CN114205906A - 一种基于uwb信道质量评估的室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于室内定位领域，具体提供一种基于UWB信道质量评估的室内定位方法，用以提高定位系统的环境适应性和定位精度。本发明利用CIR数据计算信道质量评估值，能够有效地利用无线信道特征，更加可靠地评估环境影响造成的测距值误差；并且，根据信道质量估计值进行锚节点选择，能够自动从冗余的锚节点中选择LOS条件、测距误差小的锚节点构成解算组进行定位解算，有效提高UWB室内定位精度，且无需手动设置解算组，降低影响室内定位系统定位精度的人为因素，避免解算组选择的主观性，增强定位系统的环境适应性；同时，解算组中锚节点的数量也是自动选择，与固定数量锚节点进行解算相比，能够进一步提升室内定位精度。

Description

一种基于UWB信道质量评估的室内定位方法
技术领域
本发明属于室内定位领域，具体提供一种基于UWB信道质量评估的室内定位方法。
背景技术
室内定位系统主要分为三种，分别是:基于视觉信息、基于无线信号以及其它方法；而基于无线的定位系统可以分为四类：红外线定位系统、射频系统、全球定位系统以及超声波系统；其中，射频系统中常用的技术有WLAN技术、射频识别(RFID)技术、蓝牙技术、Zigbee技术、无线传感网络(WSNs)技术、超宽带(Ultra－Wideband，UWB)技术等。
基于无线的定位一般步骤为测距和定位解算，首先采用测距算法获取未知节点和已知位置的锚节点之间的距离，然后采用不同的定位模型根据测距值解算未知节点的位置，其定位精度直接受测距精度的影响，其中未知节点通常为定位标签，已知位置的锚节点通常为定位基站。常见的测距算法包括基于接收信号强度(RSS)和基于到达时间(Time ofArriving，TOA)等，TOA主要是根据测量接收信号从定位标签到定位基站的时间差即信号的飞行时间(Time of Fight，TOF)，乘上电磁波的传播速度c来计算两节点之间的距离。与其他射频系统相比，UWB技术在时间分辨率方面尤为突出，在抗多径能力和穿透性方面也有着较好表现，适用于高精度的室内定位服务；然而，由于室内环境复杂，无线信道复杂多变，UWB信号常常受强多径和非视距(Non Line of Sight,NLOS)的影响，导致测距精度下降，由误差较大的测距值解算出的位置精度也同样下降。
由于室内定位系统的锚节点数量往往大于定位解算所须的最小数量，即存在锚节点冗余，参与定位解算的锚节点对应的测距精度对于定位结果的影响就至关重要；因此，提高UWB室内定位精度的一个有效办法为选择测距误差较小的锚节点进行定位解算。当前业界在搭建定位系统时一般会手动设置某固定区域内的锚节点组合，即解算组，定位系统实际运行后再从解算组中根据测距值本身的特征选择锚节点进行定位解算，例如选择测距值标准差较小的锚节点、根据测距值选择较近的锚节点或选择与未知节点间形成最佳几何关系的锚节点，但由于手动设置的解算组主观性强，环境适应性差，其初始测距误差就较大，再加上强多径和NLOS条件下的测距值可靠性差，基于测距值本身的特征选出的锚节点同样具有较大测距误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于UWB信道质量评估的室内定位方法，用以提高定位系统的环境适应性和定位精度。信道冲激响应(Channel Impulse Response，CIR)反映了信道的特征，包含了所有用于分析无线信道的必要信息，已有大量学者利用CIR进行了视距(LOS)和非视距(NLOS)的分类；基于此，本发明为了准确地评估环境影响造成的测距值误差，通过CIR数据计算未知节点(标签)与锚节点间的信道质量估计值，并基于信道质量估计值从冗余的锚节点中自动选择LOS条件、测距误差小的锚节点构成解算组进行定位解算，从而降低锚节点选择的主观性，提高室内定位系统的环境适应性和定位精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.通过UWB定位装置获取标签与可见锚节点间的测距值，并利用测距结束帧计算CIR数据，将测距值和CIR数据通过网关上传至定位引擎；
S2.定位引擎根据CIR数据计算信道质量评估值Q；
S3.选择对应测距值最小的六个锚节点构成第一解算组；
S4.根据信道质量评估值从第一解算组中选出至少四个锚节点构成第二解算组；
S5.根据第二解算组中锚节点对应的测距值解算定位标签的位置。
进一步的，所述步骤S4中，具体包括以下步骤：
S401.检测第一解算组中满足信道质量评估值Q≥T1的锚节点的数量n、T1为预设阈值，若n≥4、选择第一解算组中满足信道质量评估值Q≥T1的n个锚节点构成第二解算组，否则、执行下一步骤；
