CN117041871A - 基于迭代加权的uwb室内定位方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于迭代加权的UWB室内定位方法、装置、电子设备、存储介质及产品，属于通信技术领域。所述室内定位方法包括：确定室内区域所属的传播环境，所述传播环境包括视距传播环境、直射路径可用的非视距传播环境或直射路径阻断的非视距传播环境；确定所述传播环境对应的测距噪声参数；获取所述室内区域中的待定位节点与已定位节点之间的测量距离；根据所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，对所述待定位节点进行迭代加权定位，得到所述待定位节点的最终位置。本申请能够提高室内定位精度，且适用于不同的室内传播环境。
Description
技术领域
本申请属于通信技术领域，尤其涉及一种基于迭代加权的UWB室内定位方法、装置、电子设备、存储介质及产品。
背景技术
近年来，随着电子设备数量的爆炸式增长，室内电力设备检修以及工人作业安全监控等涉及室内定位的应用场景越来越多，从而对室内定位的要求也越来越严苛，室内定位技术，诸如蓝牙定位、WiFi定位、UWB(Ultra-Wide-Band，超宽带技术)定位等技术都得到了充分的发展。但是，这些定位技术都存在室内定位精度低的问题。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种基于迭代加权的UWB室内定位方法、装置、电子设备、存储介质及产品，能够提高室内定位精度，且适用于不同的室内传播环境。
第一方面，本申请提供了一种基于迭代加权的UWB室内定位方法，该方法包括：
确定室内区域所属的传播环境，所述传播环境包括视距传播环境、直射路径可用的非视距传播环境或直射路径阻断的非视距传播环境；
确定所述传播环境对应的测距噪声参数；
获取所述室内区域中的待定位节点与已定位节点之间的测量距离；
根据所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，对所述待定位节点进行迭代加权定位，得到所述待定位节点的最终位置。
根据本申请的室内定位方法，通过确定室内区域所属的传播环境，并结合该传播环境的噪声特性，确定该传播环境对应的测距噪声参数，以基于测距噪声参数，并充分利用已定位节点的信息，对待定位节点进行迭代加权定位，提高待定位节点的定位精度，且适用于不同的室内传播环境。
根据本申请的一个实施例，所述确定所述传播环境对应的测距噪声参数，包括：
获取所述传播环境对应的测距误差模型；
将所述测距误差模型的模型参数作为所述测距噪声参数。
根据本申请的一个实施例，所述视距传播环境对应的测距误差模型和所述直射路径可用的非视距传播环境对应的测距误差模型分别为高斯分布模型，所述直射路径阻断的非视距传播环境对应的测距误差模型为对数高斯分布模型，所述模型参数为方差。
根据本申请的一个实施例，所述根据所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，对所述待定位节点进行迭代加权定位，得到所述待定位节点的最终位置，包括：
在每次迭代中，根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，根据所述当前次迭代的位置误差，对上一次迭代得到的所述待定位节点的位置进行修正，得到当前次迭代中所述待定位节点的位置；第一次迭代所使用的所述待定位节点的位置为预设的初始位置；
在迭代结束时，将最后一次迭代得到的所述待定位节点的位置作为所述待定位节点的最终位置。
根据本申请的一个实施例，所述根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，包括：
根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述测量距离和所述已定位节点的位置，得到当前次迭代的距离误差；
根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述已定位节点的位置、所述当前次迭代的距离误差和所述测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差。
根据本申请的一个实施例，所述根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述已定位节点的位置、所述当前次迭代的距离误差和所述测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，包括：
根据所述测距噪声参数，得到噪声协方差矩阵；
根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述已定位节点的位置、所述当前次迭代的距离误差和所述噪声协方差矩阵，得到当前次迭代的位置误差。
根据本申请的一个实施例，在所述传播环境为直射路径阻断的非视距传播环境时，所述根据所述测距噪声参数，得到噪声协方差矩阵，包括：
根据所述测距噪声参数和所述测量距离，得到噪声协方差矩阵。
根据本申请的一个实施例，所述在迭代结束时，将最后一次迭代得到的所述待定位节点的位置作为所述待定位节点的最终位置，包括：
在检测到所述位置误差小于预设误差阈值时，确定迭代结束，将最后一次迭代得到的所述待定位节点的位置作为所述待定位节点的最终位置。
第二方面，本申请提供了一种室内定位装置，该装置包括：
第一确定模块，用于确定室内区域所属的传播环境，所述传播环境包括视距传播环境、直射路径可用的非视距传播环境或直射路径阻断的非视距传播环境；
