CN111107485B - 一种定位基站选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定位基站选择方法，该方法根据基站在坐标系各个象限中的分布，对基站进行划分和筛选，选择最优的基站来实现定位，解决了在多基站环境下选择最优的定位基站的技术问题。该方法首先根据上次的定位结果和系统坐标系建立新坐标系；根据新建坐标系各个象限中基站的分布情况，将通信范围内的所有基站划分到不同集合；坐标轴附近的基站单独划分到一个集合处理；从各个集合中分别选出定位基站。该方法既能实现节省基站资源的效果，又能符合实际应用中高精度定位的业务需求，还能保证整个筛选过程简单高效，避免了暴力筛选的繁琐计算过程，保证了定位系统的实时性。

Description

一种定位基站选择方法

技术领域

本发明涉及基站定位领域，具体而言，涉及一种定位基站选择方法。

背景技术

定位系统通常采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套位置定位体系。基站定位技术包括TOA、TDOA、PDOA等多种实现方式，大都需要依据待测标签与基站间的无线消息收发时间戳来进行测距，从而根据多组待测标签到基站的距离数据进行定位。

在二维空间内，要实现基于待测标签与基站间测距的定位，至少需要3个基站，原理示意图如图1所示。二维平面内，当测量到待测标签到达3个基站的距离时，便可以构造以3个基站的位置为圆心，待测标签与对应基站间的距离为半径的圆，其中圆的公共交点就是待测标签的位置。扩展到三维空间，由于增加了z轴(垂直方向)，至少需要4个基站才能实现定位。实际应用中，我们可以根据经验判断待测标签的高度范围，所以一般只用3个基站就可以实现定位。

在测距精度一定的情况下，定位精度还会受到基站与待测标签间的距离和基站与待测标签间的张角的影响。由无线通信原理可知，当基站与标签距离越远，其信道条件越差，定位精度越低。在实际定位过程中，与待测标签构成的张角越接近90度的两个基站，定位精度越高，反之，与待测标签构成的张角越接近180度的两个基站，会带来更大的两个基站连线的垂线方向上的测量误差。因此，定位基站并不是越多越好，使用过多的定位基站不仅会带来额外的资源开销，还会降低定位精度。

本发明的基站选择原理如图2所示，∠1(∠BS2_MS_BS4)和∠2(∠BS6_MS_BS8)是两个张角。∠2相对于∠1，张角偏离90度更多，如果待测标签使用BS6、BS8作为定位基站，相对于使用BS2、BS4作为定位基站，会引入更多y方向的误差。因此，通过选择合适的定位基站，不仅可以提升定位精度，还可以避免资源的浪费。另外，合适的基站选择方法可以降低基站选择的计算开销，提升定位系统的实时性。因此，如何通过最优的基站选择方案提高定位精度并节省基站资源，是定位中急需解决的问题。

发明内容

本发明提供的一种定位基站选择方法，该方法根据基站在坐标系各个象限中的分布，对基站进行划分和筛选，最终确定最优的基站来实现定位，解决了在多基站环境下选择最优的定位基站的技术问题，既能实现节省基站资源的效果，又能符合实际应用中高精度定位的要求。针对基站与待测标签间张角的选择，本发明相比于暴力搜索的方法，更加简洁高效，降低了基站选择的计算开销，提升了定位系统的实时性。

本发明的技术方案如下：以之前一次待测标签定位位置为原点，以定位系统x-y轴为坐标轴建立坐标系；根据新建坐标系各个象限中基站的分布情况，将通信范围内的所有基站划分到不同集合；坐标轴附近的基站单独划分到一个集合中进行处理；依次遍历各个集合，从当前集合取出距离待测标签最近的基站，作为定位基站；一次遍历完成后，继续上述遍历过程，直到选出目标数量的基站；上述遍历不包括坐标轴附近基站所属的集合，只有在其他集合均为空并且仍没有选出目标数量基站的时候，才会从该集合中选出距离待测标签最近的若干基站用于定位，以满足定位基站数量的要求。本发明方法具体包括以下步骤：

步骤1、所有基站发送广播信息，其中包含自身的位置信息。同时，待测标签接收自身通信范围内的广播信息，将这些基站的位置信息存入集合D；

步骤2、第一次定位，以定位系统的原点坐标(0,0)为原点，以当前定位系统的x-y轴作为坐标轴，建立二维平面坐标系K，之后定位，以上一次待测标签的定位位置为原点，以当前定位系统的x-y轴作为坐标轴，建立二维平面坐标系K；

步骤3、将集合D中的所有基站按照坐标系K进行划分，位于1/2/3/4象限的基站分别存入不同的集合D1/D2/D3/D4中(不包括距离坐标轴垂直距离小于a的基站)，距离坐标轴垂直距离小于a的基站存入集合D5中；

