CN114521014B - 一种在uwb定位过程中提高定位精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在UWB定位过程中提高定位精度的方法，包括如下步骤：步骤1，通过自主定位算法得到用户相对于基站的位置坐标；步骤2，利用基站和用户之间的距离对用户坐标进行初步修正；步骤3，用户使用自身PDR更新自身坐标，并使用距离信息作初步修正；步骤4，利用基站和用户之间的距离及用户自身的PDR信息联合对步骤3的定位结果进行修正；步骤5，三个迭代参数有一个不满足或者精度到达期望之内即可跳出迭代循环。本发明所公开的方法，基于UWB无锚点定位的方法实现，结合用户与基站之间的距离信息和用户自身的PDR信息，综合考虑了定位过程中会对定位精度造成影响的所有因素，特别是由于PDR更新位置导致的定位误差，进一步提高最终定位精度。

Description

一种在UWB定位过程中提高定位精度的方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及该领域中的一种在基于UWB的无锚点定位过程中提高定位精度的方法。

背景技术

现阶段国内外常见的无线定位技术主要有Wi-Fi定位技术、蓝牙定位技术、ZigBee定位技术、RFID定位技术、UWB定位技术等。其中：

Wi-Fi定位可以实现在多障碍的室内环境下的大范围定位，而且方便组网，但是功耗更高，且信号的抗干扰能力差，会受到同频的干扰，导致定位精度很低。

蓝牙通过鉴别接收机接收到的蓝牙信号的强弱来计算距离从而定位，虽然功耗低，但是蓝牙信号的传输距离太近，而且抗干扰能力也比较弱，定位精度比较低。

ZigBee这种无线通信技术的特点是可靠性高、自组网、稳定性好而且成本低，但是通信距离短，速率低，精度也不高。

RFID是通过一组固定的接收机获得目标节点射频标签的特征信息，例如接收信号的强度，来确定标签位置，RFID定位的传输范围较蓝牙更大，且成本较低，但是理论传播模型的建立较为复杂，且不具备通信能力，无法做到精确的定位。

UWB定位技术作为近年来新兴的一种室内定位技术，与传统的无线通信技术有很大的不同，具有数据传输速率高、功耗低、安全性高、定位精度高等优点。

传统的室内定位算法主要有：基于RSSI的定位算法、基于AOA的定位算法、基于TOA的定位算法、基于TDOA的定位算法。其中：

基于RSSI的算法因受室内复杂环境的干扰，带来多径效应以及发射过程中的发射功率大幅度衰减，较难建模分析，RSSI的主要特点是可以利用室内原有的无弦收发器进行测距定位，不需要建立特定的定位基站，因此成本很低。

基于AOA的室内定位算法也是易受到多径效应和非视距误差的影响，而且所需的硬件设备相较于其他定位方法更为复杂，且需通过对收发器的天线阵列进行布设，对硬件体积的大小也有较高要求。

基于TOA的定位算法准确性在很大程度上取决于信号的带宽，可以通过增加信噪比或有效信号带宽，从而提高TOA的测量精度，由于UWB信号具有很大的带宽，这种特点使得UWB的信号可以使用TOA算法进行高度精确度的距离估计。

基于TDOA的定位算法是在TOA定位算法基础上的一种针对时钟不同步方面的改进，相较于TOA算法，它不是直接利用信号到达时间，而是利用多个基站接收信号的时间差来确定待定位目标位置，定位精度更高，但所需基站数量更多，实现复杂度更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对上述现有室内定位技术精度低的问题，提出了一种在UWB无锚点定位过程中利用用户与基站之间的距离和用户自身的PDR信息联合修正待定位目标位置的方法，旨在进一步提高定位精度。

本发明采用如下技术方案：

一种在UWB定位过程中提高定位精度的方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，通过自主定位算法得到用户相对于基站的位置坐标：

步骤11，利用距离测量方法获取基站A和用户B之间的初始相对距离R₀，并记录基站A的初始位置为A(0,0)，用户B的初始位置未知，记为B₀(x₀,y₀)；

步骤12，获取用户B的第一次移动距离l₁和移动方向角β₁，移动方向角β₁是移动方向与正北方向的夹角；

步骤13，基站A和用户B互通信息，记录用户第一次移动后的位置为B₁(x,y)，获取基站A与用户在当前位置B₁之间的相对距离R₁；

步骤14，计算用户B此时的位置B₁(x,y)，得到两个模糊点：

步骤141，根据上述步骤的结果构建如下坐标方程组：

其中，式<1>表示在第一次移动以后，以基站A的位置为圆心，用户B在位置B₀的可能坐标所在圆的方程；式<2>表示用户B第一次移动后，将基站A移动与用户B相同的方向和距离，此时相当于用户B在以移动后的基站A为圆心，半径为R₀的圆上；

