CN111190139B - 一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法，步骤为：使用信号飞行时间算法测距的基于超宽带的室内定位系统，利用超宽带算法在视线传输情况下的高精度定位结果计算目标的速度与方向；目标在初次进入超宽带无法定位区域时，计算该目标在该区域中的进入坐标、走出坐标和路径；目标在第二次及之后进入同一个超宽带无法定位区域时，计算该区域内的进入坐标、走出坐标与路径，计算均值，以增加准确性；根据获得的目标速度、方向与超宽带无法定位区域内的行走路径，完成对目标的定位。应用本发明方法，在非视线传输情况，能够与标签通信的信标节点数量可能少于3个，应用本发明方法依旧能够完成定位，从而提升了定位的鲁棒性。

Description

一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位技术，具体为一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法。

背景技术

在无法应用基于卫星的定位环境中，基于超宽带通信的定位技术是当前精度最高的定位解决方案，经常被用作矿山、仓库、工厂、监狱等场所进行高精度定位。例如对工人进入危险区域的预警、灾害发生时对工人的定位、关键设备的跟踪等。基于超宽带通信的室内定位技术能够提供很高的定位精度，但超宽带信号易受到障碍物的干扰。在室内定位领域中，复杂环境是指在定位区域内存在障碍物导致的非视线通信、多路径折射、电磁干扰等情况。非视线传输即是无线信号在发送与接收设备之间的直线路径上，存在可以遮挡视线的障碍物，这同样会对无线信号产生干扰，这种情况在复杂环境中非常普遍。因此，在类似矿山等复杂环境中，当前基于超宽带的定位技术依旧存在很大缺陷。当前研究大多集中在识别和消除非视线传输对超宽带测距的影响上，但实际应用中，非视线传输导致会导致一部分信标节点信号缺失的区域，在这些区域内，大多数情况是超宽带信号根本无法穿透障碍物，能够与定位目标通信并完成测距算法的信标节点数目少于3个，这种情况会导致定位标签只能够与两个或一个信标节点通信，但完成三边定位至少需要三个信标节点，此时传统的超宽带定位算法无法工作，同时对非视线传输的识别与消除也无法发挥作用。

发明内容

针对现有技术中的室内定位技术在类似矿山等极端环境中超宽带信号根本无法穿透障碍物导致无法定位等不足，本发明要解决的问题是提供用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法，包括以下步骤：

1)使用信号飞行时间算法测距的基于超宽带的室内定位系统，利用超宽带算法在视线传输情况下的高精度定位结果计算目标的速度与方向；

2)目标在初次进入超宽带无法定位区域时，基于步骤1)中计算的速度与方向，计算该目标在该区域中的进入坐标、走出坐标和路径；

3)目标在第二次及之后进入同一个超宽带无法定位区域时，重复步骤2)，计算该区域内的进入坐标、走出坐标与路径，计算均值，以增加准确性；

4)根据步骤1)获得的目标速度、方向与步骤3)获得的超宽带无法定位区域内的行走路径，完成对目标的定位。

当高精度定位算法在信标节点与标签之间能够实现测距的数量少于三个时，通过目标行为辅助定位。

步骤1)中，利用定位算法在视线传输情况下的高精度定位结果计算目标的速度与方向，公式如下：

其中，X_t表示时刻t时，通过超宽带计算得到的坐标，v_t表示t时刻的速度向量。

步骤2)中，当目标第一次进入超宽带算法无法定位区域时，计算该区域内的路径，该路径是通过目标在该区域内的入口坐标、出口坐标和拐点表示的。

在超宽带无法定位区域内拐点与出入点的计算过程依据两个约束：总路径长度为目标速度乘以时间；拐点在目标进入时的方向上；通过下式表示为：

其中，(x₁,y₁)与(x₂,y₂)分别表示出入单信标区域时测得的坐标，Δt表示目标走过单信标区域所花费的时间，V表示目标进入单信标区域时的速度向量，(p_x、p_y)为拐点坐标；