步骤4、循环依次遍历集合D1/D2/D3/D4，每次从非空的集合D1/D2/D3/D4中取出当前集合中距离待测标签最近的一个基站，存入集合R；如果集合R中已经存入m个基站数据，直接执行步骤6；如果D1/D2/D3/D4均为空集，直接执行步骤5；否则，继续执行步骤4；

步骤5、从集合D5中取出距离待测标签最近的一个基站，存入集合R中，判断集合R中是否已经存入m个基站数据，若是，直接执行步骤6，若否，继续执行步骤5；

步骤6、利用集合R中选择的m个基站进行定位，更新待测标签定位位置；清空集合D/D1/D2/D3/D4/D5。

进一步地，所述步骤3中，将距离坐标轴垂直距离小于a的基站单独处理是因为，当两个基站位于同一坐标轴附近时，这两个基站与待测标签所成的张角会接近180度，这会引入大量误差，并且距离坐标轴垂直距离越近的两个基站，张角越接近180度，引入的误差越大。距离坐标轴垂直距离小于a的两个基站，被认为张角接近180度，否则，不被认为张角接近180度。阈值a的一般范围在10cm～100cm之间，具体值可以根据张角情况调整。

进一步地，所述步骤4中，循环依次遍历集合D1/D2/D3/D4的方式为，从集合D1开始，逐次对D1/D2/D3/D4分别进行筛选和选择，若当前集合为空，则直接跳到下一个集合进行筛选和选择。从当前集合中选出一个基站后，将该基站从当前集合中去除。遍历完一个循环之后，继续从集合D1开始筛选和选择，直到选出m个基站或者集合D1/D2/D3/D4均为空，跳出循环。

进一步地，各个步骤中符合精度值要求的基站个数m不小于3，且所有参与基站选择过程的基站均处于待测标签通信范围内。

本发明所具有的有益效果：通过选择最优的定位基站既能实现节省基站资源的效果，又能符合实际应用中高精度定位的业务需求，还能保证整个筛选过程简单高效，避免了暴力筛选的繁琐计算过程，保证了定位系统的实时性。

附图说明

图1是现有技术中所述定位的测距定位原理。

图2是本发明所述的定位基站选择原理示意图。

图3是本发明所述的定位基站选择方法流程图。

图4是本发明所述的定位基站选择方法中，各个象限的基站分布情况示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图3所示，本发明提供一种定位基站选择方法，包括以下步骤：

步骤1、所有基站发送广播信息，其中包含自身的位置信息。同时，待测标签接收自身通信范围内的广播信息，将这些基站的位置信息存入集合D；

步骤2、第一次定位，以定位系统的原点坐标(0,0)为原点，以当前定位系统的x-y轴作为坐标轴，建立二维平面坐标系K，之后定位，以上一次待测标签的定位位置为原点，以当前定位系统的x-y轴作为坐标轴，建立二维平面坐标系K；

步骤3、将集合D中的所有基站按照坐标系K进行划分，位于1/2/3/4象限的基站分别存入不同的集合D1/D2/D3/D4中(不包括距离坐标轴垂直距离小于a的基站)，距离坐标轴垂直距离小于a的基站存入集合D5中；

步骤4、循环依次遍历集合D1/D2/D3/D4，每次从非空的集合D1/D2/D3/D4中取出当前集合中距离待测标签最近的一个基站，存入集合R；如果集合R中已经存入m个基站数据，直接执行步骤6；如果D1/D2/D3/D4均为空集，直接执行步骤5；否则，继续执行步骤4；

步骤5、从集合D5中取出距离待测标签最近的一个基站，存入集合R中，判断集合R中是否已经存入m个基站数据，若是，直接执行步骤6，若否，继续执行步骤5；

步骤6、利用集合R中选择的m个基站进行定位，更新待测标签定位位置；清空集合D/D1/D2/D3/D4/D5。

所述步骤3中，将距离坐标轴垂直距离小于a的基站单独处理是因为，当两个基站位于同一坐标轴附近时，这两个基站与待测标签所成的张角会接近180度，这会引入大量误差，并且距离坐标轴垂直距离越近的两个基站，张角越接近180度，引入的误差越大。距离坐标轴垂直距离小于a的两个基站，被认为张角接近180度，否则，不被认为张角接近180度。阈值a的一般范围在10cm～100cm之间，具体值可以根据张角情况调整。本发明不仅适用于各种一般的基站分布情况，由于步骤3的性质，本发明尤其适用于存在多个基站分布在共同坐标轴平行线上的情况。

