CN115348540B - 一种nlos环境下连续定位的跟踪方法 - Google Patents

一种nlos环境下连续定位的跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种NLOS环境下连续定位的跟踪方法，包括通过定位结果计算标签与基站之间的距离，计算的距离与通过首径计算的距离对比，得到距离误差；根据距离误差，通过PI控制算法对首径位置进行补偿修正；根据修正的首径位置索引为起点，截取CIR序列，对截取的序列共轭并进行归一化，作为下一次检测的本地序列；在下一次检测中，使用上传CIR序列与本地序列进行卷积运算，根据取相关结果的最大值与该序列的能量求相关系数；利用CIR序列，利用现有方法直接进行首径搜索，得到直接搜索的首径位置以及其对应的置信度；直接搜索得到的首径位置以及对应的置信度，输出最终的首径位置以及当前的测距环境；根据最终输出的首径位置计算距离并进行定位。本发明具有非常强鲁棒性，通过闭环控制，即使在NLOS环境中，首径能量很小或者消失的情况下也能够得到较为精确的定位结果。

Description

一种NLOS环境下连续定位的跟踪方法
技术领域
本发明涉及超宽带(Ultra-wide Bandwidth，UWB)通信定位的技术领域，具体涉及一种NLOS环境下连续定位的跟踪方法。
背景技术
目前基于GNSS的室外定位技术相对成熟，但在室内，由于卫星信号容易受到遮挡并无法完成正常定位服务并且定位精度不能满足服务需求。近年来人们对于高精度的定位服务的需求愈加强烈，据统计，人们70％-80％的活动发生在室内，因此开展室内定位技术有着十分重要的意义。基于各种不同的需求，许多相应的定位技术已经展现出来，并取得了不错的效果，例如红外线、射频识别、超声波、WIFI、蓝牙、Zigbee、视觉定位等技术。然而都有各自的曲线，要么定位精度低，要么对环境的要求苛刻，无法满足人们对室内定位感知系统精度高、环境自适应好的要求。UWB定位技术的诸多有点是的该技术能够实现高精度的室内定位，相比于其他无线定位技术，UWB具有抗干扰能力强、带宽极宽、传输速率快、功率消耗小等诸多优势。
UWB定位技术依赖于首径的检测精度，通常在在视距(Line of Sight,LOS)传播环境中，首径的检测相对容易些，并且能够获得比较高的定位精度。然而在一些复杂环境(如室内、地下环境)中，由于地形复杂和障碍物密集等因素的影响，导致UWB信号传播会在LOS传播与非视距(Non Line of Sight,NLOS)传播两种形式之间随机切换。而在NLOS传播方式中，由于信号直射路径的缺失，使得信号的传播时间延长，产生了正偏差，这极大的影响了定位的精度。因此，研究在NLOS环境下的UWB定位问题对于提高室内定位的精度有着较大的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种NLOS环境下连续定位的跟踪方法，本发明利用前后两次定位使用的信道冲击响应(CIR,Channel Impulse Response)有着比较强的相关性。利用定位结果的反馈，通过PI控制器进行闭环控制，以达到精确截取CIR序列作为本地序列，对需要检测首径的CIR序列与本地序列进行互相关运算，然后通过最大值搜索，最大值对应的索引即为首径索引，通过本发明达到在连续定位过程中精确跟踪的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种NLOS环境下连续定位的跟踪方法，所述方法包括以下步骤：
S1通过定位结果计算标签与基站之间的距离，计算的距离与通过首径计算的距离对比，得到距离误差；
S2根据距离误差转化为首径索引误差，通过PI控制算法对首径位置进行偏移修正；
S3根据PI控制器修正的首径位置索引为起点，截取CIR序列，对截取的序列共轭并进行归一化，作为下一次检测的本地序列；
S4在下一次检测中，使用上传CIR序列与本地序列进行卷积运算，然后取绝对值并进行最大值搜索，根据最大值对应的索引求出首径位置；
S5根据步骤S4得到的首径位置，截取与本地序列相关程度最大的CIR序列，并对该截取CIR求能量，根据互相关结果的最大值与该序列的能量求相关系数；