步骤3)中，在目标第二次及以后进入同一个的超宽带无法定位区域内时，继续计算拐点与出入点坐标，然后使用均值作为最终路径结果：

其中，P、L₁、L₂分别表示拐点坐标、入口坐标与出口坐标，P⁽ⁱ⁾、L₁ ⁽ⁱ⁾、L₂ ⁽ⁱ⁾分别表示第i次计算得到的拐点坐标、入口坐标与出口坐标，n表示计算次数。

在超宽带无法定位区域内，根据目标进入的方向与速度，加上路径信息，预估目标的实时位置。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.应用本发明方法，当障碍物导致的非视线传输使得能够与目标通信并完成测距算法的信标节点数量少于3个时，或即使只有一个信标节点通信时，依旧能够完成定位，大大提升了定位算法的鲁棒性。

2.本法明所述方法可以直接在传统的基于超宽带的定位系统基础上修改，仅需修改部分定位算法，而无需对现有硬件进行任何改动。

3.本发明所述方法不要求定位目标佩戴的标签上增加负担，相较于一些混合多种传感数据的定位技术，该方法具有很多优点，包括不会额外增加硬件成本及消耗标签能量、实现难度低。

附图说明

图1为本发明一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法的路径探测主视图；

图2为本发明一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法中使用三条超宽带信息完成测距的逻辑结构主视图；

图3为本发明一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法中测试环境的平面图；

图4为本发明一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法中测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本发明一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法，包括以下步骤：

1)使用信号飞行时间(TOF)算法测距的基于超宽带的室内定位系统，利用超宽带算法在视线传输情况下的高精度定位结果计算目标的速度与方向；

2)目标在初次进入超宽带无法定位区域时，基于步骤1)中计算的速度与方向，计算该目标在该区域中的进入坐标、走出坐标和路径；

3)目标在第二次及之后进入同一个超宽带无法定位区域时，重复步骤2)，计算该区域内的进入坐标、走出坐标与路径，计算均值，以增加准确性；

4)根据步骤1)获得的目标速度、反向与步骤3)获得的超宽带无法定位区域内的行走路径，完成对目标的定位。

当高精度定位算法在信标节点与标签之间能够实现测距的数量少于三个时，通过目标行为辅助定位。

步骤1)中，利用定位算法在视线传输情况下的高精度定位结果计算目标的速度与方向，公式如下：

其中，Xt表示时刻t时，通过超宽带计算得到的坐标，v_t表示t时刻的速度向量。

步骤2)中，当目标第一次进入超宽带算法无法定位区域时，计算该区域内的路径，该路径是通过目标在该区域内的入口坐标、出口坐标和拐点表示的。

在超宽带无法定位区域内拐点与出入点的计算过程依据两个约束：总路径长度为目标速度乘以时间；拐点在目标进入时的方向上；通过下式表示为：

其中，(x₁,y₁)与(x₂,y₂)分别表示出入单信标区域时测得的坐标，Δt表示目标走过单信标区域所花费的时间，V表示目标进入单信标区域时的速度向量，(p_x、p_y)为拐点坐标；

步骤3)中，在目标第二次及以后进入同一个的超宽带无法定位区域内时，继续计算拐点与出入点坐标，然后使用均值作为最终路径结果：

其中，P、L₁、L₂分别表示拐点坐标、入口坐标与出口坐标，它们分别对应式(2)中的(p_x、p_y)、(x₁,y₁)与(x₂,y₂)，P⁽ⁱ⁾、L₁ ⁽ⁱ⁾、L₂ ⁽ⁱ⁾分别表示第i次计算得到的拐点坐标、入口坐标与出口坐标，n表示计算次数。

在超宽带无法定位区域内，根据目标进入的方向与速度，加上路径信息，预估目标的实时位置。

本实施例以矿山等极端环境为例，定位系统至少包含两种设备，信标节点和电子标签。其中，电子标签固定在待定位目标上，信标节点部署在待定位环境中，其坐标已知。本发明针对的定位系统，使用基于信号飞行时间(ToF)算法测距，进而计算定位结果的，而非复杂的到达时间差算法，这使得基站之间不需要很高的始终同步算法。测距过程使用三条消息实现，它们之间的顺序与时间戳记录方式如图2所示，然后，距离可以通过下式计算得到：

d＝P_prop*C (5)

