CN112954601B - 一种非可视条件计算基站与标签距离的方法及其相关组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非可视条件计算基站与标签距离的方法及其相关组件。该方法包括：将多径模拟信号进行离散处理，得到离散数字信号，并输入至平均窗口函数中进行计算，将计算结果分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号；计算UWB信道模型的摆率，获取UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，根据摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号；若是则将第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号计算出定位基站与定位标签之间的距离。本发明在低摆率时对非可视信号进行检测，避免了强多经信号对前边沿信号的干扰，从而更加精确地计算出定位基站与定位标签之间的距离。

Description

一种非可视条件计算基站与标签距离的方法及其相关组件
技术领域
本发明涉及室内测距技术领域，尤其涉及一种非可视条件计算基站与标签距离的方法及其相关组件。
背景技术
全球导航卫星系统如GPS、GLONASS、北斗等已经在很长时间内作为默认的户外定位系统。近年来，随着物联网的快速发展以及智能手机的日益普及，室内定位系统的需求在不断增加。目前，许多已经被开发出来室内定位系统，如基于收到的射频信号强度转换回距离信息的RFID、蓝牙低能耗技术(BLE)、Wi-Fi技术，以及基于发射短脉冲信号的UWB超带宽技术。UWB超带宽技术由于抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小等特点，被广泛应用于室内定位。然而，UWB超带宽技术在非可视条件下容易因低摆率及强多经信号的干扰，导致定位精度降低。
发明内容
本发明实施例提供了一种非可视条件计算基站与标签距离的方法及其相关组件，旨在解决现有技术中UWB超带宽技术在非可视条件下容易因低摆率及强多经信号的干扰，导致定位精度降低的问题。
本发明实施例提供了一种非可视条件计算基站与标签距离的方法，包括：
获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入至模数转换器进行离散处理，得到离散数字信号；
将所述离散数字信号输入至平均窗口函数中，计算得到目标平均信号，并将所述目标平均信号分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号；
利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，并获取所述UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，并根据所述摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号；
若所述多径模拟信号为非可视信号，则将所述第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号，根据所述前边沿信号计算出定位基站与定位标签之间的距离。
本发明实施例还提供了一种非可视条件计算基站与标签距离的系统，包括：
离散数字信号获取单元，用于获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入至模数转换器进行离散处理，得到离散数字信号；
滤波处理单元，用于将所述离散数字信号输入至平均窗口函数中，计算得到目标平均信号，并将所述目标平均信号分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号；
非可视信号判断单元，用于利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，并获取所述UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，并根据所述摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号；
距离计算单元，用于若所述多径模拟信号为非可视信号，则将所述第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号，根据所述前边沿信号计算出定位基站与定位标签之间的距离。
第三方面，本发明实施例又提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法。
本发明实施例提供了一种非可视条件计算基站与标签距离的方法及其相关组件。该方法包括：获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入至模数转换器进行离散处理，得到离散数字信号；将所述离散数字信号输入至平均窗口函数中，计算得到目标平均信号，并将所述目标平均信号分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号；利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，并获取所述UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，并根据所述摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号；若所述多径模拟信号为非可视信号，则将所述第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号，根据所述前边沿信号计算出定位基站与定位标签之间的距离。本发明实施例在低摆率时对非可视信号进行检测，避免了强多经信号对前边沿信号的干扰，从而更加精确地计算出定位基站与定位标签之间的距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的非可视条件计算基站与标签距离的方法的流程示意图；