第二确定模块，用于确定所述传播环境对应的测距噪声参数；
获取模块，用于获取所述室内区域中的待定位节点与已定位节点之间的测量距离；
定位模块，用于根据所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，对所述待定位节点进行迭代加权定位，得到所述待定位节点的最终位置。
根据本申请的室内定位装置，通过确定室内区域所属的传播环境，并结合该传播环境的噪声特性，确定该传播环境对应的测距噪声参数，以基于测距噪声参数，并充分利用已定位节点的信息，对待定位节点进行迭代加权定位，提高待定位节点的定位精度，且适用于不同的室内传播环境。
第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的室内定位方法。
第四方面，本申请提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的室内定位方法。
第五方面，本申请提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的室内定位方法。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
通过确定室内区域所属的传播环境，并结合该传播环境的噪声特性，确定该传播环境对应的测距噪声参数，以基于测距噪声参数，并充分利用已定位节点的信息，对待定位节点进行迭代加权定位，提高待定位节点的定位精度，且适用于不同的室内传播环境。
进一步的，在每次迭代中，根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、测量距离、已定位节点的位置和测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，以根据当前次迭代的位置误差，对上一次迭代得到的待定位节点的位置进行修正，得到当前次迭代中待定位节点的位置，计算量相对较少，提高室内定位速度。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请实施例提供的室内定位方法的流程示意图之一；
图2是本申请实施例提供的室内定位方法的流程示意图之二；
图3是本申请实施例提供的室内定位装置的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的电子设备的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的电子设备的硬件示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
相关技术中，室内定位技术主要有蓝牙定位、WiFi定位和UWB定位。其中，蓝牙定位技术和WiFi定位技术主要基于RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示)进行定位，定位精度在几米这个量级，定位精度不高。UWB定位技术是利用无载波UWB脉冲信号进行传输，通过正交频分调制或直接排序将脉冲信号扩展到一个特定频率范围内，从而实现信息传输。UWB定位技术具有信号易分离，抗多径能力强的特点，使得UWB定位技术具备精度高的优势。但是，室内区域往往属于非视距传播环境，在非视距传播环境下，由于存在大量的物理障碍，阻挡信号传播，导致信号传输距离增加，传输时间延长，测距误差增大，进而导致UWB定位精度降低。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的基于迭代加权的UWB室内定位方法、装置、电子设备、存储介质及产品进行详细地说明。
其中，室内定位方法可应用于终端，具体可由终端中的硬件或软件执行。
该终端包括但不限于具有触摸敏感表面(例如，触摸屏显示器和/或触摸板)的移动电话或平板电脑等便携式通信设备。还应当理解的是，在某些实施例中，该终端可以不是便携式通信设备，而是具有触摸敏感表面(例如，触摸屏显示器和/或触摸板)的台式计算机。
图1为本申请实施例提供的一种室内定位方法的流程示意图。
本申请实施例提供的室内定位方法，该室内定位方法的执行主体可以为电子设备或者电子设备中能够实现该室内定位方法的功能模块或功能实体，本申请实施例提及的电子设备包括但不限于手机、平板电脑、电脑、相机和可穿戴设备等，下面以电子设备作为执行主体为例对本申请实施例提供的室内定位方法进行说明。
如图1所示，该室内定位方法包括：步骤100、步骤200、步骤300和步骤400。
步骤100、确定室内区域所属的传播环境，传播环境包括视距传播环境、直射路径可用的非视距传播环境或直射路径阻断的非视距传播环境。
室内区域的布局不同，其所属的传播环境不同。根据室内区域的噪声特性，可以确定室内区域所属的传播环境。例如，根据室内区域中发射节点与接收节点之间是否具有实体障碍物，以及接收节点是否能检测到直射信号，确定室内区域所属的传播环境。若室内区域中的发射节点与接收节点之间没有实体障碍物，则该室内区域所属的传播环境为视距(Line Of Sight，LOS)传播环境；若室内区域中的发射节点与接收节点之间存在实体障碍物，但接收节点仍能检测到直射信号，则该室内区域所属的传播环境为直射路径可用的非视距(Direct Path Non-Line Of Sight，DP-NLOS)传播环境；若室内区域中的发射节点与接收节点之间存在实体障碍物，且接收节点完全检测不到直射信号，则该室内区域所属的传播环境为直射路径阻断的非视距(Non-Direct Path Non-Line Of Sight，NDP-NLOS)传播环境。
