CN110376627A - 一种复杂环境中自适应的绝对定位方法及定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂环境中自适应的绝对定位方法及定位系统，方法包括：在包含复杂环境的一定范围面积内抛洒含有无线收发模块和GPS定位模块的辅助定位装置，将能够确定GPS定位信息的辅助定位装置确定为基站节点，其余作为标签节点；采用TOA测距方法在基站节点和标签节点之间相互测距，建立测距方程；结合全质心法和最小二乘法对得到的测距方程进行优化，解算出所有标签节点的具体位置，组成节点定位网络；携带辅助定位装置的目标进入节点定位网络后，将标签节点和基站节点进行筛选分组，利用状态有效的节点对目标进行定位。本发明提供了一种面向复杂环境的更加机动、灵活的目标定位方法和装备，不同于传统相对定位，能获得相对可靠的绝对定位坐标。

Description

一种复杂环境中自适应的绝对定位方法及定位系统

技术领域

本发明涉及无线定位技术领域，具体涉及一种复杂环境中自适应的绝对定位方法及定位系统。

背景技术

目前定位技术主要有GPS定位、北斗定位、惯性导航定位以及无线网络定位，其中GPS定位和北斗定位适用于环境条件良好的场景，而在复杂多变的环境下GPS定位或北斗定位等卫星定位信号往往无法顺利传到局部地区，导致定位失败。惯性导航可以定位到目标点的绝对坐标位置，但是要求每一个目标点携带或安装惯性导航定位装置，且惯性导航装置成本较高，难以得到普遍应用。无线网络定位技术如红外线定位、射频识别定位、蓝牙等技术则比较容易受到电磁干扰，稳定性差，定位精度不高，也不适用于复杂环境的定位。超宽带定位技术具有抗噪声能力强、多径分辨力高、可以穿透等优点，在无线定位方面有很大的优势。从现有的技术上如果在GPS信号无法定位的区域，一般都是通过一定的定位方法在该区域内获得相对于某个参照物的相对位置，在全球的全局范围内来看，我们无法确定他具体的由经纬度决定的绝对位置。若进入无信号的丛林，房屋，发生突发状况，则在救援、增援方面就会造成很大的困扰。基于此必须发展更机动、灵活，适合复杂场景的定位方法和装备。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供了一种复杂环境中自适应的绝对定位方法，目标进入复杂环境时可以连续得到其准确的绝对位置，是一种更加机动、灵活的定位方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于复杂环境中自适应定位的绝对定位系统。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种复杂环境中自适应的绝对定位方法，包括如下步骤：

(1)在包含复杂环境的一定范围面积内抛洒含有无线收发模块和GPS定位模块的辅助定位装置，将能够确定GPS定位信息的辅助定位装置确定为基站节点，其余作为标签节点；

(2)采用TOA测距方法在基站节点和标签节点之间相互测距，建立测距方程；

(3)结合全质心法和最小二乘法对得到的测距方程进行优化，解算出所有标签节点的具体位置，组成节点定位网络；

(4)携带辅助定位装置的目标进入节点定位网络后，将标签节点和基站节点进行筛选分组，利用状态有效的节点对目标进行定位。

进一步地，所述步骤(2)包括：

设T₁时刻，基站节点i向标签节点j发送询问指令，T₂时刻标签节点j收到询问指令，T₃时刻标签节点j向基站节点i发送应答指令时刻，T₄为基站节点i收到应答指令的时刻，光速为C，利用异步TOA原理得到基站节点i与标签节点j之间距离d_i为：