各个步骤中所述符合精度值要求的基站个数m不小于3，且所有参与基站选择过程的基站均处于待测标签通信范围内。

如图4所示，给出了该方法实现的一个示例，待测标签MS的通信范围内有若干个基站。图4中，MS'为待测标签MS上次定位的位置，使用MS'建立坐标系进行基站筛选。待测标签接收到这些基站的广播之后，会把这些基站的信息存入集合D，图4中，这些基站包括BS1～BS8。首先，设定好阈值a和基站数m。以待测标签MS上一次的定位位置MS'为原点(第一次定位，以定位系统的原点坐标(0,0)为原点)，当前定位系统x-y轴为坐标轴建立K坐标系。按照K坐标系四个象限的基站分布情况，将BS5、BS6放入集合D1，将BS1放入集合D2，将BS3放入集合D3，将BS7、BS8放入集合D4。BS2、BS4到K坐标系y轴的距离d<a，因此将BS2、BS4放入集合D5。BS2、BS4这种情况单独处理，是因为靠近坐标轴的两个基站会导致张角(图4是∠BS2_MS'_BS4)过度接近180度，引入大量的偏差(图4是x方向的偏差)。

将基站按照象限分布划分好之后，开始基于象限轮询进行基站选择，以选择m＝4个基站为例：

先从集合D1中选择，距离MS'最近的基站是BS5，因此将BS5从D1取出，放入集合R；

从集合D2中选择，距离MS'最近的基站是BS1，因此将BS1从D2取出，放入集合R；

从集合D3中选择，距离MS'最近的基站是BS3，因此将BS3从D3取出，放入集合R；

从集合D4中选择，距离MS'最近的基站是BS7，因此将BS7从D4取出，放入集合R。

经过上面的选择，集合R中的元素为：BS5、BS1、BS3、BS7。

为了进一步说明基站选择方法，下面将在上述讨论的基础上继续选择更多的基站进行说明，在实际定位中并不需要过多的基站。

当m＝5时，继续从集合D1中选择，此时距离MS'最近的基站是BS6，因此将BS6从D1取出，放入集合R。此时集合R中的元素为：BS5、BS1、BS3、BS7、BS6。

当m＝6时，集合D2、D3为空，从集合D4中选择，此时距离MS'最近的基站是BS8，因此将BS8从D4取出，放入集合R。此时集合R中的元素为：BS5、BS1、BS3、BS7、BS6、BS8。

当m＝7时，集合D1、D2、D3、D4均为空，而且并没有选出设定数目的基站，因此需要从集合D5中选择，取出距离MS'最近的基站BS2(BS4也可)，放入集合R。此时集合R中的元素为：BS5、BS1、BS3、BS7、BS6、BS8、BS2(BS4)。

这样就完成了定位基站的选择，整个过程不涉及大量计算，只涉及一些集合元素的加入和删除操作，相比于基于角度选择的暴力计算方式，更加高效可行。

综上所述，本发明通过选择最优的定位基站既能实现节省基站资源的效果，又能符合实际应用中高精度定位的业务需求，还能保证整个筛选过程简单高效，避免了暴力筛选的繁琐计算过程，保证了定位系统的实时性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种定位基站选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、所有基站发送广播信息，其中包含自身的位置信息；同时，待测标签接收自身通信范围内的广播信息，将这些基站的位置信息存入集合D；

步骤2、定位系统的初始坐标系记为K₀；第一次定位，使用K₀作为进行基站象限划分和筛选的相对坐标系K₁，之后定位，以上一次待测标签的定位位置为原点，在当前定位系统初始坐标系K₀的x-y轴相同方向上建立新的坐标轴，从而建立二维平面坐标系K_i，基于K_i进行基站的象限划分和筛选，其中，下标i表示第i次定位；

步骤3、将集合D中距离K_i坐标轴垂直距离小于阈值a的基站存入集合D5中，将剩余的基站按照坐标系K_i进行划分，位于1/2/3/4象限的基站分别存入不同的集合D1/D2/D3/D4中；

步骤4、循环依次遍历集合D1/D2/D3/D4，从集合D1开始，逐次对D1/D2/D3/D4分别进行筛选和选择：若当前集合为空，则直接跳到下一个集合进行筛选和选择，否则从当前集合中取出距离上一次待测标签的定位位置最近的一个基站，存入集合R，并将该基站从所述当前集合中去除；如果集合R中已经存入目标数量m个基站数据，直接执行步骤6；如果D1/D2/D3/D4均为空集，直接执行步骤5；遍历完一个循环之后，继续从集合D1开始筛选和选择，直到选出m个基站或者集合D1/D2/D3/D4均为空，跳出循环；

步骤5、从集合D5中取出距离上一次待测标签的定位位置最近的一个基站，存入集合R中，并将该基站从集合D5中去除，判断集合R中是否已经存入m个基站数据，若是，直接执行步骤6，若否，继续执行步骤5；

步骤6、利用集合R中选择的m个基站进行定位，更新待测标签定位位置；清空集合D/D1/D2/D3/D4/D5。

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