CN113791383A - 一种基于超宽带测距的组合双锚点定位方法 - Google Patents

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徐宏
杨学冬
张勇
高卿粟
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Abstract

本发明提供一种基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，包括以下步骤：构建组合双锚点定位基站，包括双锚点基站和超宽带增益天线；通过组合双锚点定位基站，对待定位标签每隔一个固定时间进行双边双向测距，其中：若获得两个待定位标签的距离信息，则标签处于两个超宽带增益天线的重合范围，根据两个超宽带增益天线的距离和单个距离信息确定标签位置；若获得一个待定位标签的距离信息，则处于该超宽带增益天线主瓣方向上，根据该距离信息确定标签位置。该方法基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，通过创新的组合基站构造设计，利用组合双锚点的空间位置关系和融合数据处理方法，有效地解决了单基站一维定位问题和多基站扩展定位问题。

Description

一种基于超宽带测距的组合双锚点定位方法
技术领域
本发明涉及超宽带定位技术领域，具体涉及一种基于超宽带测距的组合双锚点定位方法。
背景技术
超宽带(Ultra Wide-Band，UWB)是一种新型的无线通信技术，最早用于军事，近年来逐步转入民用，特别是高精度室内定位领域。超宽带具有低功耗、对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强(能在穿透一堵砖墙的环境进行定位)，在视距(line ofsight,LOS)环境下理论上能获得优于厘米级的测距和定位精度等特点，非常适合于高精度的室内定位。
对于城市轨道交通地下空间、矿产开采隧道、大型地下管廊等具有长距离、小横截面等特点的室内空间，定位问题可以近似为一维直线定位模型问题，对标签的定位即为准确获取标签相对基站锚点的一维直线上的距离位置。当前，对于一维定位问题，绝大多数定位方案均采用单基站单锚点的方式，一个基站即为一个超宽带锚点，且超宽带锚点天线近似全向辐射，利用与标签最近的相邻两个锚点相互配合进行定位。在这种定位方式下，锚点天线的近似全向辐射在狭窄的空间中会由于多径和干扰因素造成定位精度下降，同时，全向辐射造成能量在空间上的分散，通信距离将极大受限；另外，标签要实现可靠定位，需要同时与相邻两个锚点进行通信，这势必要求相邻两个锚点的通信范围要充分重叠，进而限制了锚点的定位距离；特别是在进行长距离室内定位时，锚点的数量也必然随之增加，工程上带来的是大量的成本消耗和冗余浪费。
为此，本发明提出了一种新的基于超宽带测距的组合双锚点定位方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于超宽带测距的组合双锚点定位方法。
一种基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，包括以下步骤：
构建组合双锚点定位基站，包括双锚点基站和超宽带增益天线；两个所述超宽带增益天线分别通过同轴线缆与双锚点基站的两个锚点相连，且主瓣方向分别指向天线连线的两个射线方向，两者的主瓣方向的反方向的有限范围重叠；
通过组合双锚点定位基站，对待定位标签每隔一个固定时间进行双边双向测距，其中：
若获得两个待定位标签的距离信息，则标签处于两个超宽带增益天线的重合范围，根据两个超宽带增益天线的距离和单个距离信息确定标签位置；
若获得一个待定位标签的距离信息，则处于该超宽带增益天线主瓣方向上，根据该距离信息确定标签位置。
优选地，所述双边双向测距包括以下步骤：
以超宽带增益天线为主动节点，发送数据包，待定位标签接收数据包并反馈确认；
以待定位标签为主动节点，发送数据包，超宽带增益天线接收数据包并反馈确认；
以超宽带增益天线为主动节点，发送数据包，待定位标签接收数据包并反馈确认；
根据三次通信所得的飞行时间计算得到
Figure BDA0003305688270000021
的估计值为：
Figure BDA0003305688270000031
式中，Tround1为超宽带增益天线为主动节点开始发送数据包到接收到反馈信息的时间；Treply1为待定位标签反馈确认的时间与接收到数据包的时间差；Tround2为待定位标签为主动节点开始发送数据包到接收到反馈信息的时间；Treply2为超宽带增益天线反馈确认的时间与接收到数据包的时间差。
优选地，所述组合双锚点定位基站为多个；多个所述组合双锚点定位基站在长距离待定位空间中沿直线顺序设置，相邻两个所述组合双锚点定位基站之间的距离小于单基站最大定位距离的2倍。
优选地，还包括：
多个所述组合双锚点定位基站时，每个组合双锚点定位基站分别对定位覆盖范围内的标签独立进行定位，定位结果以该组合双锚点定位基站为参考原点；
