CN114760587A - 一种基于uwb传感器基站分组策略的定位方法 - Google Patents

一种基于uwb传感器基站分组策略的定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法，属于通信电子领域，涉及通信行业中的室内定位技术，用于减弱NLOS误差影响和提高UWB系统的定位性能；首先，通过对所有基站进行随机等概率分组；然后对每一个分组，计算其最小二乘定位解及对应的残差向量；再然后，对所有残差向量计算残差平方和，并进行排序，筛选出平方和值较小的前一半定位解；最后，将上述前一半定位解的平均值作为最终定位解进行输出，从而达到获取高精度定位解的目的。该方法具有计算速度快、计算原理简单和效果较好的优点，对于室内复杂场景下的UWB定位问题具有一定的借鉴意义。

Description

一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法
技术领域
本发明属于通信电子领域，涉及通信行业中的室内定位技术，具体是一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法。
背景技术
UWB技术是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。人类对定位技术的要求已经从户外导航逐步拓展到室内定位。然而，随着城市化建设的进程，室内空间越来越密集，室内结构越来越复杂。为了不在钢筋水泥中迷路，室内定位技术应运而生。
最早的室内定位技术主要有RFID、蓝牙、Wi-Fi、超声波、红外线等。但这些技术都拥有各自的局限性，蓝牙和Wi-Fi技术定位精度不够，红外线技术穿透力差，超声波技术易受干扰。相比之下，近期备受瞩目的UWB技术，凭借更强的抗干扰性，更高的定位精度，成为了当下最具市场潜力的室内定位技术。
在UWB传感器定位过程中，由于工业环境下信号受障碍物遮挡而引入NLOS误差，从而导致系统定位性能下降。
为了减弱NLOS误差对系统的影响，从而间接提高UWB的定位精度，本发明提供了一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法来减弱NLOS误差影响和提高UWB系统的定位性能。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法，包括以下步骤：
步骤S1：将UWB传感器TOA模式下的基本定位方程转化为
Figure 85748DEST_PATH_IMAGE001
的线性表达式；
步骤S2：给定基站总数为
Figure 731493DEST_PATH_IMAGE002
，从所有基站中随机等概率选取M个基站参与定位，将基站组合数量标记为
Figure 981208DEST_PATH_IMAGE003
；其中M小于N；
步骤S3：遍历所有基站分组，对于某一个具体的基站分组进行最小二乘定位，并获得对应的定位解和残差向量；
步骤S4：对所有基站分组下的残差向量求取平方和值，然后按照从小到大的顺序进行排列，获取前一半较小残差平方值对应的分组编号；
步骤S5：根据步骤S4得到的分组编号来获得对应的定位解，最后将这些符合条件的定位解的平均值作为最终定位结果。
优选的，步骤S1中UWB传感器TOA模式下的定位方程为：
Figure 773672DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 83430DEST_PATH_IMAGE005
代表均值为0，方差为
Figure 216471DEST_PATH_IMAGE006
的高斯白噪声；
Figure 269878DEST_PATH_IMAGE007
为非视距误差；
Figure 922707DEST_PATH_IMAGE008
表示视距路径集合，
Figure 465684DEST_PATH_IMAGE009
代表NLOS路径集合；
Figure 758125DEST_PATH_IMAGE010
为第
Figure 428272DEST_PATH_IMAGE011
个基站的已知坐标，
Figure 122559DEST_PATH_IMAGE012
为终端的待求坐标，
Figure 836437DEST_PATH_IMAGE013
表示第
Figure 881753DEST_PATH_IMAGE011
个基站与终端之间的观测值；
从而得到UWB传感器TOA模式下的定位方程的
Figure 886750DEST_PATH_IMAGE001
线性表达形式为：
Figure 169963DEST_PATH_IMAGE014
Figure 789163DEST_PATH_IMAGE015
Figure 56197DEST_PATH_IMAGE016
。
优选的，基站组合数量
Figure 68146DEST_PATH_IMAGE017
的表达式为：
Figure 471446DEST_PATH_IMAGE018
；
对所有基站分组记为
Figure 792706DEST_PATH_IMAGE019
,且
Figure 547035DEST_PATH_IMAGE020
为
Figure 97096DEST_PATH_IMAGE021
的第
Figure 620481DEST_PATH_IMAGE022
个基站分组。
优选的，对某一种具体的基站分组
Figure 112643DEST_PATH_IMAGE020
，其线性模型为
