CN116437288A - 一种基于信号强度选择los基站算法设计方法 - Google Patents

一种基于信号强度选择los基站算法设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，属于超宽带通信技术领域，包括以下步骤：S1、获取定位基站的接收信号能量和测距结果，剔除数据中的异常值；S2、对测距结果进行滤波，提高测距结果稳定性，根据定位基站的标定信息对测距结果进行修正；S3、使用所述S2输出的数据提取数据特征；S4、基站选择模块使用步S3输出的数据特征进行判断，剔除被车辆遮挡的定位基站，选择出适合定位的定位基站；S5：根据选择出的适合定位的定位基站接收信号强度，权重判断模块通过信号强度进行计算，输出该定位基站测距距离的可信度。本发明一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，可以准确选择出适用于定位的基站，从而提高最终的定位精度。

Description

一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法
技术领域
本发明涉及超宽带通信技术领域，尤其是涉及一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法。
背景技术
随着用户对用车体验的提高，汽车数字钥匙装配量越来越多，成为了提高舒适方便性的重要一环。汽车钥匙经历了机械钥匙、遥控钥匙、无钥匙进入启动系统和数字钥匙等几个阶段，目前主流的数字钥匙技术方案采用蓝牙、NFC和UWB等通信技术，将智能手机、智能手表、智能手环和NFC卡片等终端设备做为汽车钥匙，可以取代实体钥匙实现无钥匙进入、无钥匙启停、远程钥匙授权等功能。其中，NFC卡片钥匙必须贴在车载感应器上方1-2厘米近距离刷卡才能感应到。蓝牙智能钥匙可在20米距离范围内，与车辆通信连接进行身份验证，并判断当前距离位置，提前解锁车辆，当车主进入车内时可以实现无钥匙启动。UWB钥匙与蓝牙钥匙相比，能够提供厘米级的定位信息，定位更准确。因此使用UWB钥匙可以在车辆周围设置迎宾区、解锁区、启动区。根据所在位置不同与距离远近，实现更加智能化的操作，如迎宾区打开车灯或者喇叭提醒，方便车主找车。解锁区时，解锁车辆、打开车内照明、自动调节座椅、打开后视镜等功能。车主进入车辆后，按下启动键就可以启动车辆。
NFC卡片钥匙通过近场通信，通信距离十分的近不能远距离使用。蓝牙钥匙主要依靠信号的强弱来测距，所以定位精度较低，定位精度一般在1米以上，通常在10米以外的距离基本无法实现定位。UWB匙通过TOF测距，定位精度较高，精度可达30厘米内，实现厘米级的定位。相比于蓝牙，UWB钥匙在10米内可以实现更精准的定位，在距离更远的位置，30米范围内可以实现厘米级的定位，这为迎宾自动解锁等功能提供了可靠的依据。同时在安全性方面，蓝牙钥匙和NFC钥匙都面临中继攻击的问题，安全性上有一定的欠缺，而UWB钥匙通信过程中加入安全时间戳，只有接收端的滚码匹配时才能得到对应时间戳，这一措施极大的提高了防止中继攻击的能力。因此，综合定位精度与安全性两方面考虑，UWB钥匙是目前技术背景下，较优的汽车数字钥匙解决方案。UWB钥匙实现精准定位，需要在车辆上安装多个定位基站，而在定位过程中汽车的车身结构会对定位基站产生遮挡，从而使UWB钥匙到受遮挡定位基站距离测量不准确，如果选用受遮挡定位基站测距结果进行定位，会导致定位不准确，与真实位置产生较大偏差。因此如何在定位过程中选择合适的定位基站是提高定位精度的关键因素之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，该方法通过接收信号强度与测距距离，通过接收信号强度与测距距离，对测量过程的受遮挡定位基站进行剔除，选择合适的LOS定位基站，并给出所选择定位基站的可信度程度；该方法能够避免选择对受遮挡定位基站进行定位，可以准确选择出适用于定位的基站，从而提高最终的定位精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，包括以下步骤：
S1、获取定位基站的接收信号能量和测距结果，剔除数据中的异常值；
S2、对测距结果进行滤波，提高测距结果稳定性，根据定位基站的标定信息对测距结果进行修正；
S3、使用所述S2输出的数据提取数据特征；
S4、基站选择模块使用所述S3输出的数据特征进行判断，剔除被车辆遮挡的定位基站，选择出适合定位的定位基站；
S5、根据选择出的适合定位的定位基站接收信号强度，权重判断模块通过信号强度进行计算，输出该定位基站测距距离的可信度。
优选的，所述S1中，剔除测距异常值采用阈值判定法，其中测距距离阈值设置为dist_th，当测距结果大于测距距离阈值dist_th时，则判定当前测距结果异常，判定该基站为NLOS定位基站。
优选的，所述S2中，对测距结果数据进行滤波的方法为，分别使用卡尔曼滤波器和IIR滤波器进行滤波，综合两种滤波器的测距结果得到最终修正后的测距结果：
Figure BDA0004209346550000031