将定位结果上传到数据融合处理中心，进行数据坐标转换和融合处理，形成系统级的定位结果；
数据融合处理中心将该定位结果上传服务器。
优选地，所述组合双锚点定位基站与数据融合处理中心通过有线传输方式进行通讯。
优选地，所述组合双锚点定位基站与数据融合处理中心通过无线传输方式进行通讯。
本发明有益效果：
本发明提出一种基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，该方法基于超宽带双边双向测距原理，对定位基站构成进行重新设计，充分利用锚点天线的方向性和空间相对位置关系，实现标签定位，并在此基础上，考虑长距离定位需求，提出了多基站扩展定位方法，在实现有效定位的同时，整体上拓展了定位距离，解决了非视距(Non-Line OfSight，NLOS)影响，提高了定位精度，降低了系统成本，对于系统的实际工程应用具有很高的参考价值和经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例的单基站一维定位过程示意图；
图2是本发明实施例的双边双向测距原理示意图；
图3是本发明实施例的组合双锚点定位基站构成图；
图4是本发明实施例的多基站扩展定位示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本发明提出了一种基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，组合双锚点定位基站结构如图2所示，包括以下步骤：
S1：构建组合双锚点定位基站，包括双锚点基站和超宽带增益天线；两个所述超宽带增益天线分别通过同轴线缆与双锚点基站的两个锚点相连，且主瓣方向分别指向天线连线的两个射线方向，两者的主瓣方向的反方向的有限范围重叠；其中，理想情况下，要求组合基站具有绝对的电磁屏蔽性，以避免基站内部锚点与标签直接建立通信。采用上述方案设计的单个组合双锚点定位基站，其直线视距有效定位距离可达1000米左右，远远超过传统单锚点基站的定位距离(DW1000在50米距离后辐射能量衰减明显)。
S2：通过组合双锚点定位基站，对待定位标签每隔一个固定时间进行双边双向测距，其中，双边双向测距原理示意图如图2所示，具体包括：以超宽带增益天线为主动节点，发送数据包，待定位标签接收数据包并反馈确认；以待定位标签为主动节点，发送数据包，超宽带增益天线接收数据包并反馈确认；以超宽带增益天线为主动节点，发送数据包，待定位标签接收数据包并反馈确认；根据三次通信所得的飞行时间可以计算得到
Figure BDA0003305688270000051
的估计值为：
Figure BDA0003305688270000052
S3：若获得两个待定位标签的距离信息，则标签处于两个超宽带增益天线的重合范围，根据两个超宽带增益天线的距离和单个距离信息确定标签位置；
若获得一个待定位标签的距离信息，则处于该超宽带增益天线主瓣方向上，根据该距离信息确定标签位置。
本实施例中，单基站一维定位过程如图1所示。图中，组合基站与两个外置增益天线构成一个单基站，天线1与天线2间距L距离，标签a和标签b分别位于基站的左和右，标签每隔一个固定或非固定时间间隔分别与两个天线(两个锚点)进行一次双边双向测距。当标签距离基站距离足够近时，标签处于两个天线的重叠覆盖范围内，组合基站将同时获得同一个标签的两个距离信息Da1、Da2(或Db1、Db2)；当标签距离基站足够远时，标签只处于某一天线的主瓣范围内，组合基站将只获得一个距离信息Da1(或Db2)。此时，单基站一维定位的任务就是根据获得的距离信息来判断标签的方向，并进而确定位置。
以标签a为例，当标签a处于两个天线的重叠覆盖范围且不在两天线中间时，基站将同时获得两个距离信息Da1和Da2，通过比较Da1和Da2的值，如果Da2-Da1＝L，则可以判断标签a处于天线1的主瓣方向，且取主瓣方向测得的距离Da1作为标签a相对天线1的位置；反之，如果Da2-Da1＝-L，则可以判断标签a处于天线2的主瓣方向，且取主瓣方向测得的距离Da2作为标签a相对天线2的位置。然而，当标签距离基站足够远时，基站将只能获得一个距离信息，那么这时哪个天线(锚点)收到信息就判定标签处于该天线主瓣方向，且距离即为测得的距离信息。另外，当标签移动到两个天线中间时，基站将同时获得同一个标签的两个距离信息，且两个距离值之和等于L，这时可以通过比较两个距离值的大小来判定标签的实际位置，即标签位置更靠近距离值小的那个天线(锚点)。标签b的定位过程和方法与标签a相同。
进一步的，还包括多基站扩展定位：