S402.计算第一解算组中每个锚节点信道质量评估值Q的滑动平均值V，滑动窗长度为t；
S403.检测第一解算组中满足滑动平均值V<T2的锚节点的数量m、T2为预设阈值，若m＝0、则选择第一解算组中信道质量评估值Q最大的4个锚节点构成第二解算组，否则、选择上一次用于解算定位标签位置的锚节点解算组作为第二解算组；
更进一步的，所述阈值T1与LOS条件和NLOS条件对应的信道质量评估值之间的关系为：a<T1≤b；所述滑动窗t的长度至少为3；所述阈值T2满足：
Figure BDA0003409297020000021
a为LOS条件对应的信道质量评估值，b为NLOS条件对应的信道质量评估值。
进一步的，所述步骤S2中，定位引擎提取CIR数据中的特征参量进行NLOS识别，识别为NLOS的测距值对应的信道质量评估值Q＝a，识别为LOS的测距值对应的信道质量评估值Q＝b，a<b；
更进一步的，所述特征参量为CIR数据的首径振幅、最大振幅、信号能量、峰-均能量比、平均超额延迟(MED)、延迟扩展(RMS)、峰度、接收信号的平均幅度、接收信号幅度的方差等一个或多个统计特征的组合。
进一步的，所述步骤S1中，具体包括以下步骤：
S101.采用单边双程测距法或双边双程测距法获取定位标签与定位基站间的飞行时间，根据飞行时间计算标签与可见锚节点间的测距值；
S102.将测距结束帧与本地已知数据帧通过扩频滑动相关计算CIR数据。
更进一步的，所述测距结束帧具体为：当采用单边双程法且由定位标签发起测距、或者采用双边双程法且由定位基站发起测距时，测距结束帧为定位标签计算出飞行时间后发送给定位基站的UWB数据帧；当采用单边双程法且由定位基站发起测距、或者采用双边双程法且由定位标签发起测距时，测距结束帧为定位基站计算出飞行时间后发送给定位标签，定位标签接收后回发给定位基站的UWB数据帧。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于UWB信道质量评估的室内定位方法，具有如下优点：
1、本发明利用CIR数据计算信道质量评估值，能够有效地利用无线信道特征，更加可靠地评估环境影响造成的测距值误差；
2、本发明根据信道质量估计值进行锚节点选择，能够自动从解算组中剔除测距误差大的锚节点，从而提高UWB室内定位精度；
3、本发明能够自动选择参与解算的锚节点，无需手动设置解算组，降低影响室内定位系统定位精度的人为因素，避免解算组选择的主观性，增强定位系统的环境适应性；
4、本发明通过信道质量评估值自动选择参与解算锚节点的数量，与固定数量锚节点进行解算相比，可以通过加入测距误差较小的其他锚节点数量进行解算从而进一步提升室内定位精度。
附图说明
图1为本发明实施例中基于信道质量评估的室内定位系统的功能结构图；其中，1、UWB定位装置；11、定位基站；111、UWB收发器；112、无线通信模块；113、微控制器；114、电源管理模块；12、定位标签；121、UWB收发器；122、无线通信模块；123、微控制器；124、电源管理模块；2、网关；3、服务器；31、后台管理系统；32、定位引擎；33、地图显示系统。
图2为本发明实施例中基于信道质量评估的室内定位方法的流程图。
图3为一种LOS条件下定位基站和定位标签间的UWB信号传播示意图及对应的CIR示意图。
图4为一种NLOS条件下定位基站和定位标签间的UWB信号传播示意图及对应的CIR示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本发明的保护范畴。
本发明提供一种基于信道质量评估的室内定位方法，利用本发明能实现根据CIR数据监测未知节点与锚节点间的信道质量，从中选择LOS条件、测距误差小的锚节点进行定位解算，提高UWB室内定位精度；同时可通过地图显示系统在地图相应位置显示锚节点的位置、定位系统解算出的定位标签位置及其对应坐标值。
如图1所示，本实施例提供一种基于信道质量评估的室内定位系统，包括：UWB定位装置1、网关2、服务器3；其中，
UWB定位装置1用于获取测距值和CIR数据，包括：定位基站11和定位标签12；所述定位标签12和定位基站11的硬件结构相同，包括：UWB收发器、微控制器、电源管理模块和无线通信模块；其中，UWB收发器用于接收和发送UWB信号；微控制器用于控制定位标签或定位基站按既定逻辑工作，主要包括：UWB信号的收发、无线通信信号的收发、TOF解算、CIR解算和休眠等；电源管理模块用于UWB定位装置的供电；无线通信模块用于传输定位标签12与定位基站11间、定位基站11与网关2间的无线通信信号；
网关2用于UWB定位装置1与服务器3间的通信，UWB定位装置1获取的测距值和CIR数据通过网关2上传至服务器3，服务器3配置的UWB定位装置1的关键工作参数通过网关2传输至UWB定位装置1；
