CN110611878B - 一种基于基站一维部署的高精度定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一维分布式高精度单边定位系统及方法，属于室内外精确定位技术领域。在一个定位系统中，已知位置的多个定位基站以一维形式排列分布，接收定位终端发射的定位信号以及同步基站发射的同步信号，记录其到达自身的时间值，发送到定位引擎，定位引擎通过计算定位基站同步关系及各个定位信号的时间差，根据基站的已知位置粗算定位终端的位置，根据基站分布情况筛选基站进行精算，修正定位基站部署高度引起的误差，最终计算出定位终端的精确位置。该方法能提供稳定高精度的定位，相比传统的基站二维分布，实施难度低，具有很强的工程应用价值。

Description

一种基于基站一维部署的高精度定位系统及方法
技术领域
本发明公开了一种基于基站一维部署的高精度定位系统及方法，属于室内外精确定位技术领域。
背景技术
超宽带无载波通信技术是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗干扰强等优点；同时超宽带无载波通信技术凭借着精度高，适用性广等特点，在工厂、仓储、机器人等定位领域得到广泛应用。
一维部署指基站位置连接线为一条直线或者近似于一条直线，二维部署指基站位置连接线为多边形；一维部署适用于定位区域边缘只有一边可部署基站，二维部署适用于定位区域边缘可部署基站。
现有采用超宽带通信技术实现的定位方案，基站多采用多边形部署方式，然而，由于受到现场环境制约，实际使用中布置和取电也相对困难，定位基站难以以二维方式部署，只能采用一维方式部署；现有基站一维方式部署只能实现一维定位；相比较定位基站的二维方式部署，一维方式部署成本低周期短，一维分布式高精度单边定位技术成为了本领域研究人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明提出一种基于基站一维部署的高精度定位系统及方法，该方法可使定位基站一维部署情况下持续高精度的完成二维定位。
本发明提出的一种基于基站一维部署的高精度定位系统，同步基站及定位基站以一维方式部署，实际安装位置的连接线为一条直线或者近似一条直线。
本发明提出的一种基于基站一维部署的高精度定位系统，所述定位系统包括同步基站、定位基站、定位终端、定位引擎。
所述定位终端以一定周期循环广播发送定位信号给所述同步基站和所述定位基站。
所述同步基站以一维部署且具有已知位置，所述同步基站以一定周期循环广播发送同步信号给所述定位基站，记录其发送完成的时间值且发送到所述定位引擎；同时，接收所述定位终端广播发送的定位信号以及其他所述同步基站广播发送的同步信号。
所述定位基站以一维部署且具有已知位置，接收所述定位终端广播发送的定位信号以及所述同步基站广播发送的同步信号，记录其到达自身的时间值，且发送到所述定位引擎。
所述定位引擎，根据所述各个定位基站发送的所述同步基站到达其自身的时间值计算所述各个定位基站之间的同步关系，根据所述定位基站发送的所述定位终端到达其自身的时间值以及所述各个定位基站之间同步关系，第一次粗算所述定位终端的位置，根据所述同步基站及所述定位基站的分布情况筛选基站，第二次精算所述定位终端的位置。
本发明提出的一种基于基站一维部署的高精度定位方法，包括以下步骤。
步骤01：所述定位终端以一定周期循环广播发送定位信号给所述同步基站和所述定位基站。
步骤02：所述同步基站以一维部署且具有已知位置，所述同步基站以一定周期循环广播发送同步信号给所述定位基站，记录其发送完成的时间值且发送到所述定位引擎；同时，接收所述定位终端广播发送的定位信号以及其他所述同步基站广播发送的同步信号。
步骤03：所述定位基站接收到同步基站的同步信号，记录其到达自身的时间值，且发送到定位引擎。
步骤04：所述定位引擎根据所述定位基站发送的所述同步基站到达其自身的时间值计算所述各个定位基站之间的同步关系。
步骤05：所述定位基站以一维部署且具有已知位置，接收所述定位终端广播发送的定位信号以及所述同步基站广播发送的同步信号，记录其到达自身的时间值，且发送到所述定位引擎。
步骤06：所述定位引擎通过所述定位基站的同步关系计算出各个定位信号的时间差，根据定位基站的已知位置粗算定位终端的坐标。
步骤07：所述定位引擎根据所述定位终端粗算位置以及定位基站分布情况筛选定位基站，精算定位终端的坐标。
步骤08：设定定位基站分布轴为x轴 ，垂直于定位基站分布轴为y轴，设定所述基站高度为h；以所述粗算坐标在所述x轴的投影点为圆心，以r_min为内径和r_max为外径画圆环。
步骤09：逐渐增大r_min，使距离所述粗算坐标在所述定x轴上投影点最近的定位基站包含于半径为r_min的圆内。
步骤10：逐渐增大r_max，使包含于以r_min为内径和r_max为外径的圆环内的所述同步基站和定位基站数量大于等于可进行精算的数量，做为筛选出的基站。
步骤11：用筛选出的定位基站的同步关系计算出各个定位信号的时间差，根据定位基站的已知位置第二次解算所述定位终端的坐标(x0,y0)。
步骤12：步骤11所述定位终端的坐标在x轴上的投影点x0为x轴坐标值。