需要说明的是，LOS和NLOS的区别在于发射节点与接收节点之间是否存在实体障碍物，LOS是指发射节点与接收节点之间没有实体障碍物，NLOS是指发射节点与接收节点之间存在实体障碍物，即发射节点与接收节点之间不存在物理最短路径。DP和NDP的区别在于接收节点能否检测到直射信号，DP是指接收节点能检测到直射信号，只不过信号强度被削弱，NDP是指接收节点完全检测不到直射信号。
步骤200、确定传播环境对应的测距噪声参数。
在室内区域测量两节点之间的距离存在误差，即测距误差。不同传播环境对应的测距误差不同，使得不同传播环境对应的测距噪声参数不同，即LOS传播环境、DP-NLOS传播环境和NDP-NLOS传播环境对应的测距噪声参数不同。
在一些实施例中，如图2所示，步骤200中的确定传播环境对应的测距噪声参数，包括：步骤210和步骤220。
步骤210、获取传播环境对应的测距误差模型。
步骤220、将测距误差模型的模型参数作为测距噪声参数。
传播环境对应的测距误差模型基于测距误差构建，不同传播环境对应的测距误差不同，使得不同传播环境对应的测距误差模型不同。不同传播环境对应的测距误差模型不同，使得不同传播环境对应的测距误差模型的模型参数不同，即LOS传播环境、DP-NLOS传播环境和NDP-NLOS传播环境对应的测距误差模型的模型参数不同。在获取各传播环境对应的测距误差模型的模型参数后，将模型参数作为测距噪声参数。
例如，基于TOA(Time Of Arrival，基于信号到达时间)的UWB定位算法的测距误差为：
ψ＝ψm+G(ψpd+XψB)。
其中，ψ为归一化测距误差，归一化测距误差是指测距误差与真实距离的百分比情况，即ε为测距误差，/>为测量距离，d为真实距离。为了方便描述，后文描述的测距误差是指归一化测距误差ψ。ψm为归一化多径误差，ψpd为归一化传播时延诱导误差，ψB为归一化DP堵塞误差，G和X为伯努利随机变量。
LOS传播环境存在归一化多径误差ψm，即在LOS传播环境中，G＝0。DP-NLOS环境存在归一化多径误差ψm和归一化传播时延诱导误差ψpd，即在DP-NLOS环境中，G＝1，X＝0。NDP-NLOS传播环境存在归一化多径误差ψm、归一化传播时延诱导误差ψpd和归一化DP堵塞误差ψB，即在NDP-NLOS传播环境中，G＝1，X＝1。
LOS传播环境存在归一化多径误差ψm，而归一化多径误差ψm主要是多路径造成的，多路径的影响可通过正态分布建模，即LOS传播环境对应的测距误差模型为高斯分布模型：
其中，μm和σm分别为LOS传播环境对应的测距误差模型的均值和标准差。
在LOS传播环境对应的测距误差模型为高斯分布模型时，测距误差模型的模型参数可以为高斯分布模型的方差，即LOS传播环境对应的测距噪声参数为方差
DP-NLOS环境存在归一化多径误差ψm和归一化传播时延诱导误差ψpd。由于墙壁等障碍物造成的传播延迟和多径误差导致偏差为正向偏差，其空间特征保留了LOS对应的统计量，仍然与LOS传播环境对应的测距误差模型较为相似，即DP-NLOS环境对应的测距误差模型为高斯分布模型：
其中，μm,pd和σm,pd分别为DP-NLOS传播环境对应的测距误差模型的均值和标准差。
在DP-NLOS传播环境对应的测距误差模型为高斯分布模型时，测距误差模型的模型参数可以为高斯分布模型的方差，即DP-NLOS传播环境对应的测距噪声参数为方差
NDP-NLOS传播环境存在归一化多径误差ψm、归一化传播时延诱导误差ψpd和归一化DP堵塞误差ψB。由于视距堵塞诱导了更高的正偏倚，这个偏倚导致的是正偏差，另外由于诸如大量金属门构成的室内环境的存在，偶尔会出现较大正偏误差。在这种情况下，NDP-NLOS传播环境对应的测距误差模型为对数高斯分布模型：
其中，μm,pd,B和σm,pd,B分别为NDP-NLOS传播环境对应的测距误差模型的均值和标准差。
在NDP-NLOS传播环境对应的测距误差模型为对数高斯分布模型时，NDP-NLOS传播环境对应的测距误差模型的模型参数可以为对数高斯分布模型的方差，即NDP-NLOS传播环境对应的测距噪声参数为方差
需要说明的是，不同传播环境对应的测距误差模型可以预先构建，使得不同传播环境对应的测距误差模型的模型参数可以预先设置，以在确定室内区域所属的传播环境时，能够快速确定该传播环境对应的测距误差模型的模型参数。
步骤300、获取室内区域中的待定位节点与已定位节点之间的测量距离。
室内区域具有多个已定位节点(至少具有三个已定位节点)，且多个已定位节点分布于不同直线上，以提高后续定位的准确性。
采用相关技术中的定位算法，可以获取室内区域中的待定位节点与各已定位节点之间的测量距离。例如，基于TOA的UWB定位算法，待定位节点向各已定位节点发送UWB脉冲信号，测量待定位节点与各已定位节点的传输时间，而UWB脉冲信号的传播速度为光速，将测量的传输时间乘以光速即可得到待定位节点与各已定位节点之间的测量距离。
需要说明的是，由于噪声的影响，测量的通信时间存在测量误差，使得待定位节点与各已定位节点之间的测量距离存在测量误差。以第j个已定位节点为例，待定位节点与第j个已定位节点之间的实际距离为dj＝ctj。其中，c为光速(3×108m/s)，tj为待定位节点与第j个已定位节点的实际传输时间为tj。由于噪声的影响，待定位节点与第j个已定位节点之间的测量距离为其中，ψ为测距误差。
步骤400、根据测量距离、已定位节点的位置和测距噪声参数，对待定位节点进行迭代加权定位，得到待定位节点的最终位置。
