，都能快速精确的找到，极大的方便了人们的日常生活，当然也带动了各行各业的蓬勃发展。但随着数据业务的不断深入，人们对定位的需求迫切增加，由早期的室外定位渐渐转向复杂的室内环境中，然而目前最广泛和成功的GPS定位技术虽然室外定位精度很高，但是由于GPS信号到达地面较弱且无法穿透建筑物等因素，导致无法对室内进行精确定位，故引起了室内定位技术的发展。
基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)的室内定位技术由于引入差分这一关键技术，能够实现精准的时间同步从而提高定位精度，因此在商业定位中被广泛应用。然而室内环境存在较为严重的多路径因素影响，导致基于时间信息的TDOA观测值存在由多路径导致的一定误差，在现有的技术方法中，多路径误差的抑制与消除一直是一项难题。基于多路径效应呈空间域重复性这一理论，进行多路径先验数据的研究，通过该模型对TDOA观测值进行优化得到更准确的定位结果。
发明内容
本发明针对现有室内定位对多径效应误差量抑制的不足，利用多路径的空间域重复性理论设计了一种基于多路径建模的室内定位TDOA处理方法，采用多路径误差建模实现对到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)伪距进行优化的方法，以消除多路径造成的部分误差，进一步提升定位精度。由于本方法主要基于软件形式实现，可以在现有的硬件设备基础上进行软件优化，无需额外铺设大量的硬件设备或对现有硬件设备做出更改，因此易于推广，在室内高精度定位应用环境中具有较大优势和商业前景。
本发明的目的是这样实现的：首先对待定位区域以合适的分辨率进行网格划分，对每个格点进行TDOA值的采集，通过与格点TDOA真实值的计算得到每个格点的多路径误差值，将该数据于本地服务器存储建模。实际定位时通过室内定位算法解算出一个初始坐标，通过多路径模型，利用插值的方法得到该点对应的多路径误差值在TDOA伪距中事先扣除，用更新的TDOA伪距再次通过X算法求出新的坐标，通过多路径模型又得到新的多路径误差值，如此往复直至收敛得到最终的精确坐标，具体包括以下步骤：
步骤1：对待定位区域进行二维平面的矩形网格划分，对每个格点放置标签进行预先观测，多组数据统计平均求出每个格点的多路径误差值存储建模
a、设TDOA定位的主基站(在一套TDOA定位系统中唯一)为A0，从基站为Ai(i＝1,2,……)，TDOA方式下得到的基于差分的伪距值能够消除移动端和固定端间的时间同步误差这一误差来源；因此，格点Gj(j＝1,2,…,N)到主基站A0与从基站Ai间的TDOA值表示为如下式：
其中为真实到达时间差，为硬件延迟误差，为多路径误差；对每个格点Gj都列出i个对应各从基站Ai的TDOA表达式；将(1)式乘以信号传播速度表示为的伪距形式
其中c为标签发射信号的传播速度；为格点Gj到主基站A0与从基站Ai间的欧式距离差为真实值；
b、各格点与基站的实际坐标已知，因此已知，为观测值，则可以求得数值并称之为总误差量将所有布局格点对应的从基站的总误差量求取均值：
c、对应同一基站Ai的不同格点的硬件延迟误差是一样的，所以(3)式实则将每个格点的多路径误差求取平均值作为多路径延迟的空间均值，与硬件延迟相加得到的标定为总硬件延迟事先从TDOA观测值中扣除，而多路径延迟的剩余部分称为多路径延迟变动部分标定为每个格点Gj的多路径误差值，与对应格点的真实坐标一同存储于本地服务器中；
步骤2：实际定位标签时，通过多路径模型取出多路径补偿值于TDOA伪距中扣除
a、通过上位机设备得到待测标签T所在位置的TDOA伪距，将(2)式进行变换得：
其中等同于(3)式中的为总硬件延迟，在TDOA伪距中事先扣除，随后将消除了硬件延迟的伪距先带入基于TDOA的室内定位算法中进行解算，得到一个初始二维解算坐标T0(x0,y0)；
b、此时调用多路径模型，找到与T0坐标临近的四个格点(设为G1,G2,G3,G4)，利用双线性内插的数学方法求得T0点的多路径误差值代入(4)式扣除，得到更为精确的TDOA伪距值
步骤3：将扣除多路径误差的TDOA伪距值再次代入室内定位算法进行计算，解算出更新后的坐标，往复迭代直至收敛
a、将再次代入室内定位算法，解算出新的坐标T1(x1,y1)，调用多路径模型，找到与T1坐标临近的四个格点，利用双线性内插法求得得出对应T1的以及将再次代入室内定位算法，如此迭代可结算出T3、T4…直至解算坐标Tn与Tn-1间的误差收敛并小于预设的阈值，此时得到待测标签T的最终解算坐标Tn。
本发明利用误差的先验信息构造多路径模型，通过迭代补偿的方式优化TDOA测量值，使得解算的定位坐标更加准确。本发明主要基于软件形式实现，可以在现有的硬件设备基础上进行软件优化，无需额外铺设大量的硬件设备或对现有硬件设备做出更改，因此易于推广，在室内高精度定位应用环境中具有较大优势和商业前景。
附图说明
图1为本发明架构的定位系统示意图；
图2为多路径模型的二维网格布局示意图；
图3为利用多路径建模对TDOA补偿后的定位结果示意图。