服务器3用于解算定位标签12的位置信息、参数设置和室内定位结果显示的人机交互，包括：后台管理系统31、定位引擎32和地图显示系统33；其中，后台管理系统31用于设置室内地图、录入定位基站11的坐标、配置UWB定位装置1的关键工作参数及定位引擎32位置解算的关键参数；定位引擎32用于CIR数据分析、信道质量评估值计算以及定位解算；地图显示系统33用于显示室内地图，并在地图相应位置显示定位基站11的位置、定位系统解算出的定位标签12的位置及其对应坐标值；
进一步地，定位基站11和定位标签12的角色可通过更新微控制器113内存的控制代码进行相互切换。
如图2所示，本实施例提供一种基于信道质量评估的室内定位方法，包括以下步骤：
S0.定位系统初始化，主要包括：定位系统组网、建立室内物理坐标系、测量定位基站物理坐标作为锚节点；
S1.通过UWB定位装置获取标签与可见锚节点间的测距值，并利用测距结束帧计算CIR数据，将测距值和CIR数据通过网关2上传至定位引擎32；所述可见锚节点的含义为UWB信号覆盖范围内的锚节点；所述测距结束帧为定位基站最后一次接收到当次测距且不为测距响应帧的UWB数据帧，所述测距响应帧为计算飞行时间必须的数据帧；
具体地，S1包括以下步骤：
S101.采用单边双程测距法或双边双程测距法获取标签与锚节点间的飞行时间；
当采用单边双程法时，由设备A发起测距，设备B接收后延迟固定时间回发数据帧，设备A接收数据帧并计算飞行时间，因此接收最后一个测距响应帧的设备为发起测距的设备；当采用双边双程法时，由设备A发起测距，设备B接收后回发数据帧给设备A，设备A接收到数据帧后回发给设备B，设备B接收到数据帧并计算飞行时间，因此接收最后一个测距响应帧的设备不为发起测距的设备；
S102.将测距结束帧与本地已知数据帧通过扩频滑动相关计算CIR数据；当采用单边双程法且由定位标签12发起测距，或者当采用双边双程法且由定位基站11发起测距，接收最后一个测距响应帧的设备均为定位标签12，定位标签12计算出飞行时间后发送给定位基站11、此UWB数据帧为测距结束帧；当采用单边双程法且由定位基站11发起测距，或者当采用双边双程法且由定位标签12发起测距，接收最后一个测距响应帧的设备均为定位基站11，定位基站11计算出飞行时间后发送给定位标签12，定位标签12接收后回发给定位基站11、此UWB数据帧为测距结束帧；
S103.定位基站11将换算出的测距值与计算得出的CIR数据通过网关2上传至定位引擎32；
S2.定位引擎32根据CIR数据计算信道质量评估值Q，所述信道质量评估值与环境影响造成的测距误差大小具有相关性；
具体地，定位引擎32提取CIR数据中的特征参量进行NLOS识别，识别为NLOS的测距值对应的信道质量评估值Q＝a，识别为LOS的测距值对应的信道质量评估值Q＝b，a<b；如图3所示是一种LOS条件下的UWB信号传播示意图及对应的CIR示意图，当UWB定位装置1之间只有直达路径时，其CIR信号中只有一条首达路径信号和噪声；如图4所示是一种NLOS条件下的UWB信号传播示意图及对应的CIR示意图，当UWB定位装置1之间存在遮挡，此时除了直达路径还有多径(比如反射路径)，其CIR信号中除了首达路径信号和噪声还有多径信号，且首达路径信号会产生衰减，导致CIR的特征参量相比较LOS条件发生明显变化；所述特征参量为CIR数据的首径振幅、最大振幅、信号能量、峰-均能量比、平均超额延迟(MED)、延迟扩展(RMS)、峰度、接收信号的平均幅度、接收信号幅度的方差等一个或多个统计特征的组合；
S3.选择对应测距值最小的六个锚节点构成第一解算组；
S4.根据信道质量评估值从第一解算组中选出至少四个锚节点构成第二解算组；
具体地，S4包括以下步骤：
S401.检测第一解算组中满足信道质量评估值Q≥T1的锚节点的数量n、T1为预设阈值，若n≥4、选择第一解算组中满足信道质量评估值Q≥T1的n个锚节点构成第二解算组，否则、执行步骤S402；
所述阈值T1与NLOS条件和LOS条件对应的信道质量评估值之间的关系为：a<T1≤b；
S402.计算第一解算组中每个锚节点信道质量评估值Q的滑动平均值V，所述滑动平均值V的滑动窗长度至少为3；具体地，若滑动窗长度为t(t≥3),Q序列为(Q1，Q2，Q3，...,Qn)，则V序列为
Figure BDA0003409297020000061
S403.根据S402的计算结果，检测第一解算组中满足滑动平均值V<T2的锚节点的数量m、T2为预设阈值，若m＝0、则选择第一解算组中信道质量评估值Q最大的4个锚节点构成第二解算组，否则、选择上一次用于解算定位标签位置的锚节点解算组作为第二解算组；所述阈值T2满足：
Figure BDA0003409297020000062
S5.根据第二解算组中锚节点对应的测距值解算定位标签12的位置。