假设第i个基站节点的位置坐标为(x_i，y_i)，未知的标签节点位置坐标为(x，y)，则未知的标签节点与第i个基站节点之间的距离表达式为：

所述步骤(3)包括：

设有m个基站节点，根据式(2)得到各基站节点与所述未知的标签节点的距离表达式：

将式(3)等号两边平方后整理得到：

将式(4)中的所有方程式减去第一个方程式获得一个超定方程组：

其中K_i＝x_i ²+y_i ²,i＝1,2,…,m，

将上述式(5)改写为矩阵形式：

设定x²+y²＝r，则式(6)改写为：

将式(7)中的矩阵定义为：

则通过最小二乘法解出：X＝(A^TA)^-1A^TB，此时X得出的解的前两项就是标签节点的坐标(x,y)，通过此方法得出所有标签节点的坐标，形成节点定位网络。

所述步骤(4)包括：

(41)假设在抛洒的N个辅助定位装置中只有P个辅助定位装置对目标当前定位是有效的节点，所述有效是指在一定的范围内对该目标的测距精度符合指定要求，这P个辅助定位装置作为目标定位的基站节点；

(42)将所有基站每P个一组进行分组，则有种基站组合方式，利用每组的P个基站采用TOA方法对目标测距；

(43)统计基站组合的测距标准差，当能用的基站数量满足基站定位标准时，在测距标准差均小于设定阈值的基站组合中选择标准差最小的一组作为定位基站节点；

(44)根据筛选出的基站节点，将目标作为待求解的标签节点，重复所述步骤2和3中TOA测距定位以及全质心法和最小二乘法优化解出方程，得出目标的位置。

进一步地，所述方法还包括：目标每次移动时，都对其定位数据进行采样传回，得到目标的连续移动轨迹。

根据本发明的第二方面，提供一种复杂环境中自适应的绝对定位系统，包括：

辅助定位装置，用于抛洒在包含复杂环境的一定范围面积内以进行节点定位网络的构建，所述辅助定位装置中含有无线收发模块和GPS定位模块，辅助定位装置通过所述无线收发模块进行相互通信，通过所述GPS定位模块发送当前位置信息；

定位解算装置，用于根据GPS位置信息以及TOA测距方法建立节点定位网络，并在携带辅助定位装置的目标进入节点定位网络后，对各节点进行筛选分组，利用状态有效的节点对目标进行定位。

进一步地，所述定位解算装置包括节点定位网络构建模块以及目标位置解算模块，所述节点定位网络构建模块包括：

节点类型确定单元，将能够确定GPS定位信息的辅助定位装置确定为基站节点，其余作为标签节点；

测距方程建立单元，采用TOA测距方法在基站节点和标签节点之间相互测距，建立测距方程；

优化解算单元，结合全质心法和最小二乘法对得到的测距方程进行优化，解算出所有标签节点的具体位置，组成节点定位网络；

所述目标位置解算模块通过测距反馈筛选出基站节点，将目标作为待求解的标签节点，调用测距方程建立单元以及优化解算单元进行测距定位以及全质心法和最小二乘法优化解算，得出目标的位置。

进一步地，所述测距方程建立单元利用异步TOA原理得到基站节点i与标签节点j之间距离d_i如下：

其中T₁为基站节点i向标签节点j发送询问指令的时刻，T₂为标签节点j收到询问指令的时刻，T₃为标签节点j向基站节点i发送应答指令时刻，T₄为基站节点i收到应答指令的时刻，C为光速；

所述测距方程建立单元根据坐标建立未知的标签节点与第i个基站节点之间的距离表达式如下：

其中(x_i，y_i)为第i个基站节点的位置坐标，(x，y)为未知的标签节点位置坐标。

进一步地，所述优化解算单元包括全质心表示单元和最小二乘法求解单元，所述全质心表示单元通过将测距方程建立单元建立的标签节点与基站节点之间的距离表达式进行变换整理，形成矩阵形式；通过所述最小二乘法求解单元进行求解，得到标签节点的坐标。

进一步地，所述无线收发模块为超宽带无线收发器。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明通过建立节点定位网络实现目标在定位网络中的自适应实时定位，提供了一种面向复杂环境的更加机动、灵活的目标定位方法和定位系统，相对于多数的相对定位，本方法可以给出精确的坐标；相对于传统的绝对定位，可以实现在信号遮挡下的精确定位；而相比于只能单独解算目标坐标，可以得到连续的移动的目标的位置坐标。且算法程序简单，系统成本低，可实用性强。