其中，d表示标签与信标节点之间的距离，C为光速，即无线信号的速度，T_round1、T_round2、T_reply1、T_reply2表示三条消息在标签或信标节点上发送与接收的时间间隔，其具体含义如图2所示，T_prop表示信号飞行时间。

本发明一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法可直接部署在基于超宽带的高精度室内定位系统上，定位系统可以基于dw1000芯片实现超宽带通信，使用信号放大器以实现超过230米的视距通信距离，标签以1Hz的频率发送定位信息，并使用基于信号飞行时间算法完成与信标节点的测距。定位信息通过信标节点汇聚到服务器上，在服务器上根据这些数据实现定位算法。

本发明将该算法部署在了一个超宽带定位系统上，并在实际环境中模拟了复杂环境中产生的信号丢失情况，然后对定位方法进行了实验。实验过程中，共部署了三个信标节点，在定位环境中因为楼宇与树木的遮挡，存在复杂环境中的无法定位区域与普通可定位区域，即：(1)标签能够与三个及以上信标节点完成通信与测距；(2)标签能够与两个信标节点完成通信与测距；(3)标签仅能够与一个信标节点完成通信与测距。该情况如图3所示，图中标记了三个信标节点，因为障碍物的遮挡，每个信标节点都存在信号覆盖不到的区域，图中使用不同样式的阴影表示不同基站无法覆盖到的区域。即，如果某个区域没有阴影覆盖，则表示该区域内的标签能够与三个信标节点通信，如果有一种样式的阴影覆盖，则表示该区域内的标签能够与两个信标节点通信，如果有两个样式的阴影同时覆盖，则表示该区域的标签仅能够与一个信标节点通信。

标签可以计算与每个信标节点的距离。在理想情况，可以直接使用三边定位算法完成标签坐标的计算，但是在实际情况中，距离的计算存在误差，而且可能存在超过三个信标节点接收到标签消息的情况，这样的话，三边定位算法的精度较差，因此本文使用最小二乘法以提高定位精度。

根据计算得到的距离与信标节点的坐标，可以得到以下方程组：

其中，(x,y)表示待测标签的坐标，(x_i,y_i)表示第i个信标节点的坐标，d_i表示标签与第i个信标节点之间的距离。则式(4)表示存在n个方程，将前n-1个方程减去第n个，可以得到n-1个方程，将其使用矩阵表示为：

上式可以简化为：

AX＝b， (8)

其中：

当A为非奇异矩阵时，表示标签至少能够与三个信标节点同行并完成测距，则标签的定位结果为：

X＝(A^TA)^-1A^Tb， (10)

当公式6中的A为非奇异矩阵时，使用最小二乘法计算得到的目标坐标。根据该结果，可以通过式(1)计算当前时刻的速度向量。

其中，Xt表示时刻t时，通过超宽带计算得到的坐标，v_t表示t时刻的速度向量。

当公式(6)中的A为奇异矩阵时，该情况表示只有一个信标节点能够完成与标签的通信与测距，此时超宽带定位算法无法再提供可参考的定位结果，即使考虑目标的移动速度与方向，可能的坐标位置范围也极大。此时的定位算法包括两个方面，第一个是路径探测，第二个是定位，在系统实现时，表现为两个独立运行的线程。

首先，关于路径探测，该功能是在目标进入仅有一个信标节点能够与标签完成测距的区域(以下简称单信标区域)启动，走出单信标区域时结束。此时，依靠出、入单信标区域时的两个坐标和目标的速度向量来探测该区域的路径，因为约定在所有单信标区域只存在一个路径的拐点，所以路径探测的问题可以归约为求解该拐点的坐标，如图1所示。假设，该拐点坐标为(p_x,p_y)，则可以通过公式2、3计算得到出入坐标与拐点。

当目标第一次进入超宽带算法无法定位区域时，在超宽带无法定位区域内拐点与出入点的计算过程，主要依据两个约束：(1)总路径长度为目标速度乘以时间；(2)拐点在目标进入时的方向上。他们可以通过下式表示：

