CN110806561A - 一种多基站的自标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多基站的自标定方法。该方法包括：建立三维坐标系，设定待标定的基站在所述坐标系中的坐标：其中，有至少三个基站在同一平面上，所述平面上一个基站为原点基站，所述原点基站与所述平面上另一基站的连线为第一坐标轴，第二坐标轴垂直所述平面，第三坐标轴垂直于所述第一坐标轴且在所述平面内；根据测得的各基站之间的距离，解算出每个基站的所述坐标。本发明利用基站的位置关系建立三维坐标系，通过基站间的距离和几何关系求解出各基站的坐标，多个基站可以同时标定出坐标，且适用于多种无线定位系统中。

Description

一种多基站的自标定方法
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种多基站的自标定方法。
背景技术
目前，基于位置服务的定位技术均需要知道基站的准确坐标，通常情况下，工作人员用全站仪或者其他设备来标定基站的坐标。人工标定基站坐标存在以下不足：不方便，借助的测量仪器通常贵而且重，操作起来麻烦；由于天线的等效位置未知，仪器标定存在较大误差。而自动标定技术，目前普遍应用以下两种办法：一是借助重复测距得三边长度，然后用三角形原理求坐标；该方法原理简单，但存在扩展性差；二是限定基站按几何图形分布，通过解几何图形解基站坐标，但是因为现实中基站不规则，难满足实际用途。
发明内容
本发明的目的在于提出一种多基站的自标定方法，能够同时求解多个基站的坐标。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种多基站的自标定方法，包括：
建立三维坐标系，设定待标定的基站在所述坐标系中的坐标：
其中，有至少三个基站在同一平面上，所述平面上一个基站为原点基站，所述原点基站与所述平面上另一基站的连线为第一坐标轴，第二坐标轴垂直所述平面，第三坐标轴垂直于所述第一坐标轴且在所述平面内；
根据测得的各基站之间的距离，解算出每个基站的所述坐标。
进一步的，解算出每个基站的所述坐标之后，还包括：
以所述原点基站为标签，其他基站对所述原点基站进行定位，获得所述原点基站的标签坐标；
判断所述标签坐标与原点坐标的误差是否超过评估阈值，是则对所述其他基站的坐标进行修正。
其中，判断所述标签坐标与原点坐标的误差是否超过评估阈值，包括：
计算所述标签坐标与原点坐标的距离，判断所述距离是否超过评估阈值。
其中，对所述其他基站的坐标进行修正，包括：
获取各基站之间的新距离；
根据所述新距离和解算出的每个基站的所述坐标，计算其他基站的所述坐标的修正值；
通过所述修正值修正所述其他基站的坐标。
其中，根据所述新距离和解算出的每个基站的所述坐标，计算其他基站的所述坐标的修正值，包括：
根据每两个基站之间的所述新距离和所述两个基站的修正后的坐标建立多元方程组，通过迭代法求解所述多元方程组，获得所述修正值；
其中，每个基站的所述坐标与所述修正值的和为修正后的坐标。
其中，根据测得的各基站之间的距离，解算出每个基站的所述坐标，包括：
根据每两个基站之间的所述距离和设定的所述两个基站的坐标建立多元方程组，通过迭代法求解所述多元方程组，获得每个基站的所述坐标。
其中，通过迭代法求解所述多元方程组，包括：
预设迭代条件，通过求解雅可比矩阵，求解所述多元方程组。
所述迭代条件包括迭代初值、迭代终止条件和迭代次数。
其中，以所述原点基站为标签，其他基站对所述原点基站进行定位，获得所述原点基站的标签坐标，包括：
以所述原点基站为标签，采用无线定位技术，通过至少三个其他基站对所述原点基站进行定位，获得所述原点基站的标签坐标。
进一步的，所述平面为水平面，所述第二坐标轴表示基站的高度。
本发明的有益效果为：
利用基站的位置关系建立三维坐标系，通过基站间的距离和几何关系求解出各基站的坐标，多个基站可以同时标定出坐标，且适用于多种无线定位系统中。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的多基站的自标定方法的流程图；
图2是本发明实施例一中多个基站的位置示意图；
图3是本发明实施例二提供的多基站的自标定方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