S6利用CIR序列，利用现有方法直接进行首径搜索，得到直接搜索的首径位置；
S7直接搜索得到的首径位置以及对应的置信度，与通过CIR序列与本地序列互相关运算输出的首径位置以及其相关系数进行综合判断，输出最终的首径位置以及当前的测距环境；
S8根据最终输出的首径位置计算距离并进行定位。
需要说明的是，所述步骤S2中，PI控制器的输入为当前通过首径检测输出的距离值，输出为PI控制修正后的首径索引调整值，反馈为经过定位结果计算的距离值；
PI控制器的传递函数如下：
Figure BDA0003800334420000031
其中，kG为比例增益，kI为积分增益，z-n为延时因子。
需要说明的是，所述步骤S3通过下式计算获得：
Figure BDA0003800334420000032
其中，sCIR为CIR序列，FPI为PI控制器输出的首径索引，Ntaps为本地序列的抽头数，conj()为取共轭运算。
需要说明的是，所述步骤S4通过下式计算获得：
Figure BDA0003800334420000041
其中，Fdet为检测到的首径位置，
Figure BDA0003800334420000042
表示求最大值对应的n。
需要说明的是，所述步骤S5通过下式计算获得：
Figure BDA0003800334420000043
需要说明的是，在所述步骤S7中，假设直接搜索得到的首径位置为Fdet1，其对应的置信度为Ccoef，通过CIR序列与本地序列互相关运算输出的首径位置为Fdet2，其相关系数为rcoef，输出最终的首径位置以及当前的测距环境。
需要说明的是，输出最终的首径位置以及当前的测距环境包括有：
Fdet1<Fdet2并且Ccoef>Cth，说明PI控制输出还未收敛，以直接搜索得到的首径位置Fdet1作为输出结果，测距环境未知；
Fdet1＝Fdet2并且Ccoef>Cth&rcoef>rth，最终首径位置为Fdet2，测距环境相对稳定，并且为LOS测距环境；
Fdet1>Fdet2并且rcoef>rth，最终首径位置为Fdet2，测距环境相对稳定，并且为NLOS测距环境；
当rcoef≤rth，说明当前测距环境为时变环境，最终首径位置为Fdet1；
其中，Cth首径置信度阈值，rth为相关系数阈值。
本发明有益效果在于：
1、利用定位结果的反馈，通过PI控制器进行闭环控制，以达到精确截取CIR序列作为本地序列，截取的本地序列与CIR进行互相关运算结果与首径位置有着严格的映射关系；
2、即使在首径能量很小或者首径消失的情况下，仍然能够获得比较高的定位精度；
3、根据直接搜索得到的首径位置以及对应的置信度，与通过CIR序列与本地序列互相关运算输出的首径位置以及其相关系数进行动态选择，输出置信度较高的首径位置以及当前的测距环境。
附图说明
图1为本发明NLOS环境下连续定位的跟踪方法的系统架构示意图；
图2为本发明NLOS环境下连续定位的跟踪方法的完整的定位过程示意图；
图3为本发明NLOS环境下连续定位的跟踪方法的处理流程图；
图4为本发明NLOS环境下连续定位的跟踪方法的PI控制器实现原理示意图；
图5为本发明NLOS环境下连续定位的跟踪方法的截图CIR得到本地序列展示图；
图6为本发明NLOS环境下连续定位的跟踪方法的LOS环境CIR序列与本地序列互相关结果图；
图7为本发明NLOS环境下连续定位的跟踪方法的NLOS环境CIR序列与本地序列互相关结果图。
具体实施方式
以下将对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本发明为一种NLOS环境下连续定位的跟踪方法，所述方法包括以下步骤：
S1通过定位结果计算标签与基站之间的距离，计算的距离与通过首径计算的距离对比，得到距离误差；
S2根据距离误差转化为首径索引误差，通过PI控制算法对首径位置进行偏移修正；
S3根据PI控制器修正的首径位置索引为起点，截取CIR序列，对截取的序列共轭并进行归一化，作为下一次检测的本地序列；
S4在下一次检测中，使用上传CIR序列与本地序列进行卷积运算，然后取绝对值并进行最大值搜索，根据最大值对应的索引求出首径位置；