预先设置待定位节点的初始位置，该初始位置可以为一个粗略位置。各已定位节点的位置已知，根据待定位节点与各已定位节点之间的测量距离、各已定位节点的位置和测距噪声参数，对待定位节点的初始位置进行迭代更新，从而实现对待定位节点的迭代加权定位。在每次迭代中，对上一次迭代得到的待定位节点的位置进行修正(第一次迭代时对待定位节点的初始位置进行修正)，得到当前次迭代中待定位节点的位置。在迭代结束时即可得到待定位节点的最终位置，该最终位置即为待定位节点的定位结果。
在一些实施例中，如图2所示，步骤400中的根据测量距离、已定位节点的位置和测距噪声参数，对待定位节点进行迭代加权定位，得到待定位节点的最终位置，包括：步骤410和步骤420。
步骤410、在每次迭代中，根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、测量距离、已定位节点的位置和测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，根据当前次迭代的位置误差，对上一次迭代得到的待定位节点的位置进行修正，得到当前次迭代中待定位节点的位置；第一次迭代所使用的待定位节点的位置为预设的初始位置。
在第一次迭代中，上一次迭代得到的待定位节点的位置为预设的初始位置。也就是说，在第一次迭代中，根据待定位节点的初始位置、待定位节点与各已定位节点之间的测量距离、各已定位节点的位置和测距噪声参数，得到第一次迭代的位置误差，根据第一次迭代的位置误差，对待定位节点的初始位置进行修正，修正后的位置即为第一次迭代中待定位节点的位置。在第m次迭代中，根据第m-1次迭代得到的待定位节点的位置、待定位节点与各已定位节点之间的测量距离、各已定位节点的位置和测距噪声参数，得到第m次迭代的位置误差，根据第m次迭代的位置误差，对第m-1次迭代得到的待定位节点的位置进行修正，修正后的位置即为第m次迭代中待定位节点的位置。其中，m＞2。
步骤420、在迭代结束时，将最后一次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置。
在对待定位节点的位置进行M次迭代更新后，将第M次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置。其中，M≥m。
在一些实施例中，步骤410中的根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、测量距离、已定位节点的位置和测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，包括：根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、测量距离和已定位节点的位置，得到当前次迭代的距离误差；根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、已定位节点的位置、当前次迭代的距离误差和测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差。
在第一次迭代中，根据待定位节点的初始位置、待定位节点与各已定位节点之间的测量距离和各定位节点的位置，得到第一次迭代的距离误差。需要说明的是，第一次迭代的距离误差可以为距离误差矩阵，该距离误差矩阵包括第一次迭代中待定位节点与各已定位节点之间的距离误差。根据待定位节点的初始位置、各已定位节点的位置、当前次迭代中待定位节点与各已定位节点之间的距离误差参数和测距噪声参数，得到第一次迭代的位置误差。需要说明的是，第一次迭代的位置误差可以为位置误差矩阵，该位置误差矩阵包括第一次迭代中与各已定位节点相对应的位置误差。
在第m次迭代中，根据第m-1次得到的待定位节点的位置、待定位节点与各已定位节点之间的测量距离和各定位节点的位置，得到第m次迭代的距离误差。需要说明的是，第m次迭代的距离误差可以为距离误差矩阵，该距离误差矩阵包括第m次迭代中待定位节点与各已定位节点之间的距离误差。根据第m-1次迭代得到的待定位节点的位置、各已定位节点的位置、第m次迭代中待定位节点与各已定位节点之间的距离误差参数和测距噪声参数，得到第m次迭代的位置误差。需要说明的是，第m次迭代的位置误差可以为位置误差矩阵，该位置误差矩阵包括第m次迭代中与各已定位节点相对应的位置误差。
在一些实施例中，根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、已定位节点的位置、当前次迭代的距离误差和测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，包括：根据测距噪声参数，得到噪声协方差矩阵；根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、已定位节点的位置、当前次迭代的距离误差和噪声协方差矩阵，得到当前次迭代的位置误差。
在传播环境为视距传播环境或直射路径可用的非视距传播环境时，根据测距噪声参数，直接得到噪声协方差矩阵，即将测距噪声参数作为噪声协方差矩阵的对角线元素值。
在传播环境为直射路径阻断的非视距传播环境时，根据测距噪声参数和测量距离，得到噪声协方差矩阵。直射路径阻断的非视距传播环境中的最终测距误差还与测量距离相关，因此根据测距噪声参数以及待定位节点与各已定位节点之间的测量距离，得到多个最终噪声参数，将多个最终噪声参数作为噪声协方差矩阵的对角线元素值，从而得到噪声协方差矩阵。
在第一次迭代中，根据待定位节点的初始位置、各已定位节点的位置、当前次迭代中待定位节点与各已定位节点之间的距离误差和噪声协方差矩阵，得到第一次迭代的位置误差矩阵。在第m次迭代中，根据第m-1次迭代得到的待定位节点的位置、各已定位节点的位置、第m次迭代中待定位节点与各已定位节点之间的距离误差和噪声协方差矩阵，得到第m次迭代的位置误差矩阵。