Figure 901738DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 442441DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 148229DEST_PATH_IMAGE025
分别为以
Figure 296445DEST_PATH_IMAGE020
为行从矩阵
Figure 25366DEST_PATH_IMAGE026
和向量
Figure 166497DEST_PATH_IMAGE027
中选取出来的值，
Figure 664475DEST_PATH_IMAGE028
表示第
Figure 977733DEST_PATH_IMAGE022
个基站分组对应的定位解；
则最小二乘定位解为：
Figure 193950DEST_PATH_IMAGE029
则与定位解
Figure 138772DEST_PATH_IMAGE028
对应的定位残差元素为
Figure 491256DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 246854DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 684789DEST_PATH_IMAGE032
分别表示定位解
Figure 167722DEST_PATH_IMAGE028
的
Figure 640292DEST_PATH_IMAGE033
坐标和
Figure 301212DEST_PATH_IMAGE034
坐标，将由残差元素构造出的残差向量记为
Figure 226442DEST_PATH_IMAGE035
。
优选的，对所有残差向量依次进行平方和运算，即
Figure 513067DEST_PATH_IMAGE036
对所有残差向量的平方和
Figure 840143DEST_PATH_IMAGE037
按从小到大顺序排列，将前一半残差平方和值对应基站分组编号记为
Figure 937544DEST_PATH_IMAGE038
，j=1,2……N2，其个数
Figure 350070DEST_PATH_IMAGE039
为
Figure 174807DEST_PATH_IMAGE040
的整数部分。
优选的，将前一半的残差平方和对应的定位解记为
Figure 356389DEST_PATH_IMAGE041
，则最终的定位解为：
Figure 624691DEST_PATH_IMAGE042
。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过对所有基站进行随机等概率分组；然后对每一个分组，计算其最小二乘定位解及对应的残差向量；再然后，对所有残差向量计算残差平方和，并进行排序，筛选出平方和值较小的前一半定位解；最后，将上述前一半定位解的平均值作为最终定位解进行输出，从而达到获取高精度定位解的目的。
该方法计算简单，理论原理充分，且定位效果较好，具有一定抗非视距误差作用，对于工业环境下的应用具有一定借鉴价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法，本方法包括以下步骤：
步骤S1：给出UWB传感器TOA模式下的定位方程：
Figure 524514DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 152941DEST_PATH_IMAGE005
代表均值为0，方差为
Figure 189030DEST_PATH_IMAGE006
的高斯白噪声；
Figure 628233DEST_PATH_IMAGE007
为非视距误差，其通常为正数；
Figure 15352DEST_PATH_IMAGE008
表示视距路径集合，
Figure 181891DEST_PATH_IMAGE009
代表NLOS路径集合；
Figure 338066DEST_PATH_IMAGE010
为第
Figure 948170DEST_PATH_IMAGE011
个基站的已知坐标，
Figure 619323DEST_PATH_IMAGE012
为终端的待求坐标，
Figure 792815DEST_PATH_IMAGE013
表示第
Figure 803497DEST_PATH_IMAGE011
个基站与终端之间的观测值；
在一个具体的实施例中，由于不涉及对非视距误差和高斯噪声的处理，故而可以忽略高斯噪声和非视距误差的表达式，从而得到UWB传感器TOA模式下的定位方程的
Figure 584502DEST_PATH_IMAGE001
线性表达形式为：
Figure 742951DEST_PATH_IMAGE014
Figure 188976DEST_PATH_IMAGE015
Figure 126933DEST_PATH_IMAGE016
步骤S2：在基站总数为
Figure 265790DEST_PATH_IMAGE002
的前提下，对所有基站中随机等概率选取M个基站参与定位；基站组合数量
Figure 911535DEST_PATH_IMAGE003
的表达式为：
Figure 161251DEST_PATH_IMAGE044
；
在一个具体的实施例中，M取3，对所有基站进行分组，从而得到分组数量为：
Figure 959573DEST_PATH_IMAGE045
；
若
Figure 269332DEST_PATH_IMAGE002
为5，则