本实施例提供一种多基站的自标定方法，用于对基站进行位置标定的情形，能够同时对多个基站求解位置坐标。
如图1所示，所述自标定方法包括如下步骤：
S11，建立三维坐标系，设定待标定的基站在所述坐标系中的坐标。
多个待标定的基站中，有至少三个基站在同一平面上，以所述平面上一个基站为原点基站，所述原点基站与所述平面上另一基站的连线为第一坐标轴，第二坐标轴垂直所述平面，第三坐标轴垂直于所述第一坐标轴且在所述平面内。
如图2所示，在所述坐标系中，基站1-3在同一平面上，基站1为原点基站，坐标为(0,0,0)，基站1与基站2的连线为第一坐标轴Y，基站2的坐标为(0,y2,0)，基站3的坐标为(x3,y3,0)，基站4的坐标为(x4,y4,z4)，非同一平面上的基站N的坐标为(xn,yn,zn)，以此类推；第二坐标轴Z垂直所述平面，第三坐标轴X垂直于所述第一坐标轴Y且在所述平面内。
为更好的表示基站的空间位置，所述三维坐标系为三维直角坐标系，第三坐标轴X在所述平面内，且同时垂直于所述第一坐标轴Y和第二坐标轴Z，取所述平面为水平面，用所述第二坐标轴Z表示基站的高度。
S12，根据测得的各基站之间的距离，解算出每个基站的所述坐标。
对于基站A(xa,ya,za)和基站B(xa,ya,za)，通过多次测定取平均值获得两个基站之间的距离ha-b，测距方法采用现有技术，则有
Figure BDA0002275159000000041
a,b∈[1,M],a≠b，M为基站的数量。同理，对于待标定的多个基站，根据每两个基站之间的所述距离和设定的所述两个基站的坐标建立如上方程，联立为多元方程组，将原点基站等各基站的坐标值代入方程，通过迭代法求解所述多元方程组，获得每个基站的所述坐标。
其中，通过迭代法求解所述多元方程组，包括：预设迭代条件，通过求解雅可比矩阵，求解所述多元方程组。所述迭代条件包括迭代初值、迭代终止条件和迭代次数。
具体为：采用常用多元解算算法进行解算，通过求解雅克比矩阵J，在给定初始迭代初值(x0,y0,z0)条件下，给定迭代终止条件，迭代总次数，前后迭代坐标校正值间隔，进行迭代求解。
Figure BDA0002275159000000051
具体求解方式为：
Figure BDA0002275159000000052
其中ΔXk为第k次迭代的校正值，迭代更新过程Xk＝ΔXk+Xk-1，X＝[x1,y1,z1,…,xi,yi,zi,…,xM,yM,zM]T。
采用迭代算法解算多元方程组，计算速度快，如果出现无解情况，可以通过拟合产生最优解；而雅可比矩阵是迭代算法里最快的迭代方式。
本实施例利用基站的位置关系建立三维坐标系，通过基站间的距离和几何关系建立方程组，采用迭代算法求解出各基站的坐标，可以同时求解多个基站的坐标；并且，该方法可广泛应用于多种无线定位系统中，包括但不限于UWB、激光、红外、蓝牙等无线定位方式。
实施例二
本实施例在上述实施例的基础上，对解算出的坐标进行验证，通过其他基站对原点基站进行定位，根据定位误差判断上述实施例解算出的坐标是否符合精度要求，并且进行精度修正。
在上述实施例的基础上，解算出每个基站的所述坐标之后，还包括：
S21，以所述原点基站为标签，其他基站对所述原点基站进行定位，获得所述原点基站的标签坐标。
以所述原点基站为标签，采用无线定位技术，通过至少三个其他基站对所述原点基站进行定位，获得所述原点基站的标签坐标(xo,yo,zo)。基站数量较多的情况下，每三个基站为一组，每组分别对原点基站进行定位，并在后续步骤中分别修正，不同组内可以包括相同的基站。
无线定位方法是指分析接收到的无线电波信号的特征参数，然后根据特定算法计算被测对象的位置(二维/三维坐标、经度、纬度、高度等)。UWB(超宽带)定位技术常用的无线定位方法有如下几种：信号强度分析法(RSS)、到达角度定位法(AOA)、到达时间定位法(TOA)、到达时间差定位法(TDOA)。
S22，判断所述标签坐标与原点坐标的误差是否超过评估阈值，是则对所述其他基站的坐标进行修正。
计算所述标签坐标(xo,yo,zo)与原点坐标(0,0,0)的距离，判断所述距离是否超过评估阈值，评估阈值根据基站标定的精度要求来确定。