在一些实施例中，步骤420中的在迭代结束时，将最后一次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置，包括：在检测到位置误差小于预设误差阈值时，确定迭代结束，将最后一次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置。
每次迭代中，在得到当前次迭代的位置误差后，将当前次迭代的位置误差与预设误差阈值进行比较，若当前次迭代的位置误差小于预设误差阈值，则迭代结束，当前次迭代即为最后一次迭代，将当前次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置；若当前次迭代的位置误差大于预设误差阈值，则继续下一次迭代。其中，误差阈值基于定位精度来设置，误差阈值设置的越小，定位精度越高。
例如，在第M次迭代中，第M次迭代的位置误差小于预设误差阈值，则迭代结束，将第M次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置。
其中，待定位节点的位置可以为坐标，该坐标可以为二维坐标，也可以为三维坐标。在已定位节点的位置为二维坐标时，待定位节点的位置为二维坐标；在已定位节点的位置为三维坐标时，待定位节点的位置为三维坐标。
下面以待定位节点的位置为三维坐标为例对本申请实施例提供的室内定位方法进行详细说明。
待定位节点的实际位置假设为(x,y,z)，待定位节点的初始位置粗略设置为(x(0),y(0),z(0))。已知N个已定位节点的位置，其中第n个已定位节点的位置表示为(xn,yn,zn)，1≤n≤N。已知待定位节点分别与N个已定位节点之间的测量距离，其中待定位节点与第n个已定位节点之间的测量距离表示为根据三边定位可得到位置与距离之间的关系：
定义函数则有：
用δdn代替Fn(x,y,z)-Fn(x(0),y(0),z(0))，即其中，δdn为第一次迭代中待定位节点与第n个已定位节点之间的距离误差(考虑测距误差)。
其中，和/>是Fn(x，y，z)对x、y和z的偏导，用δx代替(x-x0)，用δy代替(y-y0)，用δz代替(z-z0)。另外，考虑待定位节点与第n个已定位节点之间的测量距离/>所引入的测距误差ψn，可以得到：
将上述公式改写成矩阵形式：
δd＝Hδx+ψ。
其中，δd为第一次迭代的距离误差矩阵(考虑测距误差)，δd＝[δd1,δd2,L,δdN]T，δx为第一次迭代的位置误差矩阵(未考虑测距误差)，δx＝[δx,δy,δz]T，ψ为测距误差，Ψ＝[ψ1,ψ2,L,ψN]T。
考虑测距误差，第一次迭代的位置误差矩阵表示为：
其中，为第一次迭代的位置误差矩阵(考虑测距误差)，B为迭代矩阵。
Rd为噪声协方差矩阵，该噪声协方差矩阵可根据传播环境对应的测距噪声参数来确定。
在LOS传播环境对应的测距噪声参数为LOS传播环境对应的高斯分布模型的方差D(ψ)时，将该方差作为噪声协方差矩阵的对角线元素值，即可得到噪声协方差矩阵：
其中，Rd的行数和列数均为N，
在DP-NLOS传播环境对应的测距噪声参数为DP-NLOS传播环境对应的高斯分布模型的方差D(ψ)时，将该方差作为噪声协方差矩阵的对角线元素值，即可得到噪声协方差矩阵：
其中，Rd的行数和列数均为N，
NDP-NLOS传播环境对应的测距噪声参数为NDP-NLOS传播环境对应的对数高斯分布模型的方差D(ψ)。由于NDP-NLOS传播环境中最终测距误差还与测量距离相关，因此根据测量距离与对数高斯分布模型的方差，得到最终方差。将最终方差作为噪声协方差矩阵的对角线元素值，即可得到噪声协方差矩阵：
其中，Rd的行数和列数均为N，D(gn(ψ))为与第n个已定位节点相对应的最终方差，1≤n≤N。gn(ψ)为与第n个已定位节点相对应的最终测距误差。
在根据噪声协方差Rd计算出迭代矩阵B后，即可得到第一次迭代的位置误差矩阵
根据第一次迭代的位置误差矩阵对待定位节点的初始位置(x(0),y(0),z(0))进行修正，得到第一次迭代中待定位节点的位置(x(1),y(1),z(1))：
在得到第一次迭代中待定位节点的位置(x(1),y(1),z(1))后，第一次迭代结束，可继续对待定位节点进行下一次迭代加权定位。
同理，在第m次迭代中，已知第m-1次迭代得到的待定位节点的位置(x(m-1),y(m-1),z(m-1))，已知N个已定位节点的位置，已知待定位节点分别与N个已定位节点之间的测量距离。根据公式可以得到第m次迭代中待定位节点与第n个已定位节点之间的距离误差(考虑测距误差)，进而得到第m次迭代的距离误差矩阵δd(考虑测距误差)。
然后，根据公式得到第m次迭代的位置误差矩阵/>(考虑测距误差)。根据第m次迭代的位置误差矩阵/>对第m-1次迭代得到的待定位节点的位置(x(m-1),y(m-1),z(m-1))进行修正，得到第m次迭代中待定位节点的位置(x(m),y(m),z(m))。
重复上述操作，直到足够小(如小于预设误差阈值)，整个迭代结束，得到待定位节点的最终位置。例如，在第M次迭代中，第M次迭代的/>小于预设误差阈值，则将第M次迭代得到的待定位节点的位置(x(M),y(M),z(M))作为待定位节点的最终位置(即待定位节点的定位结果)。
根据本申请实施例提供的室内定位方法，通过确定室内区域所属的传播环境，并结合该传播环境的噪声特性，确定该传播环境对应的测距噪声参数，以基于测距噪声参数，并充分利用已定位节点的信息，对待定位节点进行迭代加权定位，提高室内定位精度，且适用于不同的室内传播环境，即不同室内传播环境下的定位性能均得以提升，具有广泛的适用性。另外，所需的额外定位信息较少，能够在极端情况下定位信息不够充裕时完成定位，算法计算量相对较少，定位速度更快，能够适用于紧急情况下的定位。