Figure 402373DEST_PATH_IMAGE046
，10种基站分组的编号依次为：[1,2,3]、[1,2,4]、[1,2,5]、[1,3,4]、[1,3,5]、[1,4,5]、[2,3,4]、[2,3,5]、[2,4,5]和[3,4,5]。当
Figure 455780DEST_PATH_IMAGE002
为其它整数时，基站分组的规律参考上述例子。
对所有基站分组记为
Figure 108609DEST_PATH_IMAGE047
,且
Figure 651586DEST_PATH_IMAGE020
为
Figure 944027DEST_PATH_IMAGE021
的第
Figure 614174DEST_PATH_IMAGE022
个基站分组。
步骤S3：针对某一种具体的基站分组
Figure 308460DEST_PATH_IMAGE020
，其线性模型为：
Figure 22339DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 67655DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 72651DEST_PATH_IMAGE025
分别为以
Figure 152603DEST_PATH_IMAGE020
为行从矩阵
Figure 522535DEST_PATH_IMAGE026
和向量
Figure 789568DEST_PATH_IMAGE027
中选取出来的值，
Figure 785206DEST_PATH_IMAGE028
表示第
Figure 454085DEST_PATH_IMAGE022
个基站分组对应的定位解。
故而，其最小二乘定位解为：
Figure 526077DEST_PATH_IMAGE029
则与定位解
Figure 14828DEST_PATH_IMAGE028
对应的定位残差元素为
Figure 79736DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 603121DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 580435DEST_PATH_IMAGE032
分别表示定位解
Figure 822061DEST_PATH_IMAGE028
的
Figure 425080DEST_PATH_IMAGE033
坐标和
Figure 802972DEST_PATH_IMAGE034
坐标。
由上面残差元素构造出的残差向量记为
Figure 234345DEST_PATH_IMAGE048
。
遍历所有基站分组，获得所有分组对应的定位解和定位残差向量。
步骤S4：对所有残差向量
Figure 760004DEST_PATH_IMAGE037
依次进行平方和运算，即
Figure 104398DEST_PATH_IMAGE036
然后，对所有残差向量的平方和
Figure 415425DEST_PATH_IMAGE037
按从小到大顺序排列，将前一半残差平方和值对应基站分组编号记为
Figure 921492DEST_PATH_IMAGE038
，j=1,2……N2；其
Figure 200027DEST_PATH_IMAGE039
个数为
Figure 82532DEST_PATH_IMAGE040
的整数部分。
步骤S5：将前一半较小的残差平方和对应的定位解记为
Figure 248066DEST_PATH_IMAGE041
，则最终的定位解为：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
本发明的工作原理：首先，通过对所有基站进行随机等概率分组；然后对每一个分组，计算其最小二乘定位解及对应的残差向量；再然后，对所有残差向量计算残差平方和，并进行排序，筛选出平方和值较小的前一半定位解；最后，将上述前一半定位解的平均值作为最终定位解进行输出，从而达到获取高精度定位解的目的。该方法具有计算速度快、计算原理简单和效果较好的优点，对于室内复杂场景下的UWB定位问题具有一定的借鉴意义。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将UWB传感器TOA模式下的基本定位方程转化为
Figure 551764DEST_PATH_IMAGE001
的线性表达式；
步骤S2：给定基站总数为
Figure 877220DEST_PATH_IMAGE002
，从所有基站中随机等概率选取M个基站参与定位，将基站组合数量标记为
Figure 631550DEST_PATH_IMAGE003
；其中M小于N；
步骤S3：遍历所有基站分组，对于某一个具体的基站分组进行最小二乘定位，并获得对应的定位解和残差向量；
步骤S4：对所有基站分组下的残差向量求取平方和值，然后按照从小到大的顺序进行排列，获取前一半残差平方值对应的分组编号；
步骤S5：根据步骤S4得到的分组编号来获得对应的定位解，最后将这些符合条件的定位解的平均值作为最终定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法，其特征在于，步骤S1中UWB传感器TOA模式下的定位方程为：
Figure 430878DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 954264DEST_PATH_IMAGE005
代表均值为0，方差为