图2为非可视条件下UWB信道模型的接收信号样本图；
图3为本发明实施例提供的非可视条件计算基站与标签距离的系统的示意性框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种非可视条件计算基站与标签距离的方法的流程示意图，该方法包括步骤S101～S104。
S101、获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入至模数转换器进行离散处理，得到离散数字信号；
S102、将所述离散数字信号输入至平均窗口函数中，计算得到目标平均信号，并将所述目标平均信号分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号；
S103、利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，并获取所述UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，并根据所述摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号；
S104、若所述多径模拟信号为非可视信号，则将所述第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号，根据所述前边沿信号计算出定位基站与定位标签之间的距离。
在本实施例中，在非可视条件下计算定位基站与定位标签的距离，首先获取UWB信道模型的多径模拟信号，经过模数转换器进行离散处理得到离散数字信号，将所述离散数字信号输入至平均窗口函数进行计算，并将计算结果分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号，先利用所述第一窗口函数信号和第二窗口函数信号计算出UWB信道模型的摆率，然后获取所述UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，并根据摆率和间隔时间标准差判断所采集的多径模拟信号是否为非可视信号，若是，则将满足预设条件的所述第二窗口函数信号作为前边沿信号计算出定位基站与定位标签之间的距离。
如图2所示，图2为非可视条件下UWB信道模型的接收信号样本图，在低摆率下强多经干扰信号在样本数据接近1000后被高亮显示，此时的信号波动比较大，导致数据采集不够准确。在本实施例中，利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，并获取所述UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，并根据所述摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号，从而对采集的多径模拟信号进行处理，得到正确且有效的前边沿信号，进而计算出定位标签与定位基站之间的距离。
所述多径模拟信号的表达式为：
Figure BDA0003037244120000051
其中ak,l是第1个集群中第k个分量的点击权重，Tl是第1个集群的延迟，τk,l是第k个MPC相对于第1个集群到达时间Tl的延迟。各阶段：
Figure BDA0003037244120000052
是均匀分布的，即对于带通系统，相位从2π的范围内作为一个均匀分布的随机变量。
在一具体实施例中，获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入转换速率为105、精度为10比特的模数转换器中进行采样，得到离散数字信号。在本实施例中，利用转换速率为105、精度为10比特的模数转换器对采集到的多径模拟信号h(t)进行模数转换，从而将所述多径模拟信号h(t)转换为离散数字信号h[t]。所述模数转换器是把经过与标准量比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器。在得到所述离散数字信号h[t]后，将所述离散数字信号h[t]输入至平均窗口函数中，通过以下公式计算得到目标平均信号：y[t]＝avewindow(abs(h[t]),16)其中，16为平均窗口函数的长度，h[t]为离散数字信号，avewindow(x,n)指一个长度为n、取x的一个平均函数，abs指取绝对值。
在一具体实施例中，所述将所述目标平均信号分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号，包括：
将所述目标平均信号输入至长度为16的第一窗口滤波器中进行滤波处理，输出得到第一窗口函数信号；
将所述目标平均信号输入至长度为272的第二窗口滤波器中进行滤波处理，输出得到第二窗口函数信号。
在本实施例中，将目标平均函数y[t]分别输入至长度为16和272的窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号。将所述目标平均函数y[t]输入至长度为16的第一窗口滤波器中，从而得到所述第一窗口函数max_n1[t]，所述第一窗口函数max_n1[t]的计算公式为：max_n1[t]＝maxwindow(y[t],n1)；将所述目标平均函数y[t]输入至长度为272的第二窗口滤波器中，从而得到所述第二窗口函数max_n2[t]，所述第二窗口函数max_n2[t]的计算公式为：max_n2[t]＝maxwindow(y[t],n2)；其中，maxwindow(x,n)代表一个从给定大小为n的窗口中返回最大值的函数。相对于单窗口检测，通过采用双窗口检测，滤波效果更佳。
