CN110850364A - 一种消除天线延迟误差的uwb定位方法 - Google Patents

一种消除天线延迟误差的uwb定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线通信领域，特别是一种消除天线延迟误差的UWB定位方法。本发明在进行标签定位之前，先测算系统内所有基站及标签的天线延迟误差，定位前将天线延迟误差写入对应基站及标签，在进行定位的时候，基站及标签根据测算误差自动消除天线误差，有效提高标签的定位精度。

Description

一种消除天线延迟误差的UWB定位方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是一种消除天线延迟误差的UWB定位方法。
技术背景
目前，在射频信号的基础上，结合Zig Bee、Wi-Fi、蓝牙等无线网络技术是室内无线定位技术的研究热点，几种室内定位系统各有利弊。超宽带信号(UWB)与传统无线定位技术相比，能够使系统在功耗、造价、精度、实时性、通信能力以及可扩充性能等方面得到大幅度提升，满足人们对室内定位的新要求。
UWB室内定位方法由收集信息、传递信息和解算信息三部分构成。收集信息由UWB基站和标签完成，获取标签有效信息；传递信息是将收集的与定位相关的信息通过有线或无线的方式传输给后台服务器；解算信息由定位引擎完成。定位引擎用于实时解算标签的位置信息。目前，存在多种方法可以获取到标签的位置信息，其中应用最广泛的是基于信号强度指示(RSSI)、基于到达时间(TOA)、基于到达时间差(TDOA)和基于到达方向(DOA或AOA)。
其中，TOA和TDOA等基于时间的UWB定位方法需要精确的测量信号发送和接收时间，以此来计算信号传输的距离，从而对标签进行位置解算。然而，信号到达天线后会有一定的延迟才能到达芯片，继而产生距离解算误差；同样，在发送信息时，芯片发出的信号会有一定的延迟才能从天线发出。由于每个天线的工艺特质不同，延迟时间也不相同，且在光速传播下，1ns的时间就会带来30cm的误差。天线延迟误差会对基于时间的UWB定位算法精度产生很大影响。因此，在定位时规避天线与芯片间的天线延迟误差是必要的，规避天线延迟误差可以有效的提高基于时间的UWB定位算法的定位精度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种消除天线延迟误差，提高标签定位精度的UWB定位方法。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案是，一种消除天线延迟误差的UWB定位方法，包括如下步骤：
步骤1、根据欧式距离公式计算基站之间的距离，基站A1的位置坐标为(x1,y1)，基站A2的位置坐标为(x2,y2)，基站A3的位置坐标为(x3,y3)，代入欧式距离公式：
Figure BDA0002246457300000011
Figure BDA0002246457300000012
Figure BDA0002246457300000021
其中，S12表示基站A1与基站A2之间距离，S13表示基站A1与基站A3之间距离，S32表示基站A2与基站A3之间距离；
步骤2、使用有线网络对基站A1、基站A2、基站A3进行时间同步，并根据收发信息的时间戳，计算彼此之间传递消息的时间差；基站A1广播信息，信息广播时间戳为T1，基站A2收到基站A1广播信息的时间戳为T2，基站A3收到基站A1广播信息的时间戳为T3，基站A1与基站A2传递消息的时间差t12，基站A1与A3之间传递消息的时间差为t13，基站A3广播信息，基站A3广播信息的时间戳为T31，基站A2收到基站A3广播信息的时间戳为T32，基站A2与基站A3传递消息的时间差为t32，计算消息传递时间差：
Figure BDA0002246457300000022
步骤3、将步骤1计算的基站A1与基站A2之间距离S12，基站A1与基站A3之间距离S13，基站A2与基站A3之间距离S32，步骤2计算得到的基站A1与基站A2传递消息的时间差t12，基站A1与A3之间传递消息的时间差为t13，基站A2与基站A3传递消息的时间差为t32，代入方程组求解：
Figure BDA0002246457300000023
其中，c表示光速；σ1表示基站A1的天线延迟误差，σ2表示基站A2的天线延迟误差，σ3表示基站A3的天线延迟误差；
求解方程组得到：
Figure BDA0002246457300000024
步骤4、重复步骤1～步骤3，计算得到系统内所有基站天线延迟误差；
步骤5、对标签采用同样方法，重复步骤1～步骤3，计算系统内所有标签的天线延迟误差；
步骤6、将系统内各基站及标签对应的天线延迟误差写入对应基站及标签；
步骤7、采用基于时间的UWB定位算法对标签进行定位，定位前对基站和标签进行发送时间和接收时间自动纠正，设基站或标签的天线延迟误差为σ，基站或标签作为信息接收方时，对信息接收时间戳T00修订得到正确的时间戳T00-σ；当基站或标签作为信息发送方时，对发送信息时间戳T01修订得到正确的时间戳T01+σ；基于时间的UWB定位算法中，基站及标签收发信息时间戳采用修订得到的正确时间戳，完成标签定位。