步骤13：以y轴的坐标值y0为斜边长，所述定位基站高度h为一直角边长，进行勾股定理计算得出另一直角边长y0’为y坐标值；(x0,y0’)即为最终解算坐标。
附图说明
图1 一种基于基站一维部署的高精度定位方法示意图。
图2 一种基于基站一维部署的高精度定位系统流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1给出依据本发明一种实施例的一种基于基站一维部署的高精度定位系统的示意图。本实施例所述的基于基站一维部署的高精度定位系统示例性地包括1个POE交换机，1个同步基站，4个定位基站，1个定位终端，1个定位引擎。其中，M0为同步基站，S1~S4定位基站，T0为定位终端，RTLS为定位引擎，与M0,S1~S4连接于SWITCH，组成通信网络。
M0以一维部署且具有已知位置，M0以一定周期循环广播发送同步信号给S1~S4，记录其发送完成的时间值m_t0且发送到所述定位引擎RTLS。
S1~S4以一维部署且具有已知位置，接T0广播发送的定位信号以及M0广播发送的同步信号，记录其到达自身的时间值s_t1~s_t4，且发送到所述定位引擎RTLS。
定位引擎根据所述S1~S4发送的所述M0到达其自身的时间值计算各个定位基站之间的同步关系。
T0以一定周期循环广播发送定位信号给M0,S1~S4。
M0及S1~S4接收到T0的定位信号，记录其到达自身的时间值t_t0~t-t4，且发送到定位引擎。
RTLS通过M0及S1~S4同步关系计算出各个定位信号的时间差tdoa0~tdoa4，根据M0及S1~S4的已知位置粗算T0坐标H(x0,y0)。
以估算坐标H(x0,y0)在X轴上的映射点I(x0,0)为圆心，以r_min为内径和r_max为外径画圆环。
逐渐增大r_min，使距离粗算坐标H(x0,y0)在X轴上的映射点最近的定位基站包含于半径为r_min的圆内，实施例中为S3。
逐渐增大r_max，使包含于以r_min为内径和r_max为外径的圆环内的定位基站数量大于等于可进行精算的数量N，此实施例中，N=3，S2,M0,S4为选中项。
用筛选出的S2,M0,S4进行第二次坐标解算，得出结果J(x1,y1)其中x1为确定为最终X轴的坐标。
从精算结果中修正因M0及S1~S4的高度带来的误差，h,l,k构成直角三角形，其中h为M0及S1~S4的高度为做为一直角边，斜边为l，此时l=y1，根据勾股定理计算得出另一直角边长k，k确定为最终Y轴的坐标。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于基站一维部署的高精度定位方法，其特征在于，所述方法基于一维方式部署的若干基站对定位终端进行定位，所述基站包括多个定位基站和一个同步基站，所述定位基站及同步基站均具有已知位置并且其部署的实际安装位置的连接线为一条直线，所述定位基站、同步基站通过POE交换机可通信地连接到一定位引擎，所述方法包括：
所述定位终端以一定周期循环广播发送定位信号给所述同步基站和所述定位基站；
依据每一基站接收到定位终端发送的定位信号的时间差，以及所述基站的已知位置，粗算定位终端的粗算坐标；
依据所述粗算坐标精确计算所述定位终端的坐标；
所述精确计算的方法包括：
设定定位基站分布轴为x轴 ，垂直于定位基站分布轴为y轴，设定所述基站高度为h；以所述粗算坐标在所述x轴的投影点为圆心，以r_min为内径和r_max为外径画竖直面内的圆环；
逐渐增大r_min，使距离所述粗算坐标在所述x轴上投影点最近的定位基站包含于半径为r_min的圆内；
逐渐增大r_max，使包含于以r_min为内径和r_max为外径的圆环内的所述基站数量大于等于预定数量，选定包含于所述圆环内的基站做为筛选出的基站；
用筛选出的定位基站的同步关系计算出各个定位信号的时间差，根据定位基站的已知位置第二次解算所述定位终端的坐标(x0,y0)，所述x0和y0分别为所述定位终端在x轴方向和y轴方向上的坐标值；
以y轴的坐标值y0为斜边长，所述定位基站高度h为一直角边长，进行勾股定理计算得出另一直角边长y0’为y坐标值；(x0,y0’)即为最终解算坐标。
2.一种基于基站一维部署的高精度定位系统，用于实现如权利要求1所述的基于基站一维部署的高精度定位方法，其特征在于，所述系统包括同步基站、定位基站、定位终端、定位引擎；
所述同步基站、定位基站及定位引擎与POE交换机可通信地连接；
所述同步基站以一维部署且具有已知位置，所述同步基站以一定周期循环广播发送同步信号给所述定位基站，记录其发送完成的时间值且发送到所述定位引擎；同时，接收所述定位终端广播发送的定位信号以及其他所述同步基站广播发送的同步信号；
所述定位基站以一维部署且具有已知位置，接收所述定位终端广播发送的定位信号以及所述同步基站广播发送的同步信号，记录其到达自身的时间值，且发送到所述定位引擎；
所述定位终端以一定周期循环广播发送定位信号给所述同步基站和所述定位基站；
所述定位引擎根据所述各个定位基站发送的所述同步基站到达其自身的时间值计算所述各个定位基站之间的同步关系，根据所述定位基站发送的所述定位终端到达其自身的时间值以及所述各个定位基站之间同步关系，所述定位引擎用于计算所述定位终端的位置。
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