在一实施例中，所述利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，包括：
获取多个所述第一窗口函数信号，并通过如下公式计算多个所述第一窗口函数信号产生的斜率rslew，根据所述斜率估计所述UWB信道模型的摆率；
Figure BDA0003037244120000061
其中，max_n1[t+30]为[t+30]时刻的所述第一窗口函数信号，max_n1[t-30]为[t-30]时刻的所述第一窗口函数信号。
在本实施例中，在进行非可视信号的检测前，先对摆率进行测试，利用多个所述第一窗口函数信号产生的斜率估计出对应的摆率。由上述公式可知，所述UWB信道模型的摆率是通过61个最大窗口max_n1[t]的样本产生的斜率进行估计的。
在一实施例中，所述步骤S103包括：
若所述摆率小于或等于第一经验阈值，或者所述间隔时间标准差大于或等于第二经验阈值，则将所述多径模拟信号判定为非可视信号。
在本实施例中，如图2所示，在非可视条件下，强多经干扰信号部分相对于弱可视信号向后进行了一段时间的偏移，因此需要检测该信号是否为非可视信号，具体是通过判断所述摆率是否小于或等于第一经验阈值，或者所述间隔时间标准差是否大于或等于第二经验阈值。即：if(rslew≤β)OR(σLE≥γ)，其中，β为第一经验阈值，γ为第二经验阈值，rslew为摆率，σLE为间隔时间标准差，σLE具体可以是当前脉冲信号的前5个接收到的脉冲信号时间样本的标准差。当所述多径模拟信号判定为非可视信号时，将双窗口检测改为单窗口检测，即保留第二窗口滤波器作为单窗口检测所使用的的滤波器。
在一实施例中，所述若所述多径模拟信号为非可视信号，则将所述第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号，包括：
判断所述第二窗口函数信号是否大于估计噪音值；
若所述第二窗口函数信号大于估计噪音值，则将所述第二窗口函数信号作为前边沿信号；
若所述第二窗口函数信号小于估计噪音值，则重新获取新的第二窗口函数信号，并重新进行判断。
在本实施例中，当所述多径模拟信号为非可视信号时，判断所述第二窗口函数信号是否大于估计噪音值，只有满足第二窗口函数信号大于估计噪音值的这个预设条件，才能视为成功检测到一个有效的前边沿信号，此时单窗口的第二窗口滤波器所检测的第二窗口函数信号即视为前边沿信号。所述估计噪音值的计算过程如下：thresh＝nnoise+tswitch，其中，nnoise为当前噪音值，tswitch为噪音阀值，其大小为2n，n＝0,1,2,...,8。
请参阅图3，本发明实施例还提供一种非可视条件计算基站与标签距离的系统200，包括：
离散数字信号获取单元201，用于获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入至模数转换器进行离散处理，得到离散数字信号；
滤波处理单元202，用于将所述离散数字信号输入至平均窗口函数中，计算得到目标平均信号，并将所述目标平均信号分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号；
非可视信号判断单元203，用于利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，并获取所述UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，并根据所述摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号；
距离计算单元204，用于若所述多径模拟信号为非可视信号，则将所述第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号，根据所述前边沿信号计算出定位基站与定位标签之间的距离。
在一实施例中，所述非可视信号判断单元203包括：
经验阈值比较单元，用于若所述摆率小于或等于第一经验阈值，或者所述间隔时间标准差大于或等于第二经验阈值，则将所述多径模拟信号判定为非可视信号。
在一实施例中，所述非可视信号判断单元203包括：
摆率计算单元，用于获取多个所述第一窗口函数信号，并通过如下公式计算多个所述第一窗口函数信号产生的斜率rslew，根据所述斜率估计所述UWB信道模型的摆率；
Figure BDA0003037244120000071
其中，max_n1[t+30]为[t+30]时刻的所述第一窗口函数信号，max_n1[t-30]为[t-30]时刻的所述第一窗口函数信号。
在一实施例中，所述距离计算单元204包括：
估计噪音值判断单元，用于判断所述第二窗口函数信号是否大于估计噪音值；
前边沿信号获取单元，用于若所述第二窗口函数信号大于估计噪音值，则将所述第二窗口函数信号作为前边沿信号；
第二窗口函数信号重获单元，用于若所述第二窗口函数信号小于估计噪音值，则重新获取新的第二窗口函数信号，并重新进行判断。
在一实施例中，所述离散数字信号获取单元201包括：
模数转换器转换单元，用于获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入转换速率为105、精度为10比特的模数转换器中进行采样，得到离散数字信号。
在一实施例中，所述滤波处理单元202包括：
目标平均信号计算单元，用于通过以下公式计算目标平均信号：
y[t]＝avewindow(abs(h[t]),16)
其中，16为平均窗口函数的长度，h[t]为离散数字信号，avewindow(x,n)指一个长度为n、取x的一个平均函数，abs指取绝对值。
在一实施例中，滤波处理单元202包括：
第一窗口滤波单元，用于将所述目标平均信号输入至长度为16的第一窗口滤波器中进行滤波处理，输出得到第一窗口函数信号；
第二窗口滤波单元，用于将所述目标平均信号输入至长度为272的第二窗口滤波器中进行滤波处理，输出得到第二窗口函数信号。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种非可视条件计算基站与标签距离的方法，其特征在于，包括：