基于上述技术方案，本实施例根据信道质量评估值自动进行锚节点选择，从解算组中剔除测距误差大的锚节点，从而提高UWB室内定位精度；同时，能够自动选择参与解算锚节点的数量，与固定数量锚节点进行解算相比，能够通过加入测距误差较小的其他锚节点数量进行解算从而进一步提升室内定位精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (9)

1.一种基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.通过UWB定位装置获取标签与可见锚节点间的测距值，并利用测距结束帧计算CIR数据，将测距值和CIR数据通过网关上传至定位引擎；
S2.定位引擎根据CIR数据计算信道质量评估值Q；
S3.选择对应测距值最小的六个锚节点构成第一解算组；
S4.根据信道质量评估值从第一解算组中选出至少四个锚节点构成第二解算组；
S5.根据第二解算组中锚节点对应的测距值解算定位标签的位置。
2.按权利要求1所述基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，所述步骤S4中，具体包括以下步骤：
S401.检测第一解算组中满足信道质量评估值Q≥T1的锚节点的数量n、T1为预设阈值，若n≥4、选择第一解算组中满足信道质量评估值Q≥T1的n个锚节点构成第二解算组，否则、执行下一步骤；
S402.计算第一解算组中每个锚节点信道质量评估值Q的滑动平均值V，滑动窗长度为t；
S403.检测第一解算组中满足滑动平均值V<T2的锚节点的数量m、T2为预设阈值，若m＝0、则选择第一解算组中信道质量评估值Q最大的4个锚节点构成第二解算组，否则、选择上一次用于解算定位标签位置的锚节点解算组作为第二解算组。
3.按权利要求2所述基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，所述阈值T1满足：a<T1≤b，a为LOS条件对应的信道质量评估值，b为NLOS条件对应的信道质量评估值。
4.按权利要求2所述基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，所述滑动窗t的长度至少为3。
5.按权利要求2所述基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，所述阈值T2满足：
Figure FDA0003409297010000011
a为LOS条件对应的信道质量评估值，b为NLOS条件对应的信道质量评估值。
6.按权利要求1所述基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，定位引擎提取CIR数据中的特征参量进行NLOS识别，识别为NLOS的测距值对应的信道质量评估值Q＝a，识别为LOS的测距值对应的信道质量评估值Q＝b，a<b。
7.按权利要求6所述基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，所述特征参量为CIR数据的首径振幅、最大振幅、信号能量、峰-均能量比、平均超额延迟(MED)、延迟扩展(RMS)、峰度、接收信号的平均幅度、接收信号幅度的方差等一个或多个统计特征的组合。
8.按权利要求1所述基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，所述步骤S1中包括以下步骤：
S101.采用单边双程测距法或双边双程测距法获取定位标签与定位基站间的飞行时间，根据飞行时间计算标签与可见锚节点间的测距值；
S102.将测距结束帧与本地已知数据帧通过扩频滑动相关计算CIR数据。
9.按权利要求8基于信道质量评估的室内定位方法，其特征在于，所述测距结束帧具体为：当采用单边双程法且由定位标签发起测距、或者采用双边双程法且由定位基站发起测距时，测距结束帧为定位标签计算出飞行时间后发送给定位基站的UWB数据帧；当采用单边双程法且由定位基站发起测距、或者采用双边双程法且由定位标签发起测距时，测距结束帧为定位基站计算出飞行时间后发送给定位标签，定位标签接收后回发给定位基站的UWB数据帧。
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CN115348540A (zh) * 2022-08-16 2022-11-15 青岛柯锐思德电子科技有限公司 一种nlos环境下连续定位的跟踪方法
CN115348540B (zh) * 2022-08-16 2023-05-16 青岛柯锐思德电子科技有限公司 一种nlos环境下连续定位的跟踪方法

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