其中，d′ 1为修正后的测距结果，
Figure BDA0004209346550000032
为经过卡尔曼滤波器后的结果，/>
Figure BDA0004209346550000033
为IIR滤波器的测距结果，α和β分别为卡尔曼滤波法和速度估计法滤波结果的权重。
优选的，所述S4中，基站选择模块使用S3输出的数据特征进行判断，剔除被车辆遮挡的定位基站，选择出适合定位的定位基站，定位基站选择模块包含以下步骤：
S41、根据测距结果与阈值进行比较，判断测距结果是否合理；
S42、使用加权均值滤波，使用历史接收信号强度修正当前接收信号强度：
S43、根据修正后接收信号强度与阈值进行比较，判断接收信号强度是否合理；
S44、比较对角线基站间接收信号强度大小；
S45、计算多个基站的最大能量差，将结果与阈值进行比较；
S46、根据所有判断结果，确定LOS定位基站编号。
优选的，所述S5中，权重判断模块通过信号强度进行计算，输出该定位基站测距距离的可信度，根据采集到的大量数据进行分析，拟合出用于估计定位基站权重的函数，以基站权重作为输出，函数直接输出其对应权重f(p)：
Figure BDA0004209346550000041
其中，f(p)为基站接收信号强度p对应的可信度。
因此，本发明一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，具有以下
有益效果：
(1)与使用所有定位基站进行定位相比，对车辆遮挡的定位基站进行剔除，可以进一步一提高定位的精度、准度与成功率；
(2)为定位基站标定可信度，后续定位时可使用该可信度对定位基站测距结果进行加权，进一步提高定位精度与准度。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法实施例的定位基站与标签分布示意图；
图2为本发明一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法实施例的系统流程图；
图3为本发明一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法实施例的IIR滤波器滤波过程流程图；
图4为本发明一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法实施例的基站选择模块过程流程图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供了一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，包括以下步骤：
S1、获取定位基站的接收信号能量和测距结果，剔除数据中的异常值；
S2、对测距结果进行滤波，提高测距结果稳定性，根据定位基站的标定信息对测距结果进行修正；
S3、使用S2输出的数据提取数据特征；
S4、基站选择模块使用S3输出的数据特征进行判断，剔除被车辆遮挡的定位基站，选择出适合定位的定位基站；
S5、根据选择出的适合定位的定位基站接收信号强度，权重判断模块通过信号强度进行计算，输出该定位基站测距距离的可信度。
实施例
下面结合图示1-4进行具体介绍。
图1为本发明的定位基站与标签分布示意图，本发明以五基站方案为例进行介绍，该发明也适用于其它多基站方案。
如图1所示，Tag为汽车数字钥匙，基站A1、基站A2、基站A3、基站A4、基站A5为汽车定位基站，其中基站A1、基站A2、基站A3、基站A4为从基站位于汽车外侧，基站A5为主机站位于汽车内部。汽车数字钥匙到达基站A1、基站A2、基站A3、基站A4、基站A5的测距距离分别为d1、d2、d3、d4、d5，定位基站接收信号能量分别为p1、p2、p3、p4、p5。
实施例的基于信号强度选择LOS基站算法设计方法的处理流程包括4个步骤：
S1：获取所有定位基站的接收信号能量和测距结果，并剔除数据中的异常值；剔除测距异常值采用阈值判定法，其中测距距离阈值设置为dist_th，当测距结果大于测距距离阈值dist_th时，则判定当前测距结果异常，判定该基站为NLOS定位基站。
S2：经过滤波器对测距结果进行滤波，提高测距结果稳定性，并根据定位基站的标定信息对测距结果进行修正；分别使用卡尔曼滤波器、速度估计法等数据滤波修正方法分别对数据进行滤波。
(1)以定位基站A1为例，经过卡尔曼滤波器Kalman滤波后的测距结果为：
Figure BDA0004209346550000061
(2)经过IIR滤波器的滤波后的测距结果为：
Figure BDA0004209346550000062
(3)则修正后的定位基站A1测距结果为：
Figure BDA0004209346550000063
其中，α和β分别为卡尔曼滤波法和速度估计法滤波结果的权重。
S3：使用S2输出的数据提取数据特征，需要用到的数据特征包含：
(1)相邻定位基站接收信号能量差；
(2)对角线位置定位基站接收信号能量差。
S4：基站选择模块使用S3输出的数据特征进行判断，剔除被车辆遮挡的定位基站，选择出适合定位的定位基站；基站选择模块包含以下步骤：