获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入至模数转换器进行离散处理，得到离散数字信号；
将所述离散数字信号输入至平均窗口函数中，计算得到目标平均信号，并将所述目标平均信号分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号；
利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，并获取所述UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，并根据所述摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号；
若所述多径模拟信号为非可视信号，则将所述第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号，根据所述前边沿信号计算出定位基站与定位标签之间的距离。
2.根据权利要求1所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法，其特征在于，所述利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，并获取所述UWB信道模型脉冲信号的间隔时间标准差，并根据所述摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号，包括：
若所述摆率小于或等于第一经验阈值，或者所述间隔时间标准差大于或等于第二经验阈值，则将所述多径模拟信号判定为非可视信号。
3.根据权利要求1所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法，其特征在于，所述利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，包括：
获取多个所述第一窗口函数信号，并通过如下公式计算多个所述第一窗口函数信号产生的斜率rslew，根据所述斜率估计所述UWB信道模型的摆率；
Figure FDA0003037244110000011
其中，max_n1[t+30]为[t+30]时刻的所述第一窗口函数信号，max_n1[t-30]为[t-30]时刻的所述第一窗口函数信号。
4.根据权利要求1所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法，其特征在于，所述若所述多径模拟信号为非可视信号，则将所述第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号，包括：
判断所述第二窗口函数信号是否大于估计噪音值；
若所述第二窗口函数信号大于估计噪音值，则将所述第二窗口函数信号作为前边沿信号；
若所述第二窗口函数信号小于估计噪音值，则重新获取新的第二窗口函数信号，并重新进行判断。
5.根据权利要求1所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法，其特征在于，所述获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号进行模数转换模块进行离散处理，得到离散数字信号，包括：
获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入转换速率为105、精度为10比特的模数转换器中进行采样，得到离散数字信号。
6.根据权利要求1所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法，其特征在于，所述将所述离散数字信号输入至平均窗口函数中，计算得到目标平均信号，包括：
通过以下公式计算目标平均信号：
y[t]＝avewindow(abs(h[t]),16)
其中，16为平均窗口函数的长度，h[t]为离散数字信号，avewindow(x,n)指一个长度为n、取x的一个平均函数，abs指取绝对值。
7.根据权利要求1所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法，其特征在于，所述将所述目标平均信号分别输入至第一窗口滤波模块和第二窗口滤波模块中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号，包括：
将所述目标平均信号输入至长度为16的第一窗口滤波器中进行滤波处理，输出得到第一窗口函数信号；
将所述目标平均信号输入至长度为272的第二窗口滤波器中进行滤波处理，输出得到第二窗口函数信号。
8.一种非可视条件计算基站与标签距离的系统，其特征在于，包括：
离散数字信号获取单元，用于获取基于UWB信道模型的多径模拟信号，将所述多径模拟信号输入至模数转换器进行离散处理，得到离散数字信号；
滤波处理单元，用于将所述离散数字信号输入至平均窗口函数中，计算得到目标平均信号，并将所述目标平均信号分别输入至第一窗口滤波器和第二窗口滤波器中进行滤波处理，得到第一窗口函数信号和第二窗口函数信号；
非可视信号判断单元，用于利用所述第一窗口函数信号计算所述UWB信道模型的摆率，并获取所述UWB信道模型的脉冲信号的间隔时间标准差，并根据所述摆率和间隔时间标准差判断多径模拟信号是否为非可视信号；
距离计算单元，用于若所述多径模拟信号为非可视信号，则将所述第二窗口滤波器输出的第二窗口函数信号作为前边沿信号，根据所述前边沿信号计算出定位基站与定位标签之间的距离。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的非可视条件计算基站与标签距离的方法。
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