CN114501322B - 一种差分UWB(ultra-wide band)定位方法 - Google Patents

一种差分UWB(ultra-wide band)定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种差分UWB(ultra‑wide band)定位方法。该方法将卫星定位中普遍使用的差分思想引入UWB定位算法中，通过定位结果或原始观测值间做差的方式，来消除公共系统误差对定位精度的影响。差分定位可分为位置域差分和观测值域差分。其中，位置域差分不要求两标签观测相同基站，原理更为简单，但精度较低；观测值域差分更加准确，但要求两标签有一定数量的相同观测基站。本发明结合两种差分方法，提出了一种基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法。与传统方法相比，通过引入基准标签进行差分，有效减弱了系统误差对定位精度的影响，提高了UWB的定位精度。同时，使UWB基站的使用数量减少，降低了UWB定位系统的建设成本。

Description

一种差分UWB(ultra-wide band)定位方法
技术领域
本发明涉及超宽带(UWB)导航定位技术数据处理领域，尤其涉及一种差分UWB定位方法。
背景技术
超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)是一种无载波脉冲通讯技术，它不采用传统的正弦脉冲，而采用时间间隔极短的脉冲进行通讯，早期被用来应用在近距离高速数据传输，近年来国外开始利用亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。UWB定位技术通过发射纳秒级甚至亚纳秒级无线脉冲信号进行测距定位，其时间分辨率高，能实现分米级至厘米级的定位。同时由于具有功耗低、抗多径效果好、安全性高等特点，UWB成为无线定位中极具潜力的技术。
但是UWB基站相对价格昂贵，往往布设的基站数量有限，且由于室内环境复杂，导致定位的几何精度因子(DOP)值较大，从而导致系统误差被放大，定位精度差。然而，用于定位的标签成本远低于基站成本，且在小范围内的系统误差表现一致且DOP值接近，因此可采用卫星差分定位的思想，通过在已知坐标的控制点上放置基准标签，与用户标签在观测值域或位置域进行差分，来消除系统误差，提高定位精度。
差分技术已被广泛应用与卫星定位中，例如在相对定位中，在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差；在两个测站上对同一个目标进行观测，将观测值求差；以及在一个测站上对一个目标进行两次观测求差。由于这些观测值的观测环境相似，观测误差接近，求差后的观测值能有效消除公共误差，得到高精度的观测值，利用差分观测能有效提高定位精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种差分UWB超宽带无线定位方法，能够减弱定位过程中系统误差的影响，提高UWB定位精度。
本发明将卫星定位中的差分思想引入UWB定位，提出了一种基于差分原理(包括位置差分和观测值差分)的UWB定位方法。所谓位置差分，是基准标签采用接收到的数据进行定位，并与其参考坐标比较，计算并播发坐标改正数；用户标签接收该坐标改正数，并对其定位结果进行修正，以提高定位精度。观测值差分则是直接将用户标签和基准标签接收到相同UWB基站原始观测数据作差，采用经差分后的数据进行定位。通过观测值间差分，可消除原始数据中的公共系统误差，提高定位结果的精度。
为实现上述目的，本发明技术方案为：
一种差分UWB超宽带无线定位方法，包括如下步骤：
S1：在UWB导航定位系统的有效覆盖范围内选取若干控制点，获取控制点坐标并在控制点上放置基准标签；
S2：获取基准标签与用户标签的原始观测值，并进行数据预处理；
S3：选取与用户标签最临近的基准标签进行差分定位，并根据两标签共同观测基站数量选择差分定位模式。具体的，若两标签共同观测基站数小于4个，选择位置差分模式，进入步骤S4；反之，若两标签共同观测基站数大于4个，选择观测值差分模式，进入步骤S5；
S4：分别解算基准标签与用户标签的定位结果，将基准标签的定位结果与其已知坐标做差获取位置改正数，利用该位置改正数改正用户标签定位结果，得到位置差分解；
S5：将基准标签与用户标签的共同基站观测值作差，构造用户标签的差分观测方程。可选的，可采用最小二乘平差来获取用户标签观测值差分解。
可选的，在上述基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法中，所述步骤S2中数据预处理包括：
(1)存储原始观测数据，计算各基站方向角、高度角等信息；
(2)选择基准基站，得到站间单差观测值并构造观测方程，具体步骤如下：
用光纤以及同步控制器对UWB基站进行时间同步后，其基本观测方程为：
Figure BDA0003479734900000021
其中，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站，
Figure BDA0003479734900000022