当待定位空间直线距离延伸较远时，单基站组合双锚点定位方案依然无法解决跨区域定位问题，特别是当这种距离延伸存在弯曲、拐角等非视距因素时，必须通过增加基站数量来改善整体定位效果，这时就需要考虑多基站扩展定位方案，如图4所示。多个所述组合双锚点定位基站在长距离待定位空间中沿直线顺序设置，相邻两个所述组合双锚点定位基站之间的距离为单基站最大定位距离的2倍。例如，若单基站任一方向最大定位距离为1000米时，相邻俩基站之间的距离即设定为2000米左右，并保证相邻俩基站之间有效衔接。另外，当待定位空间存在弯曲、拐角时，可适当增加基站来解决非视距问题。多基站扩展定位系统中，基站之间通过有线或无线方式进行通信，并设置数据融合处理中心，作为定位系统的参考原点，完成各基站定位信息坐标转换、融合处理及结果上报。
多基站扩展定位时，每个基站基于单基站一维定位原理分别对定位覆盖范围内的标签独立进行定位，定位结果以该基站为参考原点，然后通过有线或无线方式将该定位结果上传到数据融合处理中心，进行数据坐标转换和融合处理，形成系统级的定位结果，数据融合处理中心将该定位结果上传服务器供应用服务层软件开发使用。
相对于传统分布式单锚点定位方法，基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，通过创新的组合基站构造设计，利用组合双锚点的空间位置关系和融合数据处理方法，有效地解决了单基站一维定位问题和多基站扩展定位问题。该方法改善了超宽带天线的方向性，在提高定位距离的同时，对于地铁、隧道、大型管廊等特殊应用场景而言，可以大幅减少多径和干扰影响的概率。同时，在多基站扩展定位方案中，定位实施过程可保证每个标签始终处于视距范围中，规避了非视距的影响；另外，鉴于单基站一维定位方法的独立性，可以非常方便地进行长距离的多基站定位系统的扩容，在工程上，随着定位长度的增加，在相同定位距离指标需求下，采用基于组合双锚点定位方法的多基站扩展定位系统的成本消耗会大幅降低。综上所述，本文所提出的基于超宽带测距的组合双锚点定位方法是一种解决一维定位问题的有效方法，关键在于该方法非常方便进行长距离定位系统的扩容，并大幅降低系统建设成本，对于工程实践具有重要的参考价值和明显的经济效益。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建组合双锚点定位基站，包括双锚点基站和超宽带增益天线；两个所述超宽带增益天线分别通过同轴线缆与双锚点基站的两个锚点相连，且主瓣方向分别指向天线连线的两个射线方向，两者的主瓣方向的反方向的有限范围重叠；
通过组合双锚点定位基站，对待定位标签每隔一个固定时间进行双边双向测距，其中：
若获得两个待定位标签的距离信息，则标签处于两个超宽带增益天线的重合范围，根据两个超宽带增益天线的距离和单个距离信息确定标签位置；
若获得一个待定位标签的距离信息，则处于该超宽带增益天线主瓣方向上，根据该距离信息确定标签位置。
2.根据权利要求1所述的基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，其特征在于，所述双边双向测距包括以下步骤：
以超宽带增益天线为主动节点，发送数据包，待定位标签接收数据包并反馈确认；
以待定位标签为主动节点，发送数据包，超宽带增益天线接收数据包并反馈确认；
以超宽带增益天线为主动节点，发送数据包，待定位标签接收数据包并反馈确认；
根据三次通信所得的飞行时间计算得到
Figure FDA0003305688260000011
的估计值为：
Figure FDA0003305688260000012
式中，Tround1为超宽带增益天线为主动节点开始发送数据包到接收到反馈信息的时间；Treply1为待定位标签反馈确认的时间与接收到数据包的时间差；Tround2为待定位标签为主动节点开始发送数据包到接收到反馈信息的时间；Treply2为超宽带增益天线反馈确认的时间与接收到数据包的时间差。
3.根据权利要求1所述的基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，其特征在于，所述组合双锚点定位基站为多个；多个所述组合双锚点定位基站在长距离待定位空间中沿直线顺序设置，相邻两个所述组合双锚点定位基站之间的距离小于单基站最大定位距离的2倍。
4.根据权利要求3所述的基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，其特征在于，还包括：
多个所述组合双锚点定位基站时，每个组合双锚点定位基站分别对定位覆盖范围内的标签独立进行定位，定位结果以该组合双锚点定位基站为参考原点；
将定位结果上传到数据融合处理中心，进行数据坐标转换和融合处理，形成系统级的定位结果；
数据融合处理中心将该定位结果上传服务器。
5.根据权利要求4所述的基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，其特征在于，所述组合双锚点定位基站与数据融合处理中心通过有线传输方式进行通讯。
6.根据权利要求4所述的基于超宽带测距的组合双锚点定位方法，其特征在于，所述组合双锚点定位基站与数据融合处理中心通过无线传输方式进行通讯。
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