具体的，其他基站对原点基站的解算误差Δx＝((xo-0),(yo-0),(zo-0))＝(xo,yo,zo)，对于设定的评估阈值α，若
Figure BDA0002275159000000061
则判断上述实施例中解算出的其他基站的坐标符合精度要求，反之则需要修正。
其中，对所述其他基站的坐标进行修正，包括：获取各基站之间的新距离；根据所述新距离和解算出的每个基站的所述坐标，计算其他基站的所述坐标的修正值；通过所述修正值修正所述其他基站的坐标。
再次通过基站间测距获取各基站之间的新距离，根据每两个基站之间的所述新距离和所述两个基站的修正后的坐标建立多元方程组，通过迭代法求解所述多元方程组，获得所述修正值；其中，每个基站的所述坐标与所述修正值的和为修正后的坐标。
具体为：根据上述实施例求得基站I的坐标为(xi,yi,zi)，设定对于基站I的坐标的修正值为ΔXi(Δxi,Δyi,Δzi),则修正后的坐标为(xi+Δxi,yi+Δyi,zi+Δzi)，基站I到基站J的新距离
Figure BDA0002275159000000071
每两个基站之间的新距离和修正后的坐标建立一个方程，联立成方程组，采用上述实施例中同样的方法进行解算，求得每个基站坐标的修正值，进一步计算获得修正后的坐标。
循环上述步骤S21～S22，对修正后的坐标再进行验证，直到解算误差满足评估阈值的要求。
本实施例中，通过对基站坐标进行验证，确认解算的精度是否符合要求；在精度未达标时，通过反解算来获得坐标的修正值，并以此修正各基站的坐标，反复循环，以提高基站的标定精度。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多基站的自标定方法，其特征在于，包括：
建立三维坐标系，设定待标定的基站在所述坐标系中的坐标：
其中，有至少三个基站在同一平面上，所述平面上一个基站为原点基站，所述原点基站与所述平面上另一基站的连线为第一坐标轴，第二坐标轴垂直所述平面，第三坐标轴垂直于所述第一坐标轴且在所述平面内；
根据测得的各基站之间的距离，解算出每个基站的所述坐标。
2.根据权利要求1所述的自标定方法，其特征在于，解算出每个基站的所述坐标之后，还包括：
以所述原点基站为标签，其他基站对所述原点基站进行定位，获得所述原点基站的标签坐标；
判断所述标签坐标与原点坐标的误差是否超过评估阈值，是则对所述其他基站的坐标进行修正。
3.根据权利要求2所述的自标定方法，其特征在于，判断所述标签坐标与原点坐标的误差是否超过评估阈值，包括：
计算所述标签坐标与原点坐标的距离，判断所述距离是否超过评估阈值。
4.根据权利要求2所述的自标定方法，其特征在于，对所述其他基站的坐标进行修正，包括：
获取各基站之间的新距离；
根据所述新距离和解算出的每个基站的所述坐标，计算其他基站的所述坐标的修正值；
通过所述修正值修正所述其他基站的坐标。
5.根据权利要求4所述的自标定方法，其特征在于，根据所述新距离和解算出的每个基站的所述坐标，计算其他基站的所述坐标的修正值，包括：
根据每两个基站之间的所述新距离和所述两个基站的修正后的坐标建立多元方程组，通过迭代法求解所述多元方程组，获得所述修正值；
其中，每个基站的所述坐标与所述修正值的和为修正后的坐标。
6.根据权利要求1所述的自标定方法，其特征在于，根据测得的各基站之间的距离，解算出每个基站的所述坐标，包括：
根据每两个基站之间的所述距离和设定的所述两个基站的坐标建立多元方程组，通过迭代法求解所述多元方程组，获得每个基站的所述坐标。
7.根据权利要求5或6所述的自标定方法，其特征在于，通过迭代法求解所述多元方程组，包括：
预设迭代条件，通过求解雅可比矩阵，求解所述多元方程组。
8.根据权利要求7所述的自标定方法，其特征在于：
所述迭代条件包括迭代初值、迭代终止条件和迭代次数。
9.根据权利要求2所述的自标定方法，其特征在于，以所述原点基站为标签，其他基站对所述原点基站进行定位，获得所述原点基站的标签坐标，包括：
以所述原点基站为标签，采用无线定位技术，通过至少三个其他基站对所述原点基站进行定位，获得所述原点基站的标签坐标。
10.根据权利要求1所述的自标定方法，其特征在于：
所述平面为水平面，所述第二坐标轴表示基站的高度。
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