S5根据步骤S4得到的首径位置，截取与本地序列相关程度最大的CIR序列，并对该截取CIR求能量，根据互相关结果的最大值与该序列的能量求相关系数；
S6利用CIR序列，利用现有方法直接进行首径搜索，得到直接搜索的首径位置；
S7直接搜索得到的首径位置以及对应的置信度，与通过CIR序列与本地序列互相关运算输出的首径位置以及其相关系数进行综合判断，输出最终的首径位置以及当前的测距环境；
S8根据最终输出的首径位置计算距离并进行定位。
需要说明的是，所述步骤S2中，PI控制器的输入为当前通过首径检测输出的距离值，输出为PI控制修正后的首径索引调整值，反馈为经过定位结果计算的距离值；
PI控制器的传递函数如下：
Figure BDA0003800334420000071
其中，kG为比例增益，kI为积分增益，z-n为延时因子。
需要说明的是，所述步骤S3通过下式计算获得：
Figure BDA0003800334420000072
其中，sCIR为CIR序列，FPI为PI控制器输出的首径索引，Ntaps为本地序列的抽头数，conj()为取共轭运算。
需要说明的是，所述步骤S4通过下式计算获得：
Figure BDA0003800334420000073
其中，Fdet为检测到的首径位置，
Figure BDA0003800334420000074
表示求最大值对应的n。
需要说明的是，所述步骤S5通过下式计算获得：
Figure BDA0003800334420000081
需要说明的是，在所述步骤S7中，假设直接搜索得到的首径位置为Fdet1，其对应的置信度为Ccoef，通过CIR序列与本地序列互相关运算输出的首径位置为Fdet2，其相关系数为rcoef，输出最终的首径位置以及当前的测距环境。
需要说明的是，输出最终的首径位置以及当前的测距环境包括有：
Fdet1<Fdet2并且Ccoef>Cth，说明PI控制输出还未收敛，以直接搜索得到的首径位置Fdet1作为输出结果，测距环境未知；
Fdet1＝Fdet2并且Ccoef>Cth&rcoef>rth，最终首径位置为Fdet2，测距环境相对稳定，并且为LOS测距环境；
Fdet1>Fdet2并且rcoef>rth，最终首径位置为Fdet2，测距环境相对稳定，并且为NLOS测距环境；
当rcoef≤rth，说明当前测距环境为时变环境，最终首径位置为Fdet1。
实施例
图1为本发明的一种NLOS环境下连续定位的跟踪方法的系统架构示意图。通过基站102、103、104、105与移动标签106进行双边双向测距(DS-TWR，Double Side Two WayRanging)，由基站102、103、104、105将测距信息发送给服务端，服务端101完成定位计算，并将测距结果反馈给每个基站102、103、104、105。由主基站102将每个基站102、103、104、105的测距输出以及服务端101输出定位结果发送给移动标签106，每个基站102、103、104、105以及移动标签106根据测距输出以及定位结果通过PI控制器调整CIR的截取的起始位置，更新本地序列。
一次完整的定位过程示意图如图2所示，由移动标签106通过广播消息帧发起测距。当测距开始后，首先由移动标签106广播测距帧，每个基站进行接收。然后主基站102，基站103、基站104、基站105按照约定的顺序发送响应测距帧。当所有基站102、103、104、105发送完测距帧后，移动标签106再次广播发送测距帧，完成DS-TWR。然后移动标签106广播发送消息帧将其记录的时间戳等信息发送给每个基站102、103、104、105。每个基站102、103、104、105将接收的时间戳等信息结合其本身记录的时间戳等信息进行测距计算，并将测距结果输出给服务端101进行定位计算。服务端101完成定位计算后将定位结果输出给每个基站。并由主基站102将每个基站102、103、104、105的测距输出以及定位结果通过消息帧发送给移动标签106，以便移动标签106修正截取CIR序列的起始点。
按照主基站102为例，介绍该发明的技术方案。