附图说明

图1为本发明的绝对定位方法流程图；

图2为本发明使用的TOA算法的误差分布(左图无误差，右图有误差)；

图3为本发明提出的自适应筛选基站流程图；

图4为本发明的定位系统结构框图。

具体实施方式

在一个实施例中，针对在现代化信息作战中GPS定位或北斗定位等卫星定定位信号无法传到战场局部环境的情况，应用本发明提出的一种复杂环境中自适应的绝对定位方法，通过构建节点定位网络，遍历筛选可靠基站，对移动的单兵做出准确的定位。由于得到的是单兵的绝对定位，可以在单兵作战失联时，准确的对其定位，实行搜救。图1给出了该定位方法的完整实施流程。下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

在一片茂密的丛林中，一支单兵小组要进入其中作战，该地区GPS定位或北斗定位等卫星定位信号都无法传到战场环境，此时在这种情况下，无人机遍历作战区域，预先在包含本战场环境的大范围面积内抛洒带有GPS定位模块和超宽带收发模块一体的辅助通信装置N个，下文中辅助通信装置简称为节点，由于环境的复杂性，而抛洒的大范围性，在N个节点中，总有m个节点可以通过自身携带的GPS定位模块得到其准确的坐标位置，此时这m个节点就作为基站，剩余的N-m个节点作为标签来使用。

节点抛洒完成以后为了能对节点进行精确的绝对定位，必须要形成定位网络。现首先进行基站节点和标签节点之间的测距，假设T₁时刻，基站i向未知位置的标签j发送询问指令，T₂时刻标签j收到询问指令，T₃时刻标签j向基站i发送应答指令时刻，T₄为基站i收到应答指令的时刻，由于时间的不同步，误差的存在，利用异步TOA(Time of arrival)原理可得第i个基站节点与未知的标签节点之间的距离为：

上式中，C为光速；

m个基站中，设第i个基站节点的位置坐标为(x_i,y_i)，未知的标签节点j位置坐标为(x,y)，则根据未知的标签节点与第i个基站节点之间的距离建立TOA方程组为：

参照图2，由于TOA在定位时可能会由于多路径传输电磁干扰或者硬件系统测距误差对基站本身产生影响，会使得4个基站的测距的圆无法相交于一点，而是形成一个公共区域，即一个模糊的定位区域(图2中右图)，这时TOA方程组是矛盾方程组，会出现无实数解或者多解甚至无解的情况，在这种情况下无法获得目标位置。为了能够利用超带宽(UltraWideband，UWB)基站到目标节点的测距的值，解算出目标节点唯一确定的坐标值，采用一种解决全质心思路的求解方法，其原理是通过最小二乘法寻求平面内多圆相交公共区域的全质心位置，进而得到可行解。

将公式(2)等号两边平方后整理得到：

将上式(3)中所有方程减去第一个方程便会获得一个超定方程组：

将上述式(4)改写为矩阵形式：

设定x²+y²＝r，则式(5)可改写为：

将式(6)中的矩阵定义为：

则通过最小二乘法解出:X＝(A^TA)^-1A^TB，此时X得出的解的前两项就是标签节点的坐标，通过此方法得出所有标签节点的坐标，此时基站和标签的坐标都已经获得，则形成了节点定位网络。

在定位网络已经形成的情况下，此时，单兵携带节点进入复杂的环境中进行作战，利用已经形成的节点定位网络对单兵进行绝对定位，即这个时候之前设定的基站节点和标签节点在单兵进入以后可以认为他们成为新一轮的基站节点，单兵就作为这个部分的标签节点，由于在前一部分中设定的标签的位置是由GPS获得，以此来定位前一轮的标签，所以可以认为前一轮的基站节点和标签节点的坐标都是准确的，那么此时利用前一部分的基站节点和标签节点对这一部分的单兵进行定位获得的坐标就是准确的，而不是局部的相对位置。在这一部分中相当于利用UWB进行多基站定位，重复前述的基站节点对标签节点的定位方法即TOA定位方法，进行测距，定位，全质心法，最小二乘法优化解出方程，得出单兵的位置。

