CN116582814A - 一种uwb测距误差计算方法 - Google Patents

一种uwb测距误差计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种UWB测距误差计算方法，步骤如下：1)根据芯片输出的信道冲击响应序列求取动态阈值，利用动态阈值搜索首径前沿点；2)以首径前沿点为起点进行局部极大值检测，得到首径顶点；3)利用方法1计算出第一首径位置；4)利用方法2计算出第二首径位置；5)通过第一首径位置、第二首径位置和芯片输出的首径位置，计算第一测距误差；6)利用定位预测的测距结果与芯片实际的测距结果做差，得到第二测距误差；7)根据不同的信道质量，通过第一个测距误差与第二测距误差进行加权，得到估计测距误差。该方法独立于芯片内算法，使用多种不相关的算法对测距结果进行评估，提高了测距误差的真实性，在LOS信道环境下能准确反应出测距误差，在NLOS信道环境下也具有很好的鲁棒性。

Description

一种UWB测距误差计算方法
技术领域
本发明涉及UWB通信定位技术领域，特别是涉及一种UWB测距误差计算方法。
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。然而都有各自的缺陷，要么定位精度低，要么对坏境的要求苛刻，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。超宽带(Ultra-wide Bandwidth，UWB)定位技术的诸多优点使得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。
测距结果在定位过程中起着至关重要的作用，然而不管使用那种测距方法，在一定程度上会存在测距误差。测距误差的不确定将会造成定位的不确定度。基于此，在提供测距结果的同时提供测距误差，在定位过程中，可以根据测距误差对数据进行选择或者加权。这对提高UWB定位系统的稳定性起着关键性的作用，也是当前研究的一个重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种UWB测距误差计算方法，利用不同检测首径位置的方法计算出第一测距误差，利用定位预测的测距结果dpre与芯片实际的测距结果dmeas计算出第二测距误差，根据不同的测距信道质量给予第一测距误差与第二测距误差不同的权重值，得到算法输出的测距误差，该方法具有比较强的环境适应性，不仅在LOS信道环境下能够准确的反应出测距误差，还能够在NLOS信道环境下具有非常强的鲁棒性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种UWB测距误差计算方法，包括以下步骤：
步骤1，根据芯片输出的信道冲击响应序列求取动态阈值，利用动态阈值搜索首径的首径前沿点，具体步骤如下：
1)根据芯片输出的信道冲击响应序列求取动态阈值：
其中，C(i)为第i个信道冲击响应序列对应的值，abs()为取绝对值运算，Nnoi为计算动态阈值使用的噪声长度，Rth为动态阈值调整系数，Cth计算的动态阈值；
2)利用动态阈值搜索首径前沿点：
abs(C(iedge))＞Cth并且abs(C(iedge))＜abs(C(iedge+1))，则iedge为首径前沿点在信道冲击响应序列中的索引值，并且C(iedge)为信道冲击响应序列对应的首径前沿点；
步骤2，以首径前沿点为起点，进行局部极大值检测，得到检测首径顶点：abs(C(ifp))＞abs(C(ifp-1))并且abs(C(ifp))＞abs(C(ifp+1))，则ifp为检测首径顶点在信道冲击响应序列中的索引值，并且C(ifp)为信道冲击响应序列对应的检测首径顶点；
步骤3，利用方法1根据首径前沿点与下一个点计算出第一首径位置，具体方法如下：
1)首先计算首径前沿点与估计首径的位置差Δim1：
Δim1＝ω0*(Redge)4+ω1*(Redge)3+ω2*(Redge)2+ω3*(Redge)+ω4
其中，ω0，ω1，ω2，ω3，ω4为拟合多项式的系数，并且0＜Redge＜1；
2)然后根据首径前沿点的索引值iedge，以及首径前沿点与估计首径的位置差Δim1，计算出首径的绝对位置即第一首径位置Pm1：