步骤7中采用基于时间的UWB定位算法为TDOA算法或TOA算法。
本发明的有益效果是：
本发明在进行标签定位之前，先测算系统内所有基站及标签的天线延迟误差，定位前将天线延迟误差写入对应基站及标签，在进行定位的时候，基站及标签根据测算误差自动消除天线误差，有效提高标签的定位精度。
附图说明
图1是本发明测算天线延迟误差流程图；
图2是本发明测算天线延迟误差示意图。
具体实施方式
实施例：
本实施例提供一种消除天线延迟误差的UWB定位方法，包括如下步骤：
步骤1、根据欧式距离公式计算基站之间的距离，基站A1的位置坐标为(x1,y1)，基站A2的位置坐标为(x2,y2)，基站A3的位置坐标为(x3,y3)，代入欧式距离公式：
Figure BDA0002246457300000031
Figure BDA0002246457300000032
Figure BDA0002246457300000033
其中，S12表示基站A1与基站A2之间距离，S13表示基站A1与基站A3之间距离，S32表示基站A2与基站A3之间距离；
步骤2、使用有线网络对基站A1、基站A2、基站A3进行时间同步，并根据收发信息的时间戳，计算彼此之间传递消息的时间差；基站A1广播信息，信息广播时间戳为T1，基站A2收到基站A1广播信息的时间戳为T2，基站A3收到基站A1广播信息的时间戳为T3，基站A1与基站A2传递消息的时间差t12，基站A1与A3之间传递消息的时间差为t13，基站A3广播信息，基站A3广播信息的时间戳为T31，基站A2收到基站A3广播信息的时间戳为T32，基站A2与基站A3传递消息的时间差为t32，计算消息传递时间差：
Figure BDA0002246457300000041
步骤3、将步骤1计算的基站A1与基站A2之间距离S12，基站A1与基站A3之间距离S13，基站A2与基站A3之间距离S32，步骤2计算得到的基站A1与基站A2传递消息的时间差t12，基站A1与A3之间传递消息的时间差为t13，基站A2与基站A3传递消息的时间差为t32，代入方程组求解：
Figure BDA0002246457300000042
其中，c表示光速；σ1表示基站A1的天线延迟误差，σ2表示基站A2的天线延迟误差，σ3表示基站A3的天线延迟误差；
求解方程组得到：
步骤4、重复步骤1～步骤3，计算得到系统内所有基站天线延迟误差；
步骤5、对标签采用同样方法，重复步骤1～步骤3，计算系统内所有标签的天线延迟误差；
步骤6、将系统内各基站及标签对应的天线延迟误差写入对应基站及标签；
步骤7、采用基于时间的UWB定位算法TDOA的定位算法对标签进行定位，定位前对基站和标签进行发送时间和接收时间自动纠正，设基站或标签的天线延迟误差为σ，基站或标签作为信息接收方时，对信息接收时间戳T00修订得到正确的时间戳T00-σ；当基站或标签作为信息发送方时，对发送信息时间戳T01修订得到正确的时间戳T01+σ；
开始定位，待定位标签修定后的正确发送时间戳为T0，基站A1修定后的正确接收时间戳为TA1，基站A2修定后的正确接收时间戳为TA2，基站A3修定后的正确接收时间戳为TA3，带入公式得到标签与基站距离：
d1＝c×(TA1-T0) (7)
d2＝c×(TA2-T0) (8)
d3＝c×(TA3-T0) (9)
其中，d1表示待定位标签到基站A1的距离，d2表示待定位标签到基站A2的距离，d3表示待定位标签到基站A3的距离；
信号达到UWB基站A1和UWB基站A2的距离差对d21为：
d21＝c×(TA1-T0)-c×(TA2-T0)＝c×(TA1-TA2) (10)
信号达到UWB基站A1和UWB基站A3的距离差d31为：
d31＝c×(TA1-T0)-c×(TA3-T0)＝c×(TA1-TA3) (11)
根据基站A1、A2的实际坐标位置与待定位标签坐标(x，y)，列出基站A1与待定位标签距离为
Figure BDA0002246457300000051
基站A2与待定位标签距离为
Figure BDA0002246457300000052
二者的距离差为d21，可列双曲线方程
Figure BDA0002246457300000053
画出双曲线1；
同理，根据基站A1、A3的实际坐标位置和待定位标签坐标(x，y)，列出基站A1与待定位标签距离为
Figure BDA0002246457300000054
基站A3与待定位标签距离为
Figure BDA0002246457300000055
二者的距离差为d31，可列双曲线方程绘制双曲线2；双曲线1与双曲线2交于一点，求解公式(12)的方程组，得到交点坐标，从而得到待定位标签实际坐标(x，y)，
Figure BDA0002246457300000057
标签定位完成。
本实施例在进行标签定位之前，先测算系统内所有基站及标签的天线延迟误差，定位前将天线延迟误差写入对应基站及标签，在进行定位的时候，基站及标签根据测算误差自动消除天线误差，有效提高标签的定位精度。