具体实施方式
实施例
本实施例基于一个主时钟基站31和多个从基站32组成的定位基站3与标签4、交换机2和后台服务器1架构的室内定位系统，如附图1所示。其中定位基站3通过光纤向后台服务器1回传数据并由POE(Power Over Ethernet)方式进行供电。交换机2用于将多个从基站32接收到的标签定位包和主时钟基站31的同步包发送至后台服务器1。后台服务器1承担基站同步、解析数据包、存储伪距改正值以及各从基站32信息和解算标签4位置等功能。标签用于发送定位包，基站接收到定位包和主基站的同步包后经由交换机发送至后台服务器。后台服务器经过计算通过到达时间差计算移动标签到各基站与主基站距离的差(即TDOA伪距值)。选取室内一块4.8m*3.6m的待测区域，基站高度均为2.9m，首先在待测量区域以0.8m*0.6m的分辨率(即网格大小)建立网格布局，如附图2所示,采集高度为0.85m。对每个格点位置进行多组TDOA伪距值的采集，计算后得到总硬件延迟以及多路径延迟变动部分将多路径延迟变动部分(即多路径误差值)与对应格点Gj的真实坐标一同建模存储于后台服务器中。测量待定位标签位置时，本实施例运用基于Chan和Taylor协同的定位算法(简称协同算法)作为室内定位算法，代入扣除总硬件延迟的TDOA伪距值于协同算法可以解算出初始坐标T0，利用双线性内插法从多路径模型中提取对应的多路径误差值从TDOA伪距值中扣除多路径误差后将值再次代入协同算法进行迭代计算得到更新坐标T1、T2、T3…坐标，以欧氏距离误差作为误差评估量当解算坐标Tn与Tn-1的误差收敛并小于预设的阈值(例中阈值设置为0.01cm)，此时得到待测标签T的最终解算坐标Tn。
实验结果如图3所示，实验次数为50次，多路径补偿前的定位均方根误差在11.1cm，多路径建模补偿后的TDOA解算结果均方根误差在7.7cm，精度提升约3.5cm。可见本发明的基于多路径建模的室内定位伪距处理方法能够使得TDOA伪距更加精确，利用处理后的TDOA伪距进行定位解算能在原有定位算法的精度之上有所提高。
以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本发明，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种基于多路径建模的室内定位TDOA处理方法，其特征在于，对待定位区域的多路径误差值进行预先建模，实际定位时调用模型取出对应的多路径误差进行TDOA补偿，使得TDOA值更加精确，增加定位精度，具体步骤如下：
步骤1：对待定位区域进行二维平面的矩形网格划分，对每个格点放置标签进行预先观测，多组数据统计平均求出每个格点的多路径误差值存储建模
a、设TDOA定位的主基站为A0，从基站为Ai(i＝1,2,……)，TDOA方式下得到的基于差分的伪距值能够消除移动端和固定端间的时间同步误差这一误差来源；因此，格点Gj(j＝1,2,…,N)到主基站A0与从基站Ai间的TDOA值表示为如下式：
其中为真实到达时间差，为硬件延迟误差，为多路径误差；对每个格点Gj都列出i个对应各从基站Ai的TDOA表达式；将(1)式乘以信号传播速度表示为的伪距形式
其中c为标签发射信号的传播速度；为格点Gj到主基站A0与从基站Ai间的欧式距离差为真实值；
b、各格点与基站的实际坐标已知，因此已知，为观测值，则可以求得数值并称之为总误差量将所有布局格点对应的从基站的总误差量求取均值：
c、对应同一基站Ai的不同格点的硬件延迟误差是一样的，所以(3)式实则将每个格点的多路径误差求取平均值作为多路径延迟的空间均值，与硬件延迟相加得到的标定为总硬件延迟事先从TDOA观测值中扣除，而多路径延迟的剩余部分称为多路径延迟变动部分标定为每个格点Gj的多路径误差值，与对应格点的真实坐标一同存储于本地服务器中；
步骤2：实际定位标签时，通过多路径模型取出多路径补偿值于TDOA伪距中扣除
a、通过上位机设备得到待测标签T所在位置的TDOA伪距，将(2)式进行变换得：
其中等同于(3)式中的为总硬件延迟，在TDOA伪距中事先扣除，随后将消除了硬件延迟的伪距先带入基于TDOA的室内定位算法中进行解算，得到一个初始二维解算坐标T0(x0,y0)；
b、此时调用多路径模型，找到与T0坐标临近的四个格点(设为G1,G2,G3,G4)，利用双线性内插的数学方法求得T0点的多路径误差值代入(4)式扣除，得到更为精确的TDOA伪距值
步骤3：将扣除多路径误差的TDOA伪距值再次代入室内定位算法进行计算，解算出更新后的坐标，往复迭代直至收敛
a、将再次代入室内定位算法，解算出新的坐标T1(x1,y1)，调用多路径模型，找到与T1坐标临近的四个格点，利用双线性内插法求得得出对应T1的以及将再次代入室内定位算法，如此迭代结算出T3、T4…直至解算坐标Tn与Tn-1间的误差收敛并小于预设的阈值，此时得到待测标签T的最终解算坐标Tn。
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