采用UWB测距时，UWB在测距时会产生有的基站节点超出测距量测范围，或者距离太长，导致信号太弱，定位的偏差很大，为解决这个问题，本发明采用单兵到基站节点的距离标准差来评估定位估值的离散程度，从而筛选出对于单兵所在的位置状态良好的节点，此时利用对于单兵所在位置状态良好的节点可以大大提高定位的精确度。

参照图3，基站筛选的具体操作如下：利用抛洒的N个节点来对进入其中的单兵进行定位，假设在N个节点中只有P个节点对单兵在进行定位时是“有效”的节点，即在一定的范围内对该单兵的测距精度较高，如测距误差低于指定阈值，那么就有种节点组合方式，若种基站组合中的某一组基站全在测距定位的有效范围之内，则认为该组的基站组合的定位估值皆为单兵的真实坐标且估值的标准差为0；若该组内的某一基站受到遮挡，或者超出量测范围，则其测距就会出现偏差，遍历该组的所有基站组合，包括情况不良好的组合，其定位估值会出现随机偏差，由此可知，若某一基站的状态不是处于有效状态，则该组的基站组合的定位估值标准差就不为0。据此进行以下操作：(1)将所有基站每P个一组进行分组，则有种基站组合方式，利用每组的P个基站采用TOA方法对单兵进行测距；(2)统计基站组合的测距标准差，当能用的基站数量满足基站定位标准时，在测距标准差均小于设定阈值的基站组合中选择标准差最小的一组作为定位基站节点，满足基站定位标准指的是可用基站状态良好(由标准差确定)，并且在其分布范围i之内可以得出单兵的位置；(3)根据筛选出的基站节点，将单兵作为待求解的标签节点，重复所述上述TOA测距定位以及全质心法和最小二乘法优化解出方程，得出单兵的位置。

单兵每移动一个位置，会对所有节点进行遍历，然后根据测距反馈筛选出有效的适合对此时单兵位置定位的节点，此时，利用已经筛选出来的有效节点对单兵进行定位，同样首先通过有效节点测量其与单兵的距离建立TOA方程组，然后利用全质心法，最小二乘法对方程进行结算，得出单兵的位置。只要单兵进行一次位置的移动，单兵相对于各个节点的距离就会发生变化，这时就重新筛选出有效节点对单兵进行定位，重新解算单兵的位置，将解算出的单兵的坐标连续存储传回，就能够得到单兵连续的移动路径。

参照图4，在另一实施例中，本发明提出一种复杂环境中自适应的绝对定位系统，系统包括：辅助定位装置，用于抛洒在包含复杂环境的一定范围面积内以进行节点定位网络的构建，辅助定位装置中含有无线收发模块和GPS定位模块，辅助定位装置通过无线收发模块进行相互通信，通过GPS定位模块发送当前位置信息，其中无线收发模块为超宽带无线收发器；以及定位解算装置，用于根据GPS位置信息以及TOA测距方法建立节点定位网络，并在携带辅助定位装置的目标进入节点定位网络后，对各节点进行筛选分组，利用状态有效的节点对目标进行定位。

具体地，定位解算装置包括节点定位网络构建模块以及目标位置解算模块，所述节点定位网络构建模块包括：节点类型确定单元，将能够确定GPS定位信息的辅助定位装置确定为基站节点，其余作为标签节点；测距方程建立单元，采用TOA测距方法在基站节点和标签节点之间相互测距，建立测距方程；优化解算单元，结合全质心法和最小二乘法对得到的测距方程进行优化，解算出所有标签节点的具体位置，组成节点定位网络；目标位置解算模块通过测距反馈筛选出基站节点，将目标作为待求解的标签节点，调用测距方程建立单元以及优化解算单元进行测距定位以及全质心法和最小二乘法优化解算，得出目标的位置。