Claims (3)

1.一种消除天线延迟误差的UWB定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据欧式距离公式计算基站之间的距离，基站A1的位置坐标为(x1,y1)，基站A2的位置坐标为(x2,y2)，基站A3的位置坐标为(x3,y3)，代入欧式距离公式：
Figure FDA0002246457290000011
Figure FDA0002246457290000012
Figure FDA0002246457290000013
其中，S12表示基站A1与基站A2之间距离，S13表示基站A1与基站A3之间距离，S32表示基站A2与基站A3之间距离；
步骤2、使用有线网络对基站A1、基站A2、基站A3进行时间同步，并根据收发信息的时间戳，计算彼此之间传递消息的时间差；基站A1广播信息，信息广播时间戳为T1，基站A2收到基站A1广播信息的时间戳为T2，基站A3收到基站A1广播信息的时间戳为T3，基站A1与基站A2传递消息的时间差t12，基站A1与A3之间传递消息的时间差为t13，基站A3广播信息，基站A3广播信息的时间戳为T31，基站A2收到基站A3广播信息的时间戳为T32，基站A2与基站A3传递消息的时间差为t32，计算消息传递时间差：
步骤3、将步骤1计算的基站A1与基站A2之间距离S12，基站A1与基站A3之间距离S13，基站A2与基站A3之间距离S32，步骤2计算得到的基站A1与基站A2传递消息的时间差t12，基站A1与A3之间传递消息的时间差为t13，基站A2与基站A3传递消息的时间差为t32，代入方程组求解：
Figure FDA0002246457290000015
其中，c表示光速；σ1表示基站A1的天线延迟误差，σ2表示基站A2的天线延迟误差，σ3表示基站A3的天线延迟误差；
求解方程组得到：
Figure FDA0002246457290000021
步骤4、重复步骤1～步骤3，计算得到系统内所有基站天线延迟误差；
步骤5、对标签采用同样方法，重复步骤1～步骤3，计算系统内所有标签的天线延迟误差；
步骤6、将系统内各基站及标签对应的天线延迟误差写入对应基站及标签；
步骤7、采用基于时间的UWB定位算法对标签进行定位，定位前对基站和标签进行发送时间和接收时间自动纠正，设基站或标签的天线延迟误差为σ，基站或标签作为信息接收方时，对信息接收时间戳T00修订得到正确的时间戳T00-σ；当基站或标签作为信息发送方时，对发送信息时间戳T01修订得到正确的时间戳T01+σ；基于时间的UWB定位算法中，基站及标签收发信息时间戳采用修订得到的正确时间戳，完成标签定位。
2.如权利要求1所述的消除天线延迟误差的UWB定位方法，其特征在于，所述步骤7采用基于时间的UWB定位算法为TDOA算法。
3.如权利要求1所述的消除天线延迟误差的UWB定位方法，其特征在于，所述步骤7采用基于时间的UWB定位算法为TOA算法。
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