步骤142，求解上述方程组，便可得到用户B的两个模糊点B₁′和B₁″；

步骤15，重复步骤12，获得用户B第二次移动的移动距离l₂和移动方向角β₂，移动方向角β₂是移动方向与正北方向的夹角；

步骤16，基站A和用户B互通信息，记录用户第二次移动后的位置为B₂(x′,y′)，获取基站A与用户B在当前位置B₂之间的相对距离R₂；

步骤17，使用用户B第二次移动的方向和距离选择模糊点，最终确定用户B的位置；

步骤171，将位置B₁的两个模糊点B₁′和B₁″移动与用户B第二次移动相同的方向和距离，可以得到：

分别计算两个模糊点B₂′和B₂″与基站A之间的距离，距离与R₂最接近的点即为真实点的位置；

步骤2，利用基站和用户之间的距离对用户坐标进行初步修正：

步骤1中得到了用户第二次移动后的位置为B₂(x′,y′)，此时用户B和基站A之间的距离为R₂，用户B和基站A连线所形成的直线斜率为k，分别考虑k存在和不存在两种情况：

当k不存在时方程为：

求解上述方程，可以得到两个点：

选择距离B₂(x′,y′)最近的点即可；

当k存在时方程为：

求解上述方程，可以得到两个点：

选择距离B₂(x′,y′)最近的点即可；

步骤3，用户使用自身PDR更新自身坐标，并使用距离信息作初步修正：

步骤31，假设上一时刻用户的位置为B(x_a,y_a)，当前时刻用户的位置为B(x_b,y_b)，PDR方向为α，PDR方向是与正北方向的夹角，PDR距离为r，当前时刻用户的位置使用PDR直接得到

按照步骤2使用距离信息对PDR坐标作初步修正；

步骤32，PDR信息的处理，行走方向与上一时刻方向差值在正负5度以内，认为用户在直线行走，当前角度根据过去时刻角度进行预测和调整；

步骤4，利用基站和用户之间的距离及用户自身的PDR信息联合对步骤3的定位结果进行修正：

步骤41，计算当前定位误差，即基站A和用户B之间的距离和实测值差值的绝对值，假设此时用户的坐标为B₃(x″,y″)，UWB测得用户B与基站A之间的距离为R，那定位误差ε_d表示为：

步骤42，设定期望误差为ε_ed，判断当前定位误差是否在可接受范围内，如果在可接受范围内，不需要修正，直接进入下一步，否则，初始化迭代次数，进入迭代；

步骤43，迭代是在用户与基站的距离圆上进行小范围搜索，综合考虑用户的行走方向和行走距离的误差；

步骤44，第一次搜索沿任意方向，即角度增大或者减小的方向，第一次迭代以后计算当前误差，如果误差减小，则继续沿该方向搜索，否则沿反方向搜索；

步骤45，此处以角度增大的方式进行说明，首先计算用户B与基站A连线的角度，即

此时设置角度增量为Δθ；

假设第一次搜索θ₁＝θ+Δθ，对应直线的斜率为k₁＝arctanθ₁，考虑当前用户B与基站A之间的距离，建立方程组：

得到两个模糊点：

选择距离B₃(x″,y″)最近的点即可；

计算当前迭代的点B_k(x_k,y_k)所导致的PDR误差变化情况，先使用PDR距离判断当前方向是否为下降方向，假设用户上一时刻的位置为B_k-1(x_k-1,y_k-1)，PDR实测距离为r_k，PDR距离误差ε_r为：

如果ε_r增大，则表明该方向不是下降方向，否则说明当前方向为下降方向；

步骤46，选择正确的下降方向后，开始循环迭代，迭代的参数包括：最大迭代次数maxCnt，PDR距离期望误差ε_er以及PDR角度期望误差ε_eα；

步骤5，三个迭代参数有一个不满足或者精度到达期望之内即可跳出迭代循环：

步骤51，如果当前迭代次数大于最大迭代次数，证明修正失败，跳出循环，直接用PDR更新用户当前坐标，跳回步骤2，同时重新启动定位流程；

步骤52，如果迭代过程中定位精度达到可接受范围，证明修正成功，跳出循环，使用当前修正的坐标作为用户的最终定位坐标。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的方法，基于UWB无锚点定位的方法实现，结合用户与基站之间的距离信息和用户自身的PDR信息，综合考虑了定位过程中会对定位精度造成影响的所有因素，特别是由于PDR更新位置导致的定位误差，进一步提高最终定位精度。在综合考虑影响定位精度的各个因素时，通过对原始数据误差的分析，给予不同数据不同的置信权重，显然UWB的测距信息置信度更高，用户的PDR信息次之，更能真实地反映各个原始数据对最终定位结果的影响，从而使得定位结果更加接近用户真实的位置。在修正定位结果的过程中，如出现迭代次数过多却都没到达可接受的精度范围时，根据当前误差选择重新启动定位流程或者直接使用距离信息修正，过程中丢失的位置信息使用PDR进行更新，提高了整个系统的完备性。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明方法中使用用户与基站之间距离和用户PDR信息修正定位结果的流程图。