表示标签k收到的基站i的观测值(单位：米)。/>
Figure BDA0003479734900000023
为标签和基站之间的距离，dtk为标签的钟差，δt为同步控制器的钟差，τi为第i个基站到同步控制器之间的时延量，/>
Figure BDA0003479734900000024
为由基站天线相位偏差、环境温度等因素造成的系统误差，可通过先验天线相位中心模型改正，/>
Figure BDA0003479734900000025
为观测噪声。
在基准标签r观测值中，选取基准基站j，构造基站间单差观测方程如下：
Figure BDA0003479734900000026
其中，差分算子
Figure BDA0003479734900000027
可以看出，通过基站间观测值做差，标签和同步控制器的钟差可均被消除，但此时还残留有系统误差以及观测噪声。
(3)数据预检验，检验每个基站单差数据的可用性。
可选的，在上述基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法中，所述步骤S4中位置差分包括：
(1)获取差分改正数：
Figure BDA0003479734900000031
其中，
Figure BDA0003479734900000032
为基准标签在空间三维方向的定位结果，xr为基准标签所在控制点的准确坐标，Δxr为空间三维方向的位置差分改正数。
(2)求得用户标签的位置差分解：
Figure BDA0003479734900000033
其中，
Figure BDA0003479734900000034
为用户标签在空间三维方向的定位结果，/>
Figure BDA0003479734900000035
为经过位置差分改正后的定位结果。
可选的，在上述基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法中，所述步骤S5中构造用户标签的差分观测方程包括：
设用户标签k，基准标签r，将两标签相同基站观测值做差得：
Figure BDA0003479734900000036
其中，差分算子
Figure BDA0003479734900000037
可以看出，通过双差，即基站间差分和标签间差分后，基站到同步控制器之间的时延量也被消除。同时，由于用户标签和基准标签的观测环境相近，通过标签间差分可消除两标签观测值种的公共系统误差，从而提高定位精度。
可选的，在上述基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法中，所述步骤S5求解观测值差分定位结果包括，将观测方程(8)进行线性化，并采用最小二乘平差的方式求解。
综上所述，本发明将卫星导航定位中的差分思想引入UWB定位领域，通过位置域及观测值域的差分定位，有效减弱了公共系统误差对定位精度的影响，提高了UWB导航定位系统的精度及可用性。
具体的，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
现有的UWB导航定位算法中，几乎没有考虑到系统误差对定位精度的影响。但是在室内定位中，往往因定位环境复杂，遮挡严重且人流密集，系统误差不可避免。同时，硬件系统受温度等物理因素的影响也会产生系统误差，导致定位精度降低。而传统方法通过加密UWB基站，选用最邻近基站进行定位的方式来减弱系统误差的影响，这将大大增加UWB定位系统的成本。为此，本发明将卫星定位中的差分思想引入UWB定位中，提出了一种基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法。该方法通过位置域和观测域差分，有效减弱了基站与基站、标签与标签间的公共系统误差对定位精度的影响。大大提高了UWB系统的定位精度，并可以在保证同样精度的情况下，减少UWB基站使用数量，降低系统成本从而提高了系统的可用性。
附图说明
图1为基于位置差分和观测值差分的超宽带定位方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参见图1，是本实施例1提供的基于位置差分和观测值差分的超宽带定位方法的流程图。该定位方法包括如下步骤：
S1：在UWB导航定位系统的有效覆盖范围内选取若干控制点，获取控制点坐标并在控制点上放置基准标签；
具体的，所述步骤S1中，在控制点选取时应注意：
控制点应较均匀分布在UWB定位环境中，且观测环境有代表性。例如，在实验区域内划定等间距的方格，将控制点选取在方格角点上，且尽量避免将控制点设置在遮挡过于严重的区域；
控制点应尽量保证与周围一定区域的移动点有相同观测，才能进行后续计算，以保证基准测站有足够的观测值能够与周围移动测站进行差分计算。
S2：获取基准标签与用户标签的原始观测值，并进行数据预处理；
具体的，所述步骤S2中，其数据预处理部分包括：
S21：存储原始观测数据，计算各基站方向角、高度角等信息。设标签位置为(x,y,z),则其高度角为
Figure BDA0003479734900000041
方向角为/>
Figure BDA0003479734900000042