Figure 384108DEST_PATH_IMAGE006
的高斯白噪声；
Figure 438783DEST_PATH_IMAGE007
为非视距误差；
Figure 713906DEST_PATH_IMAGE008
表示视距路径集合，
Figure 419694DEST_PATH_IMAGE009
代表NLOS路径集合；
Figure 754861DEST_PATH_IMAGE010
为
Figure 795367DEST_PATH_IMAGE011
第个基站的已知坐标，
Figure 874181DEST_PATH_IMAGE012
为终端的待求坐标，
Figure 434475DEST_PATH_IMAGE013
表示第
Figure 206122DEST_PATH_IMAGE011
个基站与终端之间的观测值；
从而得到UWB传感器TOA模式下的定位方程的
Figure 969810DEST_PATH_IMAGE001
线性表达形式为：
Figure 852315DEST_PATH_IMAGE014
Figure 267116DEST_PATH_IMAGE015
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。
3.根据权利要求2所述的一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法，其特征在于，基站组合数量
Figure 117654DEST_PATH_IMAGE003
的表达式为：
Figure 24430DEST_PATH_IMAGE018
；
对所有基站分组记为
Figure 445047DEST_PATH_IMAGE019
,且
Figure 917617DEST_PATH_IMAGE021
为
Figure 703170DEST_PATH_IMAGE022
的第
Figure 628401DEST_PATH_IMAGE023
个基站分组。
4.根据权利要求3所述的一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法，其特征在于，对某一种具体的基站分组
Figure 55971DEST_PATH_IMAGE021
，其线性模型为
Figure 117468DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 713403DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 125930DEST_PATH_IMAGE026
分别为以
Figure 216246DEST_PATH_IMAGE021
为行从矩阵
Figure 397829DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 400551DEST_PATH_IMAGE028
向量中选取出来的值，
Figure 300374DEST_PATH_IMAGE029
表示第
Figure 928801DEST_PATH_IMAGE023
个基站分组对应的定位解；
则最小二乘定位解为：
Figure 230469DEST_PATH_IMAGE030
则与定位解
Figure 899698DEST_PATH_IMAGE029
对应的定位残差元素为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure 349134DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 718936DEST_PATH_IMAGE033
分别表示定位解
Figure 422581DEST_PATH_IMAGE029
的
Figure 219635DEST_PATH_IMAGE034
坐标和
Figure 890788DEST_PATH_IMAGE035
坐标，将由残差元素构造出的残差向量记为
Figure 64281DEST_PATH_IMAGE036
。
5.根据权利要求4所述的一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法，其特征在于，对所有残差向量依次进行平方和运算，即
Figure DEST_PATH_IMAGE037
对所有残差向量的平方和
Figure DEST_PATH_IMAGE038
按从小到大顺序排列，将前一半残差平方和值对应基站分组编号记为
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，j=1,2……N2，其个数
Figure 448863DEST_PATH_IMAGE041
为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
的整数部分。
6.根据权利要求5所述的一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法，其特征在于，将前一半的残差平方和对应的定位解记为
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，则最终的定位解为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
。
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