如图3所示为该实施例的每一步的处理流程，该处理流程共包含8个步骤：
S301：通过定位结果计算标签106与主基站102之间的距离，计算的距离与通过首径计算的距离对比，得到距离误差；
首先通过定位结果计算标签106与主基站102之间的距离，计算方法如下：
Figure BDA0003800334420000101
其中，(xt,yt,zt)为移动标签106的定位结果，(xb,yb,zb)为基站102的坐标。
然后，通过计算的距离值dcalc与通过首径计算的距离值dFP对比，得到距离误差如下：
Δd＝dFP-dcalc
S302：根据距离误差转化为首径索引误差，通过PI控制算法对首径位置进行偏移修正；
根据距离误差转化为首径索引误差，计算方法如下：
Figure BDA0003800334420000102
其中，c为光速，ts为CIR序列的采样间隔时间。
如图4所示，PI控制器的输入为当前通过首径检测输出的距离值，输出为PI控制修正后的首径索引调整值，反馈为经过定位结果计算的距离值。
PI控制器的传递函数如下：
Figure BDA0003800334420000103
其中，kG为比例增益，kI为积分增益，z-n为延时因子。
S303：根据PI控制器修正的首径位置索引为起点，截取CIR序列，对截取的序列共轭并进行归一化，作为下一次检测的本地序列；
本地序列截取与归一化的方法如下：
Figure BDA0003800334420000111
其中，sCIR为CIR序列，FPI为PI控制器输出的首径索引，Ntaps为本地序列的抽头数，conj()为取共轭运算。
所截取的序列如图5所示，以首径为起点，包含绝大部分的多径分量。
S304：在下一次检测中，使用上传CIR序列与本地序列进行卷积运算，然后取绝对值并进行最大值搜索，根据最大值对应的索引求出首径位置；
其方法如下：
Figure BDA0003800334420000112
其中，Fdet为检测到的首径位置，
Figure BDA0003800334420000113
表示求最大值对应的n。
如图6所示为，上传的CIR与本地序列进行卷积运算并取绝对值处理。可以发现在在LOS环境下，通过上传的CIR的直接搜索得到的首径位置与本发明得到的首径位置相同。
S305：根据步骤S304得到的首径位置，截取与本地序列相关程度最大的CIR序列，并对该截取CIR求能量，根据互相关结果的最大值与该序列的能量求相关系数；
CIR序列的截取与相关系数的计算方法如下：
Figure BDA0003800334420000121
通过图6对应的互相关结果，求得到的相关系数为0.9058；
S306：利用CIR序列，利用现有方法直接进行首径搜索，得到直接搜索的首径位置；
对于现在有的首径搜索方法，例如：通过与设定阈值进行比较得到首径的上升沿，通过上升沿进行局部最大值搜索得到首径对应的索引；
S307：直接搜索得到的首径位置以及对应的置信度，与通过CIR序列与本地序列互相关运算输出的首径位置以及其相关系数进行综合判断，输出最终的首径位置以及当前的测距环境；
在本实施例中，假设直接搜索得到的首径位置为Fdet1，其对应的置信度为Ccoef，通过CIR序列与本地序列互相关运算输出的首径位置为Fdet2，其相关系数为rcoef，输出最终的首径位置以及当前的测距环境可以分为以下几种情况：
1)Fdet1<Fdet2并且Ccoef>50％，说明PI控制输出还未收敛，以直接搜索得到的首径位置Fdet1作为输出结果，测距环境未知；
2)Fdet1＝Fdet2并且Ccoef>50％&rcoef>0.5，最终首径位置为Fdet2，测距环境相对稳定，并且为LOS测距环境；
3)Fdet1>Fdet2并且rcoef>0.5，最终首径位置为Fdet2，测距环境相对稳定，并且为NLOS测距环境；
4)当rcoef≤0.5，说明当前测距环境为时变环境，最终首径位置为Fdet1。
S308：根据最终输出的首径位置计算距离并进行定位。
由该基站102根据首径位置对应的时间戳，利用DS-TWR的方法计算计算出距离值，并输出给服务端101，服务端根据主基站102、从基站103、104、105输出的距离值，利用现有方法进行定位计算，计算出移动标签106的坐标值(xt,yt,zt)。