S22：选择基准基站，得到站间单差观测值并构造观测方程；
具体的，用光纤以及同步控制器对UWB基站进行时间同步后，其基本观测方程为：
Figure BDA0003479734900000051
其中，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站，
Figure BDA0003479734900000052
表示标签k收到的基站i的观测值(单位：米)。/>
Figure BDA0003479734900000053
为标签和基站之间的距离，dtk为标签的钟差，δt为同步控制器的钟差，τi为第i个基站到同步控制器之间的时延量，/>
Figure BDA0003479734900000054
为由基站天线相位偏差、环境温度等因素造成的系统误差，可通过先验天线相位中心模型改正，/>
Figure BDA0003479734900000055
为观测噪声。
在基准标签r观测值中，选取基准基站j，构造基站间单差观测方程如下：
Figure BDA0003479734900000056
其中，差分算子
Figure BDA0003479734900000057
可以看出，通过基站间观测值做差，标签和同步器的钟差均可被消除，但此时还残留有系统误差以及观测噪声。
S23：数据预检验，检验每个基站单差数据的可用性，即对流动标签的观测值，检验相邻基准标签是否也观测到了该相同基站的观测值，并可与之构成站间差分观测值。
S3：选取与用户标签最临近的基准标签进行差分定位，并根据两标签共同观测基站数量选择差分定位模式。具体的，若两标签共同观测基站数小于4个，选择位置差分模式，进入步骤S4；反之，若两标签共同观测基站数大于等于4个，选择观测值差分模式，进入步骤S5；
S4：分别解算基准标签与用户标签的定位结果，将基准标签的定位结果与其已知坐标做差获取位置改正数，利用该位置改正数改正用户标签定位结果，得到位置差分解；
具体的，所述步骤S4中，基准标签与用户标签的定位结果，可采用最小二乘平差的原理由单差观测方程求解。首先，将方程(2)线性化，将
Figure BDA0003479734900000058
按泰勒级数在近似坐标xr,0＝[xr,0,yr,0,zr,0]T处展开：
Figure BDA0003479734900000059
其中，
Figure BDA00034797349000000510
未知参数的系数为/>
Figure BDA00034797349000000511
设基站数为n，将单差观测方程写成矩阵形式：
Figure BDA00034797349000000512
式中，
Figure BDA00034797349000000513
Figure BDA0003479734900000061
利用最小二乘平差，可求得基准标签坐标未知数：
Figure BDA0003479734900000062
具体的，所述步骤S4中，位置差分方法包括：
S41:获取位置差分改正数：
Figure BDA0003479734900000063
其中，
Figure BDA0003479734900000064
为基准标签在空间三维方向的定位结果，xr为基准标签所在控制点的准确坐标，Δxr为空间三维方向的位置差分改正数。
S42:求得用户标签的位置差分解：
Figure BDA0003479734900000065
其中，
Figure BDA0003479734900000066
为用户标签在空间三维方向的定位结果，/>
Figure BDA0003479734900000067
为经过位置差分改正后的定位结果。
S5：将基准标签与用户标签的共同观测基站观测值作差，构造用户标签的差分观测方程。可选的，可采用最小二乘平差来获取用户标签观测值差分解。
具体的，所述步骤S5中，构造用户标签的差分观测方程包括：
设用户标签k，基准标签r，将两标签相同基站观测值作差，得到双差观测方程为：
Figure BDA0003479734900000068
其中，差分算子
Figure BDA0003479734900000069
可以看出，通过双差，即基站间差分和标签间差分后，基站到同步控制器之间的时延量也被消除。同时，由于用户标签和基准标签的观测环境相近，通过标签间差分可消除两标签观测值种的公共系统误差，从而提高定位精度。
具体的，所述步骤S5中用最小二乘平差来获取用户标签观测值差分解包括：
将方程(8)线性化，其中
Figure BDA00034797349000000610
按泰勒级数在第k个标签坐标初值xk,0＝[xk,0,yk,0,zk,0]T处展开：
Figure BDA00034797349000000611
其中，
Figure BDA00034797349000000612
Figure BDA00034797349000000613
Figure BDA0003479734900000071
(xr,yr,zr)为基准标签坐标。
设基站数为n,将观测方程写成矩阵形式：
Δl＝Akδxk+ε,Qε (10)
式中，
Figure BDA0003479734900000072
利用最小二乘平差，可求得用户标签坐标未知数：