Pm1＝iedge+Δim1
步骤4，利用方法2根据检测首径顶点与其前一个点及后一个点计算出第二首径位置，具体方法如下：
1)首先计算检测首径顶点与前一点的幅度差Δdfrt：
Δdfrt＝abs(C(ifp))-abs(C(ifp-1))
2)然后计算检测首径顶点与后一点的幅度差Δdaft：
Δdaft＝abs(C(ifp))-abs(C(ifp+1))
3)根据两个幅度差Δdfrt、Δdaft计算出检测首径顶点与计算首径顶点的位置差Δim2：
4)根据检测首径顶点的索引值ifp和检测首径顶点与计算首径顶点的位置差Δim2，计算出第二首径位置Pm2：
Pm2＝ifp+Δim2
5)将Δdfrt和Δdaft带入最终公式，可得：
步骤5，通过第一首径位置Pm1、第二首径位置Pm2以及芯片输出的首径位置Pm0，计算出第一测距误差Emeas1：
Emeas1＝vc*(max(Pm0，Pm1，Pm2)-min(Pm0，Pm1，Pm2))*Rcvt
其中，vc为光速，max()为求最大值运算，min()为求最小值运算，Rcvt为首径索引差转时间差的比例系数；
步骤6，利用定位预测的测距结果dpre与芯片实际的测距结果dmeas，计算得到第二测距误差Emeas2：
Emeas2＝abs(dpre-dmeas)
步骤7，根据不同的测距信道质量，对第一测距误差Emeas1与第二测距误差Emeas2进行加权，得到估计测距误差Emeas：
Emeas＝ωmeas1(Lchannel)*Emeas1+ωmeas2(Lchannel)*Emeas2
其中，Lchannel表示测距信道质量等级，通过信道质量评估算法计算得出，ωmeas1(Lchannel)表示不同测距信道质量下的第一测距误差的权重值，ωmeas2(Lchannel)表示不同测距信道质量下的第二测距误差的权重值。
优选的，步骤1中Rth动态阈值调整系为6，Nnoi计算动态阈值使用的噪声长度为整个信道冲击响应序列的前二分之一、四分之一或八分之一长度。
优选的，步骤3中，ω0，ω1，ω2，ω3，ω4的具体值是利用理论脉冲波形，遍历Redge与脉冲顶点的映射关系，通过最小二乘法得到，ω0＝8.0475，ω1＝-20.4887，ω2＝20.4252，ω3＝-11.3243，ω4＝3.9108。
优选的，步骤5中Rcvt首径索引差转时间差的比例系数为1/fs，其中fs为采样率。
优选的，步骤7中，将测距信道质量可以划分为六个等级：Lchannel＝0～5，Lchannel＝0代表测距信道质量等级最差，Lchannel＝5代表测距信道质量最好，各个测距信道质量等级分别表示：
Lchannel＝0：未检测到首径，或者两次接收检测到的首径不一致；
Lchannel＝1：首径信号非常弱，多径干扰非常严重；
Lchannel＝2：首径信号弱，多径干扰严重；
Lchannel＝3：首径信号适中，多径干扰较强；
Lchannel＝4：首径信号强，多径干扰弱；
Lchannel＝5：首径信号非常强，多径干扰很弱；
不同测距信道质量等级下的权重值如下：
Lchannel＝0：ωmeas1(0)＝0.5，ωmeas2(0)＝0.875；
Lchannel＝1：ωmeas1(1)＝0.5，ωmeas2(1)＝0.5；
Lchannel＝2：ωmeas1(2)＝0.375，ωmeas2(2)＝0.625；
Lchannel＝3：ωmeas1(3)＝0.75，ωmeas2(3)＝0.5；
Lchannel＝4：ωmeas1(4)＝0.5，ωmeas2(4)＝0.625；
Lchannel＝5：ωmeas1(5)＝0.625，ωmeas2(5)＝0.75。
本发明采用上述结构的UWB测距误差计算方法，具有如下有益效果：
1.利用芯片输出的信道冲击响应序列求取动态阈值，利用动态阈值搜索首径的首径前沿点，提高了首径前沿点检测方法的环境适应性。
2.利用方法1、方法2和芯片输出三种不同检测首径位置的方法，得出首径位置检测的不确定度，并根据首径位置检测的不确定度计算出第一测距误差，得到了首径位置检测对测距误差的影响；