进一步地，测距方程建立单元利用异步TOA原理得到基站节点i与标签节点j之间距离d_i如下：

其中T₁为基站节点i向标签节点j发送询问指令的时刻，T₂为标签节点j收到询问指令的时刻，T₃为标签节点j向基站节点i发送应答指令时刻，T₄为基站节点i收到应答指令的时刻，C为光速；

同时测距方程建立单元根据坐标建立未知的标签节点与第i个基站节点之间的距离表达式如下：

其中(x_i，y_i)为第i个基站节点的位置坐标，(x，y)为未知的标签节点位置坐标。

优化解算单元包括全质心表示单元和最小二乘法求解单元，全质心表示单元通过将测距方程建立单元建立的标签节点与基站节点之间的距离表达式进行变换整理，形成矩阵形式；通过最小二乘法求解单元进行求解，得到标签节点的坐标。

具体地，设节点类型确定单元确定有m个基站节点，全质心表示单元根据式(7)得到各基站节点与所述未知的标签节点的距离表达式：

将式(9)等号两边平方后整理得到：

将式(10)中的所有方程式减去第一个方程式获得一个超定方程组：

其中K_i＝x_i ²+y_i ²,i＝1,2,…,m，

将上述式(11)改写为矩阵形式：

设定x²+y²＝r，则式(12)改写为：

将式(13)中的矩阵定义为：

则通过最小二乘求解单元解出：X＝(A^TA)^-1A^TB，此时X得出的解的前两项就是标签节点的坐标(x,y)，通过此方法得出所有标签节点的坐标，形成节点定位网络。

目标位置解算模块在携带辅助定位装置的目标进入节点定位网络后，对各节点进行筛选分组，利用状态有效的节点对目标进行定位。其筛选过程如下：(a)假设在抛洒的N个辅助定位装置中只有P个辅助定位装置对目标当前定位是有效的节点，所述有效是指在一定的范围内对该目标的测距精度符合指定要求，这P个辅助定位装置作为目标定位的基站节点；(b)将所有基站每P个一组进行分组，则有种基站组合方式，利用每组的P个基站采用TOA方法对目标测距；(c)统计基站组合的测距标准差，当能用的基站数量满足基站定位标准时，在测距标准差均小于设定阈值的基站组合中选择标准差最小的一组作为定位基站节点。然后根据筛选出的基站节点，将目标作为待求解的标签节点，重复进行TOA测距定位以及全质心法和最小二乘法优化解出方程，得出目标的位置。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属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等同替换，例如在GPS信号无法定位的室内应用本方法的时候为了适应室内环境，可对本方法做出必要的修改，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复杂环境中自适应的绝对定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在包含复杂环境的一定范围面积内抛洒含有无线收发模块和GPS定位模块的辅助定位装置，将能够确定GPS定位信息的辅助定位装置确定为基站节点，其余作为标签节点；

(2)采用TOA测距方法在基站节点和标签节点之间相互测距，建立测距方程；

(3)结合全质心法和最小二乘法对得到的测距方程进行优化，解算出所有标签节点的具体位置，组成节点定位网络；

(4)携带辅助定位装置的目标进入节点定位网络后，将标签节点和基站节点进行筛选分组，利用状态有效的节点对目标进行定位。

2.根据权利要求1所述的复杂环境中自适应的绝对定位方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

设T₁时刻，基站节点i向标签节点j发送询问指令，T₂时刻标签节点j收到询问指令，T₃时刻标签节点j向基站节点i发送应答指令时刻，T₄为基站节点i收到应答指令的时刻，光速为C，利用异步TOA原理得到基站节点i与标签节点j之间距离d_i为：