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，以下结合附图和实施例，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。

本发明的基本思想是利用用户与基站之间的距离和用户自身的PDR信息对用户的位置进行修正，从而提高定位精度。

整个定位过程可以分为三个阶段：

在第一阶段中，使用自主定位算法得到用户相对于基站的初始位置，然后使用用户与基站之间的距离信息对初始坐标进行初步修正。第二阶段中，PDR更新用户的坐标。第三阶段中，使用用户与基站之间的距离信息和PDR信息共同对用户位置进行修正，并进入下一步迭代。

所述第一阶段：在所选择的二维应用场景中，假设基站位置是A(0,0)，利用自主定位算法得到用户的初始位置B(x,y)，然后使用基站到用户之间的距离信息对用户初始位置做修正。

所述第二阶段，当完成了第一次定位以后，此时用户可以根据自身的PDR信息更新自身的坐标，这个结果不受基站影响，精度主要受自身行走方向和行走距离的影响。

所述第三阶段，利用用户与基站之间的距离信息和用户自身的PDR信息对第二阶段中计算的用户坐标进行修正，使得用户与基站的距离、用户的行走方向和用户的行走距离的误差都控制在一个可接受的范围内。

根据上述原理，本发明的技术方案如下：1)由无锚点定位算法得到用户相对于基站的初始坐标。2)对初始坐标使用基站到用户之间的距离信息进行初步修正。3)用户以初步校准的坐标为基准，利用自身的PDR信息更新自身的坐标。用户之后的定位过程先使用用户行走的角度和距离更新出用户当前的坐标。4)利用基站到用户之间的距离信息、用户的行走方向和用户的行走距离对PDR更新的坐标进行修正。5)建立优化方程，以用户和基站之间的距离信息为基准，调整基站和用户之间的相对角度，不断进行迭代，使得修正后的位置坐标与上一次用户的位置坐标之间的PDR误差达到最小，设置最大迭代次数和迭代条件，当迭代次数大于最大迭代次数或者定位精度达到可接受的范围，终止迭代，并把此时对应的坐标作为用户的最终位置，并在此基础上开展后续的定位。6)以上过程如果出现用户与基站通信失败的情况，定位流程重新启动，中间缺失的位置使用PDR更新的位置代替。

实施例1，如图1—2所示，本实施例公开了一种在UWB定位过程中提高定位精度的方法，包括如下步骤：

步骤1，通过自主定位算法得到用户相对于基站的位置坐标：

步骤11，利用距离测量方法获取基站A和用户B之间的初始相对距离R₀，并记录基站A的初始位置为A(0,0)，用户B的初始位置未知，记为B₀(x₀,y₀)；

步骤12，获取用户B的第一次移动距离l₁和移动方向角β₁，移动方向角β₁是移动方向与正北方向的夹角；

步骤13，基站A和用户B互通信息，记录用户第一次移动后的位置为B₁(x,y)，获取基站A与用户在当前位置B₁之间的相对距离R₁；

步骤14，计算用户B此时的位置B₁(x,y)，得到两个模糊点：

步骤141，根据上述步骤的结果构建如下坐标方程组：

其中，式<1>表示在第一次移动以后，以基站A的位置为圆心，用户B在位置B₀的可能坐标所在圆的方程；式<2>表示用户B第一次移动后，将基站A移动与用户B相同的方向和距离，此时相当于用户B在以移动后的基站A为圆心，半径为R₀的圆上；