Figure BDA0003479734900000073
综上所述，本发明将卫星导航定位中的差分思想引入UWB定位领域，通过位置域及观测值域的差分定位，有效减弱了公共系统误差对定位精度的影响，提高了UWB导航定位系统的精度及可用性。
具体的，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
现有的UWB导航定位算法中，几乎没有考虑到系统误差对定位精度的影响。但是在室内定位中，往往因定位环境复杂，遮挡严重且人流密集，系统误差不可避免。同时，硬件系统受温度等物理因素的影响也会产生系统误差，导致定位精度降低。而传统方法通过加密UWB基站，选用最邻近基站进行定位的方式来减弱系统误差的影响，这将大大增加UWB定位系统的成本。为此，本发明将卫星定位中的差分思想引入UWB定位中，提出了一种基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法。该方法通过位置域和观测域差分，有效减弱了基站与基站、标签与标签间的公共系统误差对定位精度的影响。大大提高了UWB系统的定位精度，并可以在保证同样精度的情况下，减少UWB基站使用数量，降低系统成本从而提高了系统的可用性。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种差分UWB定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在UWB定位系统的有效覆盖范围内选取若干控制点，获取控制点坐标并在控制点上放置基准标签；
S2：获取基准标签与用户标签的原始观测值，并进行数据预处理；
S3：选取与用户标签最临近的基准标签进行差分定位，并根据两标签共同观测基站数量来选择差分定位模式；若两标签共同观测基站数小于4个，选择位置差分模式，进入步骤S4；反之，若两标签共同观测基站数大于等于4个，选择观测值差分模式，进入步骤S5；
S4：分别解算基准标签与用户标签的定位结果，将基准标签的定位结果与其已知坐标做差获取位置改正数，利用该位置改正数改正用户标签的定位结果，得到位置差分解；
S5：将基准标签与用户标签的共同基站观测值作差，构造用户标签的差分观测方程；
其中，所述步骤S2中数据预处理包括：
S21存储原始观测数据，计算各基站方向角、高度角信息；
S22选择基准基站，得到站间单差观测值并构造观测方程，具体步骤如下：
用光纤以及同步控制器对UWB基站进行时间同步后，其基本观测方程为：
Figure FDA0004147349170000011
其中，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站，
Figure FDA0004147349170000012
表示标签k收到的基站i的观测值，单位为米；/>
Figure FDA0004147349170000013
为标签和基站之间的距离，dtk为标签的钟差，δt为同步控制器的钟差，τi为第i个基站到同步控制器之间的时延量，/>
Figure FDA0004147349170000014
为由基站天线相位偏差、环境温度因素造成的系统误差，通过先验天线相位中心模型改正，/>
Figure FDA0004147349170000015
为观测噪声；
在基准标签r观测值中，选取基准基站j，构造基站间单差观测方程如下：
Figure FDA0004147349170000016
其中，差分算子
Figure FDA0004147349170000017
通过基站间观测值做差，标签和同步控制器的钟差均被消除，但此时还残留有系统误差以及观测噪声；
S23数据预检验，检验每个基站单差数据的可用性；
其中，所述步骤S5中构造用户标签的差分观测方程包括：
设用户标签k，基准标签r，将两标签相同基站观测值做差，得到双差观测方程为：
Figure FDA0004147349170000018
其中，差分算子
Figure FDA0004147349170000019
通过双差，即基站间差分和标签间差分后，基站到同步控制器之间的时延量也被消除。
2.如权利要求1所述的一种差分UWB定位方法，其特征在于，所述步骤S4中位置差分包括：
(1)获取位置差分改正数：
Figure FDA0004147349170000021
其中，
Figure FDA0004147349170000022
为基准标签在空间三维方向的定位结果，xr为基准标签所在控制点的准确坐标，Δxr为空间三维方向的位置差分改正数；/>
(2)求得用户标签的位置差分解：
Figure FDA0004147349170000023
其中，
Figure FDA0004147349170000024
为用户标签在空间三维方向的定位结果，/>
Figure FDA0004147349170000025
为经过位置差分改正后的定位结果。
3.如权利要求1所述的一种差分UWB定位方法，其特征在于，所述步骤S5中，求解最终的观测值差分定位结果，将方程(8)进行线性化，并采用最小二乘平差的方式求解。
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