为了验证NLOS环境下连续定位的跟踪方法的性能，利用在NLOS环境下采集到的CIR序列进行了首径检测分析，如图7所示，首径的幅度很小，通过使用CIR序列直接搜索的方法很难准确的检测到首径，但是通过本实施例的方法，可以精确的定位到首径的位置。因此，实施例是一种NLOS环境下，比较优异的首径检测方法。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种NLOS环境下连续定位的跟踪方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1通过定位结果计算标签与基站之间的距离，计算的距离与通过首径计算的距离对比，得到距离误差；
S2根据距离误差转化为首径索引误差，通过PI控制算法对首径位置进行偏移修正；
S3根据PI控制器修正的首径位置索引为起点，截取CIR序列，对截取的序列共轭并进行归一化，作为下一次检测的本地序列；
S4在下一次检测中，使用上传CIR序列与本地序列进行卷积运算，然后取绝对值并进行最大值搜索，根据最大值对应的索引求出首径位置；
S5根据步骤S4得到的首径位置，截取与本地序列相关程度最大的CIR序列，并对该截取CIR求能量，根据互相关结果的最大值与该序列的能量求相关系数；
S6利用CIR序列，利用现有方法直接进行首径搜索，得到直接搜索的首径位置；
S7直接搜索得到的首径位置以及对应的置信度，与通过CIR序列与本地序列互相关运算输出的首径位置以及其相关系数进行综合判断，输出最终的首径位置以及当前的测距环境；
S8根据最终输出的首径位置计算距离并进行定位。
2.根据权利要求1所述的NLOS环境下连续定位的跟踪方法，其特征在于，
所述步骤S2中，PI控制器的输入为当前通过首径检测输出的距离值，输出为PI控制修正后的首径索引调整值，反馈为经过定位结果计算的距离值；
PI控制器的传递函数如下：
Figure FDA0003800334410000021
其中，kG为比例增益，kI为积分增益，z-n为延时因子。
3.根据权利要求1所述的NLOS环境下连续定位的跟踪方法，其特征在于，
所述步骤S3通过下式计算获得：
Figure FDA0003800334410000022
其中，sCIR为CIR序列，FPI为PI控制器输出的首径索引，Ntaps为本地序列的抽头数，conj()为取共轭运算。
4.根据权利要求1所述的NLOS环境下连续定位的跟踪方法，其特征在于，
所述步骤S4通过下式计算获得：
Figure FDA0003800334410000023
其中，Fdet为检测到的首径位置，
Figure FDA0003800334410000024
表示求最大值对应的n。
5.根据权利要求1所述的NLOS环境下连续定位的跟踪方法，其特征在于，
所述步骤S5通过下式计算获得：
Figure FDA0003800334410000031
6.根据权利要求1所述的NLOS环境下连续定位的跟踪方法，其特征在于，
在所述步骤S7中，假设直接搜索得到的首径位置为Fdet1，其对应的置信度为Ccoef，通过CIR序列与本地序列互相关运算输出的首径位置为Fdet2，其相关系数为rcoef，输出最终的首径位置以及当前的测距环境。
7.根据权利要求6所述的NLOS环境下连续定位的跟踪方法，其特征在于，输出最终的首径位置以及当前的测距环境包括有：
Fdet1<Fdet2并且Ccoef>Cth，说明PI控制输出还未收敛，以直接搜索得到的首径位置Fdet1作为输出结果，测距环境未知；
Fdet1＝Fdet2并且Ccoef>Cth&rcoef>rth，最终首径位置为Fdet2，测距环境相对稳定，并且为LOS测距环境；
Fdet1>Fdet2并且rcoef>rth，最终首径位置为Fdet2，测距环境相对稳定，并且为NLOS测距环境；
当rcoef≤rth，说明当前测距环境为时变环境，最终首径位置为Fdet1；
其中，Cth首径置信度阈值，rth为相关系数阈值。
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