步骤142，求解上述方程组，便可得到用户B的两个模糊点B₁′和B₁″；

步骤15，重复步骤12，获得用户B第二次移动的移动距离l₂和移动方向角β₂，移动方向角β₂是移动方向与正北方向的夹角；

步骤16，基站A和用户B互通信息，记录用户第二次移动后的位置为B₂(x′,y′)，获取基站A与用户B在当前位置B₂之间的相对距离R₂；

步骤17，使用用户B第二次移动的方向和距离选择模糊点，最终确定用户B的位置；

步骤171，将位置B₁的两个模糊点B₁′和B₁″移动与用户B第二次移动相同的方向和距离，可以得到：

分别计算两个模糊点B₂′和B₂″与基站A之间的距离，距离与R₂最接近的点即为真实点的位置；

步骤2，利用基站和用户之间的距离对用户坐标进行初步修正：

步骤1中得到了用户第二次移动后的位置为B₂(x′,y′)，此时用户B和基站A之间的距离为R₂，用户B和基站A连线所形成的直线斜率为k，分别考虑k存在和不存在两种情况：

当k不存在时方程为：

求解上述方程，可以得到两个点：

选择距离B₂(x′,y′)最近的点即可；

当k存在时方程为：

求解上述方程，可以得到两个点：

选择距离B₂(x′,y′)最近的点即可；

步骤3，用户使用自身PDR更新自身坐标，并使用距离信息作初步修正：

步骤31，假设上一时刻用户的位置为B(x_a,y_a)，当前时刻用户的位置为B(x_b,y_b)，PDR方向为α，PDR方向是与正北方向的夹角，PDR距离为r，当前时刻用户的位置使用PDR直接得到

按照步骤2使用距离信息对PDR坐标作初步修正；

步骤32，PDR信息的处理，行走方向与上一时刻方向差值在正负5度以内，可以认为用户在直线行走，当前的角度根据过去时刻角度进行预测和调整；

步骤4，利用基站和用户之间的距离及用户自身的PDR信息联合对步骤3的定位结果进行修正：

步骤41，计算当前定位误差，即基站A和用户B之间的距离和实测值差值的绝对值，假设此时用户的坐标为B₃(x″,y″)，UWB测得用户B与基站A之间的距离为R，那定位误差ε_d表示为：

步骤42，设定期望误差为ε_ed，判断当前定位误差是否在可接受范围内，如果在可接受范围内，不需要修正，直接进入下一步，否则，初始化迭代次数，进入迭代；

步骤43，迭代的整体思想是在用户与基站的距离圆上进行小范围搜索，综合考虑用户的行走方向和行走距离的误差；

步骤44，第一次搜索可以沿任意方向，即角度增大或者减小的方向，第一次迭代以后计算当前误差，如果误差减小，则继续沿该方向搜索，否则沿反方向搜索；

步骤45，此处以角度增大的方式进行说明，首先计算用户B与基站A连线的角度，即

此时设置角度增量为Δθ；Δθ的大小应该与用户和基站之间的距离相关，距离越大，相同的Δθ会导致目标点搜索的精度越低。

假设第一次搜索θ₁＝θ+Δθ，对应直线的斜率为k₁＝arctanθ₁，考虑当前用户B与基站A之间的距离，建立方程组：

得到两个模糊点：

选择距离B₃(x″,y″)最近的点即可；

计算当前迭代的点B_k(x_k,y_k)所导致的PDR误差变化情况，先使用PDR距离判断当前方向是否为下降方向，假设用户上一时刻的位置为B_k-1(x_k-1,y_k-1)，PDR实测距离为r_k，PDR距离误差ε_r为：

如果ε_r增大，则表明该方向不是下降方向，否则说明当前方向为下降方向；

步骤46，选择正确的下降方向后，开始循环迭代，迭代的主要参数有三个：最大迭代次数maxCnt，PDR距离期望误差ε_er以及PDR角度期望误差ε_eα；三个参数根据实际情况进行调整。

步骤5，三个迭代参数有一个不满足或者精度到达期望之内即可跳出迭代循环：

步骤51，如果当前迭代次数大于最大迭代次数，证明修正失败，跳出循环，直接用PDR更新用户当前坐标，跳回步骤2，同时重新启动定位流程；

步骤52，如果迭代过程中定位精度达到可接受范围，证明修正成功，跳出循环，使用当前修正的坐标作为用户的最终定位坐标，并进入下一步。

Claims (1)

1.一种在UWB定位过程中提高定位精度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过自主定位算法得到用户相对于基站的位置坐标：

步骤11，利用距离测量方法获取基站A和用户B之间的初始相对距离R₀，并记录基站A的初始位置为A(0,0)，用户B的初始位置未知，记为B₀(x₀,y₀)；

步骤12，获取用户B的第一次移动距离l₁和移动方向角β₁，移动方向角β₁是移动方向与正北方向的夹角；

步骤13，基站A和用户B互通信息，记录用户第一次移动后的位置为B₁(x,y)，获取基站A与用户在当前位置B₁之间的相对距离R₁；

步骤14，计算用户B此时的位置B₁(x,y)，得到两个模糊点：

步骤141，根据上述步骤的结果构建如下坐标方程组：

其中，式<1>表示在第一次移动以后，以基站A的位置为圆心，用户B在位置B₀的可能坐标所在圆的方程；式<2>表示用户B第一次移动后，将基站A移动与用户B相同的方向和距离，此时相当于用户B在以移动后的基站A为圆心，半径为R₀的圆上；