假设第i个基站节点的位置坐标为(x_i，y_i)，未知的标签节点位置坐标为(x，y)，则未知的标签节点与第i个基站节点之间的距离表达式为：

3.根据权利要求2所述的复杂环境中自适应的绝对定位方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：

设有m个基站节点，根据式(2)得到各基站节点与所述未知的标签节点的距离表达式：

将式(3)等号两边平方后整理得到：

将式(4)中的所有方程式减去第一个方程式获得一个超定方程组：

其中K_i＝x_i ²+y_i ²,i＝1,2,…,m，

将上述式(5)改写为矩阵形式：

设定x²+y²＝r，则式(6)改写为：

将式(7)中的矩阵定义为：

则通过最小二乘法解出：X＝(A^TA)^-1A^TB，此时X得出的解的前两项就是标签节点的坐标(x,y)，通过此方法得出所有标签节点的坐标，形成节点定位网络。

4.根据权利要求1所述的复杂环境中自适应的绝对定位方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：

(41)假设在抛洒的N个辅助定位装置中只有P个辅助定位装置对目标当前定位是有效的节点，所述有效是指在一定的范围内对该目标的测距精度符合指定要求，这P个辅助定位装置作为目标定位的基站节点；

(42)将所有基站每P个一组进行分组，则有种基站组合方式，利用每组的P个基站采用TOA方法对目标测距；

(43)统计基站组合的测距标准差，当能用的基站数量满足基站定位标准时，在测距标准差均小于设定阈值的基站组合中选择标准差最小的一组作为定位基站节点；

(44)根据筛选出的基站节点，将目标作为待求解的标签节点，重复所述步骤2和3中TOA测距定位以及全质心法和最小二乘法优化解出方程，得出目标的位置。

5.根据权利要求1所述的复杂环境中自适应的绝对定位方法，其特征在于，所述方法还包括：目标每次移动时，都对其定位数据进行采样传回，得到目标的连续移动轨迹。

6.一种复杂环境中自适应的绝对定位系统，其特征在于，所述系统包括：

辅助定位装置，用于抛洒在包含复杂环境的一定范围面积内以进行节点定位网络的构建，所述辅助定位装置中含有无线收发模块和GPS定位模块，辅助定位装置通过所述无线收发模块进行相互通信，通过所述GPS定位模块发送当前位置信息；

定位解算装置，用于根据GPS位置信息以及TOA测距方法建立节点定位网络，并在携带辅助定位装置的目标进入节点定位网络后，对各节点进行筛选分组，利用状态有效的节点对目标进行定位。

7.根据权利要求6所述的复杂环境中自适应的绝对定位系统，其特征在于，所述定位解算装置包括节点定位网络构建模块以及目标位置解算模块，所述节点定位网络构建模块包括：

节点类型确定单元，将能够确定GPS定位信息的辅助定位装置确定为基站节点，其余作为标签节点；

测距方程建立单元，采用TOA测距方法在基站节点和标签节点之间相互测距，建立测距方程；

优化解算单元，结合全质心法和最小二乘法对得到的测距方程进行优化，解算出所有标签节点的具体位置，组成节点定位网络；

所述目标位置解算模块通过测距反馈筛选出基站节点，将目标作为待求解的标签节点，调用测距方程建立单元以及优化解算单元进行测距定位以及全质心法和最小二乘法优化解算，得出目标的位置。

8.根据权利要求7所述的复杂环境中自适应的绝对定位系统，其特征在于，所述测距方程建立单元利用异步TOA原理得到基站节点i与标签节点j之间距离d_i如下：

其中T₁为基站节点i向标签节点j发送询问指令的时刻，T₂为标签节点j收到询问指令的时刻，T₃为标签节点j向基站节点i发送应答指令时刻，T₄为基站节点i收到应答指令的时刻，C为光速；

所述测距方程建立单元根据坐标建立未知的标签节点与第i个基站节点之间的距离表达式如下：

其中(x_i，y_i)为第i个基站节点的位置坐标，(x，y)为未知的标签节点位置坐标。

9.根据权利要求7所述的复杂环境中自适应的绝对定位系统，其特征在于，所述优化解算单元包括全质心表示单元和最小二乘法求解单元，所述全质心表示单元通过将测距方程建立单元建立的标签节点与基站节点之间的距离表达式进行变换整理，形成矩阵形式；通过所述最小二乘法求解单元进行求解，得到标签节点的坐标。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的复杂环境中自适应的绝对定位系统，其特征在于，所述无线收发模块为超宽带无线收发器。