本申请实施例提供的室内定位方法，执行主体可以为室内定位装置。本申请实施例中以室内定位装置执行室内定位方法为例，说明本申请实施例提供的室内定位装置。
本申请实施例还提供一种室内定位装置。
如图3所示，该室内定位装置包括：第一确定模块510、第二确定模块520、获取模块530和定位模块540。
第一确定模块510用于确定室内区域所属的传播环境，传播环境包括视距传播环境、直射路径可用的非视距传播环境或直射路径阻断的非视距传播环境。
第二确定模块520用于确定传播环境对应的测距噪声参数。
获取模块530用于获取室内区域中的待定位节点与已定位节点之间的测量距离。
定位模块540用于根据测量距离、已定位节点的位置和测距噪声参数，对待定位节点进行迭代加权定位，得到待定位节点的最终位置。
根据本申请实施例提供的室内定位装置，通过确定室内区域所属的传播环境，并结合该传播环境的噪声特性，确定该传播环境对应的测距噪声参数，以基于测距噪声参数，并充分利用已定位节点的信息，对待定位节点进行迭代加权定位，提高待定位节点的定位精度，且适用于不同的室内传播环境。
在一些实施例中，第二确定模块520还用于获取传播环境对应的测距误差模型；将测距误差模型的模型参数作为测距噪声参数。
在一些实施例中，视距传播环境对应的测距误差模型和直射路径可用的非视距传播环境对应的测距误差模型分别为高斯分布模型，直射路径阻断的非视距传播环境对应的测距误差模型为对数高斯分布模型，模型参数为方差。
在一些实施例中，定位模块540还用于在每次迭代中，根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、测量距离、已定位节点的位置和测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，根据当前次迭代的位置误差，对上一次迭代得到的待定位节点的位置进行修正，得到当前次迭代中待定位节点的位置；第一次迭代所使用的待定位节点的位置为预设的初始位置；在迭代结束时，将最后一次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置。
在一些实施例中，定位模块540还用于根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、测量距离和已定位节点的位置，得到当前次迭代的距离误差；根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、已定位节点的位置、当前次迭代的距离误差和测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差。
在一些实施例中，定位模块540还用于根据测距噪声参数，得到噪声协方差矩阵；根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、已定位节点的位置、当前次迭代的距离误差和噪声协方差矩阵，得到当前次迭代的位置误差。
在一些实施例中，定位模块540还用于根据测距噪声参数和测量距离，得到噪声协方差矩阵。
在一些实施例中，定位模块540还用于在检测到位置误差小于预设误差阈值时，确定迭代结束，将最后一次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置。
本申请实施例中的室内定位装置可以是电子设备，也可以是电子设备中的部件，例如集成电路或芯片。该电子设备可以是终端，也可以为除终端之外的其他设备。示例性的，电子设备可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、车载电子设备、移动上网装置(Mobile Internet Device，MID)、增强现实(augmented reality，AR)/虚拟现实(virtualreality，VR)设备、机器人、可穿戴设备、超级移动个人计算机(ultra-mobile personalcomputer，UMPC)、上网本或者个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等，还可以为服务器、网络附属存储器(Network Attached Storage，NAS)、个人计算机(personalcomputer，PC)、电视机(television，TV)、柜员机或者自助机等，本申请实施例不作具体限定。
本申请实施例中的室内定位装置可以为具有操作系统的装置。该操作系统可以为微软(Windows)操作系统，可以为安卓(Android)操作系统，可以为IOS操作系统，还可以为其他可能的操作系统，本申请实施例不作具体限定。
本申请实施例提供的室内定位装置能够实现图1至图2的方法实施例实现的各个过程，为避免重复，这里不再赘述。
在一些实施例中，如图4所示，本申请实施例还提供一种电子设备600，包括处理器601、存储器602及存储在存储器602上并可在处理器601上运行的计算机程序，该程序被处理器601执行时实现上述室内定位方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
需要说明的是，本申请实施例中的电子设备包括上述的移动电子设备和非移动电子设备。
图5为实现本申请实施例的一种电子设备的硬件结构示意图。
该电子设备700包括但不限于：射频单元701、网络模块702、音频输出单元703、输入单元704、传感器705、显示单元706、用户输入单元707、接口单元708、存储器709以及处理器710等部件。