步骤142，求解上述方程组，便可得到用户B的两个模糊点B₁′和B₁″；

步骤15，重复步骤12，获得用户B第二次移动的移动距离l₂和移动方向角β₂，移动方向角β₂是移动方向与正北方向的夹角；

步骤16，基站A和用户B互通信息，记录用户第二次移动后的位置为B₂(x′,y′)，获取基站A与用户B在当前位置B₂之间的相对距离R₂；

步骤17，使用用户B第二次移动的方向和距离选择模糊点，最终确定用户B的位置；

步骤171，将位置B₁的两个模糊点B₁′和B₁″移动与用户B第二次移动相同的方向和距离，可以得到：

分别计算两个模糊点B₂′和B₂″与基站A之间的距离，距离与R₂最接近的点即为真实点的位置；

步骤2，利用基站和用户之间的距离对用户坐标进行初步修正：

步骤1中得到了用户第二次移动后的位置为B₂(x′,y′)，此时用户B和基站A之间的距离为R₂，用户B和基站A连线所形成的直线斜率为k，分别考虑k存在和不存在两种情况：

当k不存在时方程为：

求解上述方程，可以得到两个点：

选择距离B₂(x′,y′)最近的点即可；

当k存在时方程为：

求解上述方程，可以得到两个点：

选择距离B₂(x′,y′)最近的点即可；

步骤3，用户使用自身PDR更新自身坐标，并使用距离信息作初步修正：

步骤31，假设上一时刻用户的位置为B(x_a,y_a)，当前时刻用户的位置为B(x_b,y_b)，PDR方向为α，PDR方向是与正北方向的夹角，PDR距离为r，当前时刻用户的位置使用PDR直接得到

按照步骤2使用距离信息对PDR坐标作初步修正；

步骤32，PDR信息的处理，行走方向与上一时刻方向差值在正负5度以内，认为用户在直线行走，当前角度根据过去时刻角度进行预测和调整；

步骤4，利用基站和用户之间的距离及用户自身的PDR信息联合对步骤3的定位结果进行修正：

步骤41，计算当前定位误差，即基站A和用户B之间的距离和实测值差值的绝对值，假设此时用户的坐标为B₃(x″,y″)，UWB测得用户B与基站A之间的距离为R，那定位误差ε_d表示为：

步骤42，设定期望误差为ε_ed，判断当前定位误差是否在可接受范围内，如果在可接受范围内，不需要修正，直接进入下一步，否则，初始化迭代次数，进入迭代；

步骤43，迭代是在用户与基站的距离圆上进行小范围搜索，综合考虑用户的行走方向和行走距离的误差；

步骤44，第一次搜索沿任意方向，即角度增大或者减小的方向，第一次迭代以后计算当前误差，如果误差减小，则继续沿该方向搜索，否则沿反方向搜索；

步骤45，此处以角度增大的方式进行说明，首先计算用户B与基站A连线的角度，即

此时设置角度增量为Δθ；

假设第一次搜索θ₁＝θ+Δθ，对应直线的斜率为k₁＝arctanθ₁，考虑当前用户B与基站A之间的距离，建立方程组：

得到两个模糊点：

选择距离B₃(x″,y″)最近的点即可；

计算当前迭代的点B_k(x_k,y_k)所导致的PDR误差变化情况，先使用PDR距离判断当前方向是否为下降方向，假设用户上一时刻的位置为B_k-1(x_k-1,y_k-1)，PDR实测距离为r_k，PDR距离误差ε_r为：

如果ε_r增大，则表明该方向不是下降方向，否则说明当前方向为下降方向；

步骤46，选择正确的下降方向后，开始循环迭代，迭代的参数包括：最大迭代次数maxCnt，PDR距离期望误差ε_er以及PDR角度期望误差ε_eα；

步骤5，三个迭代参数有一个不满足或者精度到达期望之内即可跳出迭代循环：

步骤51，如果当前迭代次数大于最大迭代次数，证明修正失败，跳出循环，直接用PDR更新用户当前坐标，跳回步骤2，同时重新启动定位流程；

步骤52，如果迭代过程中定位精度达到可接受范围，证明修正成功，跳出循环，使用当前修正的坐标作为用户的最终定位坐标。

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