其中，(x₁,y₁)与(x₂,y₂)分别表示出入单信标区域时测得的坐标，Δt表示目标走过单信标区域所花费的时间，V表示目标进入单信标区域时的速度向量，(p_x、p_y)为拐点坐标；

在目标第二次及以后进入同一个的超宽带无法定位区域内时，需要继续计算拐点与出入点坐标，然后使用均值作为最终路径结果：

其中，P、L₁、L₂分别表示拐点坐标、入口坐标与出口坐标，它们分别对应式2中的(p_x、p_y)、(x₁,y₁)与(x₂,y₂)，P⁽ⁱ⁾、L⁽ⁱ⁾ ₁、L⁽ⁱ⁾ ₂分别表示第i次计算得到的拐点坐标、入口坐标与出口坐标，n表示计算次数。

关于定位，因为有了路径，所以速度向量的方向因素可以忽略。以信标节点为圆心，距离为半径，与路径的交点或最近的位置为目标坐标。符合该要求的坐标可能有多个，通过速度矢量与路径，基于上一时刻的位置来迭代预测当前时刻的位置，选择与该位置最近的坐标为最终结果。结果如图4所示，实验人员以相同轨迹行走了5次，图4中，左图是全图，因为地图较大，无法分辨细节，将关键位置放大到了右图。从右图中可以看出，传统的超宽带定位算法，当能够与标签完成测距的信标节点数量少于3个时，是无法完成定位的，代表超宽带定位结果的蓝色线与圆点，在右图中完全看不到了，而使用本发明方法在第一次行走时，因为未能进行路径探测，在单信标节点区域也没有产生定位结果，即图中红色线和三角点，第二次行走产生了定位结果，而且随着行走次数越多，定位精度越高。

Claims (5)

1.一种用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法，其特征在于包括以下步骤：

1)使用信号飞行时间算法测距的基于超宽带的室内定位系统，利用超宽带算法在视线传输情况下的高精度定位结果计算目标的速度与方向；

2)目标在初次进入超宽带无法定位区域时，基于步骤1)中计算的速度与方向，计算该目标在该区域中的进入坐标、走出坐标和路径；

3)目标在第二次及之后进入同一个超宽带无法定位区域时，重复步骤2)，计算该区域内的进入坐标、走出坐标与路径，计算均值，以增加准确性；

4)根据步骤1)获得的目标速度、方向与步骤3)获得的超宽带无法定位区域内的行走路径，完成对目标的定位；

步骤2)中，当目标第一次进入超宽带算法无法定位区域时，计算该区域内的路径，该路径是通过目标在该区域内的入口坐标、出口坐标和拐点表示的；

在超宽带无法定位区域内拐点与出入点的计算过程依据两个约束：总路径长度为目标速度乘以时间；拐点在目标进入时的方向上；通过下式表示为：

其中，(x₁,y₁)与(x₂,y₂)分别表示出入单信标区域时测得的坐标，Δt表示目标走过单信标区域所花费的时间，V表示目标进入单信标区域时的速度向量，(p_x、p_y)为拐点坐标。

2.根据权利要求1所述的用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法，其特征在于：当高精度定位算法在信标节点与标签之间能够实现测距的数量少于三个时，通过目标行为辅助定位。

3.根据权利要求1所述的用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法，其特征在于：步骤1)中，利用定位算法在视线传输情况下的高精度定位结果计算目标的速度与方向，公式如下：

其中，X_t表示时刻t时，通过超宽带计算得到的坐标，v_t表示t时刻的速度向量。

4.根据权利要求1所述的用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法，其特征在于：步骤3)中，在目标第二次及以后进入同一个的超宽带无法定位区域内时，继续计算拐点与出入点坐标，然后使用均值作为最终路径结果：

其中，P、L₁、L₂分别表示拐点坐标、入口坐标与出口坐标，P⁽ⁱ⁾、L₁ ⁽ⁱ⁾、L₂ ⁽ⁱ⁾分别表示第i次计算得到的拐点坐标、入口坐标与出口坐标，n表示计算次数。

5.根据权利要求1所述的用于复杂环境中超宽带非视线传输的高精度定位方法，其特征在于：在超宽带无法定位区域内，根据目标进入的方向与速度，加上路径信息，预估目标的实时位置。

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