本领域技术人员可以理解，电子设备700还可以包括给各个部件供电的电源(比如电池)，电源可以通过电源管理系统与处理器710逻辑相连，从而通过电源管理系统实现管理充电、放电、以及功耗管理等功能。图5中示出的电子设备结构并不构成对电子设备的限定，电子设备可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置，在此不再赘述。
其中，处理器710用于确定室内区域所属的传播环境，传播环境包括视距传播环境、直射路径可用的非视距传播环境或直射路径阻断的非视距传播环境；确定传播环境对应的测距噪声参数；获取室内区域中的待定位节点与已定位节点之间的测量距离；根据测量距离、已定位节点的位置和测距噪声参数，对待定位节点进行迭代加权定位，得到待定位节点的最终位置。
根据本申请实施例提供的电子设备，通过确定室内区域所属的传播环境，并结合该传播环境的噪声特性，确定该传播环境对应的测距噪声参数，以基于测距噪声参数，并充分利用已定位节点的信息，对待定位节点进行迭代加权定位，提高待定位节点的定位精度，且适用于不同的室内传播环境。
在一些实施例中，处理器710还用于获取传播环境对应的测距误差模型；将测距误差模型的模型参数作为测距噪声参数。
在一些实施例中，视距传播环境对应的测距误差模型和直射路径可用的非视距传播环境对应的测距误差模型分别为高斯分布模型，直射路径阻断的非视距传播环境对应的测距误差模型为对数高斯分布模型，模型参数为方差。
在一些实施例中，处理器710还用于在每次迭代中，根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、测量距离、已定位节点的位置和测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，根据当前次迭代的位置误差，对上一次迭代得到的待定位节点的位置进行修正，得到当前次迭代中待定位节点的位置；第一次迭代所使用的待定位节点的位置为预设的初始位置；在迭代结束时，将最后一次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置。
在一些实施例中，处理器710还用于根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、测量距离和已定位节点的位置，得到当前次迭代的距离误差；根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、已定位节点的位置、当前次迭代的距离误差和测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差。
在一些实施例中，处理器710还用于根据测距噪声参数，得到噪声协方差矩阵；根据上一次迭代得到的待定位节点的位置、已定位节点的位置、当前次迭代的距离误差和噪声协方差矩阵，得到当前次迭代的位置误差。
在一些实施例中，处理器710还用于根据测距噪声参数和测量距离，得到噪声协方差矩阵。
在一些实施例中，处理器710还用于在检测到位置误差小于预设误差阈值时，确定迭代结束，将最后一次迭代得到的待定位节点的位置作为待定位节点的最终位置。
应理解的是，本申请实施例中，输入单元704可以包括图形处理器(GraphicsProcessing Unit，GPU)7041和麦克风7042，图形处理器7041对在视频捕获模式或图像捕获模式中由图像捕获装置(如摄像头)获得的静态图片或视频的图像数据进行处理。显示单元706可包括显示面板7061，可以采用液晶显示器、有机发光二极管等形式来配置显示面板7061。用户输入单元707包括触控面板7071以及其他输入设备7072中的至少一种。触控面板7071，也称为触摸屏。触控面板7071可包括触摸检测装置和触摸控制器两个部分。其他输入设备7072可以包括但不限于物理键盘、功能键(比如音量控制按键、开关按键等)、轨迹球、鼠标、操作杆，在此不再赘述。
存储器709可用于存储软件程序以及各种数据。存储器709可主要包括存储程序或指令的第一存储区和存储数据的第二存储区，其中，第一存储区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序或指令(比如声音播放功能、图像播放功能等)等。此外，存储器709可以包括易失性存储器或非易失性存储器，或者，存储器709可以包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data Rate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synch link DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(Direct Rambus RAM，DRRAM)。本申请实施例中的存储器709包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
处理器710可包括一个或多个处理单元；处理器710集成应用处理器和调制解调处理器，其中，应用处理器主要处理涉及操作系统、用户界面和应用程序等的操作，调制解调处理器主要处理无线通信信号，如基带处理器。可以理解的是，上述调制解调处理器也可以不集成到处理器710中。
本申请实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述室内定位方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