3.利用定位预测的测距结果dpre与芯片实际的测距结果dmeas计算出第二测距误差，防止了出现首径位置检测错误时，单独使用第一误差作为测距误差，导致输出的测距误差Emeas与实际测距不匹配的问题；
4.根据不同的测距信道质量给予第一测距误差与第二测距误差不同的权重值，得到算法输出的测距误差，该方法具有比较强的环境适应性，不仅在LOS信道环境下能够准确的反应出测距误差，也能在NLOS信道环境下具有非常强的鲁棒性。
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是本发明UWB测距误差计算方法实施例的流程图；
图2是本发明UWB测距误差计算方法中利用方法2计算第二首径位置的原理示意图；
图3是本发明UWB测距误差计算方法中测距信道质量较好时实际测距误差与该实施例得到的估计测距误差Emeas的对比图；
图4是本发明UWB测距误差计算方法中测距信道质量较差时实际测距误差与该实施例得到的估计测距误差Emeas的对比图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图所示的一种UWB测距误差计算方法，包括以下步骤：
步骤1，根据芯片输出的信道冲击响应序列求取动态阈值，利用动态阈值搜索首径的首径前沿点，具体步骤如下：
1)根据芯片输出的信道冲击响应序列求取动态阈值：
其中，C(i)为第i个信道冲击响应序列对应的值，abs()为取绝对值运算，Nnoi为计算动态阈值使用的噪声长度，Rth为动态阈值调整系数，Cth计算的动态阈值。Rth动态阈值调整系为6时能够很好的平衡误检、漏检的情况。Nnoi计算动态阈值使用的噪声长度为整个信道冲击响应序列的前二分之一、四分之一或八分之一长度。
2)利用动态阈值搜索首径前沿点：
abs(C(iedge))＞Cth并且abs(C(iedge))＜abs(C(iedge+1))，则iedge为首径前沿点在信道冲击响应序列中的索引值，并且C(iedge)为信道冲击响应序列对应的首径前沿点；
步骤2，以首径前沿点为起点，进行局部极大值检测，得到检测首径顶点：abs(C(ifp))＞abs(C(ifp-1))并且abs(C(ifp))＞abs(C(ifp+1))，则ifp为检测首径顶点在信道冲击响应序列中的索引值，并且C(ifp)为信道冲击响应序列对应的检测首径顶点。
步骤3，利用方法1根据首径前沿点与下一个点计算出第一首径位置，具体方法如下：
1)首先计算首径前沿点与估计首径的位置差Δim1：
Δim1＝ω0*(Redge)4+ω1*(Redge)3+ω2*(Redge)2+ω3*(Redge)+ω4
其中，ω0，ω1，ω2，ω3，ω4为拟合多项式的系数，ω0，ω1，ω2，ω3，ω4的具体值是利用理论脉冲波形，遍历Redge与脉冲顶点的映射关系，通过最小二乘法得到，ω0＝8.0475，ω1＝-20.4887，ω2＝20.4252，ω3＝-11.3243，ω4＝3.9108；并且0＜Redge＜1。
2)然后根据首径前沿点的索引值iedge，以及首径前沿点与估计首径的位置差Δim1，计算出首径的绝对位置即第一首径位置Pm1：
Pm1＝iedge+Δim1
步骤4，利用方法2根据检测首径顶点与其前一个点及后一个点计算出第二首径位置，具体方法如下：
1)首先计算检测首径顶点与前一点的幅度差Δdfrt：
Δdfrt＝abs(C(ifp))-abs(C(ifp-1))
2)然后计算检测首径顶点与后一点的幅度差Δdaft：
Δdaft＝abs(C(ifp))-abs(C(ifp+1))
3)根据两个幅度差Δdfrt、Δdaft计算出检测首径顶点与计算首径顶点的位置差Δim2：
4)根据检测首径顶点的索引值ifp和检测首径顶点与计算首径顶点的位置差Δim2，计算出第二首径位置Pm2：
Pm2＝ifp+Δim2
5)将Δdfrt和Δdaft带入最终公式，可得：
步骤5，通过第一首径位置Pm1、第二首径位置Pm2以及芯片输出的首径位置Pm0，计算出第一测距误差Emeas1：
Emeas1＝vc*(max(Pm0，Pm1，Pm2)-min(Pm0，Pm1，Pm2))*Rcvt
其中，vc为光速，max()为求最大值运算，min()为求最小值运算，Rcvt为首径索引差转时间差的比例系数；Rcvt首径索引差转时间差的比例系数为1/fs，其中fs为采样率，这样可以在一定程度上减少计算量。