S41、根据测距结果与阈值进行比较，判断测距结果是否合理，以定位基站A1为例，比较结果为res_dist_comp1。
S42、使用加权均值滤波，使用历史接收信号强度修正当前接收信号强度，以定位基站A1为例，修正后的接收信号强度为：
Figure BDA0004209346550000064
其中，αn分别为t-n时刻接收信号强度对应的权重,n为常数，代表用于修正当前信号强度的历史信号长度。
S43、根据修正后接收信号强度与阈值进行比较，判断接收信号强度是否合理，以定位基站A1为例，比较结果为res_power_comp1；
S44、比较对角线基站间接收信号强度大小；
Figure BDA0004209346550000071
Figure BDA0004209346550000072
S45、计算四个基站最大能量差，将结果与阈值进行比较，比较结果为res_dist_max_comp；
Figure BDA0004209346550000073
Figure BDA0004209346550000074
power_diff_max＝max(power_diff1,power_diff2)
其中，max为判断最大值的函数。
S46、根据所有判断结果，确定LOS定位基站编号。
S5：根据选择出的适合定位基站的接收信号强度，权重判断模块通过信号强度进行计算，输出该定位基站测距距离的可信度；根据采集到的大量数据进行分析，拟合出用于估计定位基站权重的函数，以基站权重作为输出，函数直接输出其对应权重f(p)。
Figure BDA0004209346550000075
其中，f(p)为基站接收信号强度p对应的可信度。
因此，本发明一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，该方法通过接收信号强度与测距距离，通过接收信号强度与测距距离，对测量过程的受遮挡定位基站进行剔除，选择合适的LOS定位基站，并给出所选择定位基站的可信度程度；该方法能够避免选择对受遮挡定位基站进行定位，可以准确选择出适用于定位的基站，从而提高最终的定位精度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取定位基站的接收信号能量和测距结果，剔除数据中的异常值；
S2、对测距结果进行滤波，提高测距结果稳定性，根据定位基站的标定信息对测距结果进行修正；
S3、使用所述S2输出的数据提取数据特征；
S4、基站选择模块使用所述S3输出的数据特征进行判断，剔除被车辆遮挡的定位基站，选择出适合定位的定位基站；
S5、根据选择出的适合定位的定位基站接收信号强度，权重判断模块通过信号强度进行计算，输出该定位基站测距距离的可信度。
2.根据权利要求1所述的一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，其特征在于：所述S1中，剔除测距异常值采用阈值判定法，其中测距距离阈值设置为dist_th，当测距结果大于测距距离阈值dist_th时，则判定当前
测距结果异常，判定该基站为NLOS定位基站。
3.根据权利要求2所述的一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，其特征在于：所述S2中，对测距结果数据进行滤波的方法为，分别使用卡尔曼滤波器和IIR滤波器进行滤波，综合两种滤波器的测距结果得到最终修正后的测距结果：
Figure FDA0004209346540000012
其中，d′ 1为修正后的测距结果，
Figure FDA0004209346540000013
为经过卡尔曼滤波器后的结果，/>
Figure FDA0004209346540000014
为IIR滤波器的测距结果，α和β分别为卡尔曼滤波法和速度估计法滤波结果的权重。
4.根据权利要求3所述的一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，其特征在于：所述S4中，基站选择模块使用S3输出的数据特征进行判断，剔除被车辆遮挡的定位基站，选择出适合定位的定位基站，定位基站选择模块包含以下步骤：
S41、根据测距结果与阈值进行比较，判断测距结果是否合理；
S42、使用加权均值滤波，使用历史接收信号强度修正当前接收信号强度：
S43、根据修正后接收信号强度与阈值进行比较，判断接收信号强度是否合理；
S44、比较对角线基站间接收信号强度大小；
S45、计算多个基站的最大能量差，将结果与阈值进行比较；
S46、根据所有判断结果，确定LOS定位基站编号。
5.根据权利要求4所述的一种基于信号强度选择LOS基站算法设计方法，其特征在于：所述S5中，权重判断模块通过信号强度进行计算，输出该定位基站测距距离的可信度，根据采集到的大量数据进行分析，拟合出用于估计定位基站权重的函数，以基站权重作为输出，函数直接输出其对应权重f(p)：
Figure FDA0004209346540000021
其中，f(p)为基站接收信号强度p对应的可信度。
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