其中，所述处理器为上述实施例中所述的电子设备中的处理器。所述可读存储介质，包括计算机可读存储介质，如计算机只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等。
本申请实施例还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述室内定位方法。
其中，所述处理器为上述实施例中所述的电子设备中的处理器。所述可读存储介质，包括计算机可读存储介质，如计算机只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种基于迭代加权的UWB室内定位方法，其特征在于，包括：
确定室内区域所属的传播环境，所述传播环境包括视距传播环境、直射路径可用的非视距传播环境或直射路径阻断的非视距传播环境；
确定所述传播环境对应的测距噪声参数；
获取所述室内区域中的待定位节点与已定位节点之间的测量距离；
根据所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，对所述待定位节点进行迭代加权定位，得到所述待定位节点的最终位置。
2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述确定所述传播环境对应的测距噪声参数，包括：
获取所述传播环境对应的测距误差模型；
将所述测距误差模型的模型参数作为所述测距噪声参数。
3.根据权利要求2所述的室内定位方法，其特征在于，所述视距传播环境对应的测距误差模型和所述直射路径可用的非视距传播环境对应的测距误差模型分别为高斯分布模型，所述直射路径阻断的非视距传播环境对应的测距误差模型为对数高斯分布模型，所述模型参数为方差。
4.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述根据所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，对所述待定位节点进行迭代加权定位，得到所述待定位节点的最终位置，包括：
在每次迭代中，根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，根据所述当前次迭代的位置误差，对上一次迭代得到的所述待定位节点的位置进行修正，得到当前次迭代中所述待定位节点的位置；第一次迭代所使用的所述待定位节点的位置为预设的初始位置；
在迭代结束时，将最后一次迭代得到的所述待定位节点的位置作为所述待定位节点的最终位置。
5.根据权利要求4所述的室内定位方法，其特征在于，所述根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，包括：
根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述测量距离和所述已定位节点的位置，得到当前次迭代的距离误差；
根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述已定位节点的位置、所述当前次迭代的距离误差和所述测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差。
6.根据权利要求5所述的室内定位方法，其特征在于，所述根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述已定位节点的位置、所述当前次迭代的距离误差和所述测距噪声参数，得到当前次迭代的位置误差，包括：
根据所述测距噪声参数，得到噪声协方差矩阵；
根据上一次迭代得到的所述待定位节点的位置、所述已定位节点的位置、所述当前次迭代的距离误差和所述噪声协方差矩阵，得到当前次迭代的位置误差。
7.根据权利要求6所述的室内定位方法，其特征在于，在所述传播环境为直射路径阻断的非视距传播环境时，所述根据所述测距噪声参数，得到噪声协方差矩阵，包括：
根据所述测距噪声参数和所述测量距离，得到噪声协方差矩阵。
8.根据权利要求4所述的室内定位方法，其特征在于，所述在迭代结束时，将最后一次迭代得到的所述待定位节点的位置作为所述待定位节点的最终位置，包括：
在检测到所述位置误差小于预设误差阈值时，确定迭代结束，将最后一次迭代得到的所述待定位节点的位置作为所述待定位节点的最终位置。
9.一种室内定位装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定室内区域所属的传播环境，所述传播环境包括视距传播环境、直射路径可用的非视距传播环境或直射路径阻断的非视距传播环境；
第二确定模块，用于确定所述传播环境对应的测距噪声参数；
获取模块，用于获取所述室内区域中的待定位节点与已定位节点之间的测量距离；
定位模块，用于根据所述测量距离、所述已定位节点的位置和所述测距噪声参数，对所述待定位节点进行迭代加权定位，得到所述待定位节点的最终位置。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-8任一项所述的室内定位方法。
11.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的室内定位方法。
12.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的室内定位方法。
Priority Applications (1)
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