步骤6，利用定位预测的测距结果dpre与芯片实际的测距结果dmeas，计算得到第二测距误差Emeas2：
Emeas2＝abs(dpre-dmeas)
步骤7，根据不同的测距信道质量，对第一测距误差Emeas1与第二测距误差Emeas2进行加权，得到估计测距误差Emeas：
Emeas＝ωmeas1(Lchannel)*Emeas1+ωmeas2(Lchannel)*Emeas2
其中，Lchannel表示测距信道质量等级，通过信道质量评估算法计算得出，ωmeas1(Lchannel)表示不同测距信道质量下的第一测距误差的权重值，ωmeas2(Lchannel)表示不同测距信道质量下的第二测距误差的权重值。
将测距信道质量可以划分为六个等级：Lchannel＝0～5，Lchannel＝0代表测距信道质量等级最差，Lchannel＝5代表测距信道质量最好，各个测距信道质量等级分别表示：
Lchannel＝0：未检测到首径，或者两次接收检测到的首径不一致；
Lchannel＝1：首径信号非常弱，多径干扰非常严重；
Lchannel＝2：首径信号弱，多径干扰严重；
Lchannel＝3：首径信号适中，多径干扰较强；
Lchannel＝4：首径信号强，多径干扰弱；
Lchannel＝5：首径信号非常强，多径干扰很弱；
不同测距信道质量等级下的权重值如下：
Lchannel＝0：ωmeas1(0)＝0.5，ωmeas2(0)＝0.875；
Lchannel＝1：ωmeas1(1)＝0.5，ωmeas2(1)＝0.5；
Lchannel＝2：ωmeas1(2)＝0.375，ωmeas2(2)＝0.625；
Lchannel＝3：ωmeas1(3)＝0.75，ωmeas2(3)＝0.5；
Lchannel＝4：ωmeas1(4)＝0.5，ωmeas2(4)＝0.625；
Lchannel＝5：ωmeas1(5)＝0.625，ωmeas2(5)＝0.75。
为了验证本发明一种UWB测距误差计算方法的有效性，利用实际测量数据，对该本发明进行了验证。图3为测距信道质量较好时，实际测距误差与该实施例得到的估计测距误差Emeas的对比。图4为测距信道质量较差时，实际测距误差与该实施例得到的估计测距误差Emeas的对比。通过对比，发现该实施例得到的估计测距误差Emeas与实际测距误差具有很好的一致性，说明该发明方法能够在实际应用中发挥作用。
因此，本发明采用上述UWB测距误差计算方法，具有比较强的环境适应性，不仅在LOS信道环境下能够准确的反应出测距误差，还能够在NLOS信道环境下具有非常强的鲁棒性。
以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种UWB测距误差计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，根据芯片输出的信道冲击响应序列求取动态阈值，利用动态阈值搜索首径的首径前沿点，具体步骤如下：
1)根据芯片输出的信道冲击响应序列求取动态阈值：
其中，C(i)为第i个信道冲击响应序列对应的值，abs()为取绝对值运算，Nnoi为计算动态阈值使用的噪声长度，Rth为动态阈值调整系数，Cth计算的动态阈值；
2)利用动态阈值搜索首径前沿点：
abs(C(iedge))>Cth并且abs(C(iedge))<abs(C(iedge+1))，则iedge为首径前沿点在信道冲击响应序列中的索引值，并且C(iedge)为信道冲击响应序列对应的首径前沿点；
步骤2，以首径前沿点为起点，进行局部极大值检测，得到检测首径顶点：abs(C(ifp))>abs(C(ifp-1))并且abs(C(ifp))>abs(C(ifp+1))，则ifp为检测首径顶点在信道冲击响应序列中的索引值，并且C(ifp)为信道冲击响应序列对应的检测首径顶点；
步骤3，利用方法1根据首径前沿点与下一个点计算出第一首径位置，具体方法如下：
1)首先计算首径前沿点与估计首径的位置差Δim1：
Δim1＝ω0*(Redge)4+ω1*(Redge)3+ω2*(Redge)2+ω3*(Redge)+ω4
其中，ω0，ω1，ω2，ω3，ω4为拟合多项式的系数，并且0<Redge<1；
2)然后根据首径前沿点的索引值iedge，以及首径前沿点与估计首径的位置差Δim1，计算出首径的绝对位置即第一首径位置Pm1：
Pm1＝iedge+Δim1
步骤4，利用方法2根据检测首径顶点与其前一个点及后一个点计算出第二首径位置，具体方法如下：
1)首先计算检测首径顶点与前一点的幅度差Δdfrt：
Δdfrt＝abs(C(ifp))-abs(C(ifp-1))
2)然后计算检测首径顶点与后一点的幅度差Δdaft：
Δdaft＝abs(C(ifp))-abs9C(ifp+1))
3)根据两个幅度差Δdfrt、Δdaft计算出检测首径顶点与计算首径顶点的位置差Δim2：
4)根据检测首径顶点的索引值ifp和检测首径顶点与计算首径顶点的位置差Δim2，计算出第二首径位置Pm2：
Pm2＝ifp+Δim2
5)将Δdfrt和Δdaft带入最终公式，可得：
步骤5，通过第一首径位置Pm1、第二首径位置Pm2以及芯片输出的首径位置Pm0，计算出第一测距误差Emeas1：
Emeas1＝vc*(max(Pm0,Pm1,Pm2)-min(Pm0,Pm1,Pm2))*Rcvt
其中，vc为光速，max()为求最大值运算，min()为求最小值运算，Rcvt为首径索引差转时间差的比例系数；
步骤6，利用定位预测的测距结果dpre与芯片实际的测距结果dmeas，计算得到第二测距误差Emeas2：
Emeas2＝abs(dpre-dmeas)
步骤7，根据不同的测距信道质量，对第一测距误差Emeas1与第二测距误差Emeas2进行加权，得到估计测距误差Emeas：
Emeas＝ωmeas1(Lchannel)*Emeas1+ωmeas2(Lchannel)*Emeas2
其中，Lchannel表示测距信道质量等级，通过信道质量评估算法计算得出，ωmeas1(Lchannel)表示不同测距信道质量下的第一测距误差的权重值，ωmeas2(Lchannel)表示不同测距信道质量下的第二测距误差的权重值。
2.根据权利要求1所述的UWB测距误差计算方法，其特征在于：步骤1中Rth阈值调整系为6，Nnoi计算动态阈值使用的噪声长度为整个信道冲击响应序列的前二分之一、四分之一或八分之一长度。
3.根据权利要求2所述的UWB测距误差计算方法，其特征在于：步骤3中，ω0，ω1，ω2，ω3，ω4的具体值是利用理论脉冲波形，遍历Redge与脉冲顶点的映射关系，通过最小二乘法得到，ω0＝8.0475，ω1＝-20.4887，ω2＝20.4252，ω3＝-11.3243，ω4＝3.9108。
4.根据权利要求3所述的UWB测距误差计算方法，其特征在于：步骤5中Rcvt首径索引差转时间差的比例系数为1/fs，其中fs为采样率。
5.根据权利要求4所述的UWB测距误差计算方法，其特征在于：步骤7中，将测距信道质量可以划分为六个等级：Lchannel＝0～5，Lchannel＝0代表测距信道质量等级最差，Lchannel＝5代表测距信道质量最好，各个测距信道质量等级分别表示：
Lchannel＝0：未检测到首径，或者两次接收检测到的首径不一致；Lchannel＝1：首径信号非常弱，多径干扰非常严重；
Lchannel＝2：首径信号弱，多径干扰严重；
Lchannel＝3：首径信号适中，多径干扰较强；
Lchannel＝4：首径信号强，多径干扰弱；
Lchannel＝5：首径信号非常强，多径干扰很弱；
不同测距信道质量等级下的权重值如下：
Lchannel＝0：ωmeas1(0)＝0.5，ωmeas2(0)＝0.875；
Lchannel＝1：ωmeas1(1)＝0.5，ωmeas2(1)＝0.5；
Lchannel＝2：ωmeas1(2)＝0.375，ωmeas2(2)＝0.625；
Lchannel＝3：ωmeas1(3)＝0.75，ωmeas2(3)＝0.5；
Lchannel＝4：ωmeas1(4)＝0.5，ωmeas2(4)＝0.625；
Lchannel＝5：ωmeas1(5)＝0.625，ωmeas2(5)＝0.75。
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