CN105547297A - 一种基于uwb定位系统的室内定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于UWB定位系统的室内定位方法，在每个需要定位的标签上分别安装用于感知标签的天线姿态的姿态传感器，预先测量标签和锚点分别所使用的天线的群延迟参数得到天线群延迟参数表，测量每个锚点的位置以及锚点的天线姿态并存储；进行室内定位时，标签从姿态传感器获取自身的姿态，并将姿态参数传输到锚点，锚点接收标签的姿态参数并和距离传输到定位解算服务器；当定位解算服务器进行定位时，进行初始解算得到标签的粗略位置，根据粗略位置和标签的姿态信息计算标签天线与每个锚点天线之间的相互方向关系，查找天线群延迟参数表对标签和各锚点的原始距离信息进行修正，再次解算得到标签的修正后位置。
Description
技术领域
本发明属于定位技术，涉及基于TOA/TDOA/TOF技术室内定位的方法。
背景技术
室外定位技术已经非常成熟，市场上有多种GNSS(全球导航卫星系统)设备可以满足不同用户从米级到毫米级的各种需求。而事实上，众多行业都对室内定位技术提出越来越高的要求，例如物联网行业，旅游行业，商业场所，机场，消防，公安，军用，停车场，医院，机器人，无人机，隧道矿井等。对于室内定位，虽然目前有多种解决方案，例如WIFI指纹定位，超声波定位，蓝牙定位，地磁定位，伪卫星定位，UWB定位等，但是由于技术局限以及成本问题，目前尚未有像GNSS定位技术一样让不同用户满意的成熟产品，更进一步说，这些技术要么定位精度无法满足要求，要么成本太高，因此难以推广。在众多室内定位技术解决方案中，目前来看，UWB技术是比较能在精度和成本之间取得平衡的一种技术，最有希望能得到发展的推广。
UWB是UltraWideBand的缩写，意思是超宽带，是利用比传统通信技术宽得多的频谱(通常是数百Mhz到数GHz)进行通信。根据Shannon理论，信道带宽越宽，就有着越强的抗干扰能力，所需要的发射功率越小，传输速率也越快。因此UWB技术可以使用更少的电能，更快地进行数据的有效传输，其每个数据包的传输时间可以非常短，达到ps级别，这样一来就有效解决了室内定位中一个很大的问题--多路径问题。这一点是其它几种技术难以解决的。
而UWB定位技术的基础是利用UWB进行通信，度量目标之间的电磁波传输时间，通常使用的是TOA(TimeofArrival,电磁波达到时间)或者TOF(TimeofFlight,电磁波飞行时间)以及TODA(达到时间差)技术，然后测量出目标之间的距离。目前UWB技术已经可以实现最高精度达到厘米级的室内定位，而分米级别的定位产品已经在逐步推广，但是目前所有的UWB技术定位精度以及其它基于TOA/TOF/TDOA的定位技术都不能保证使用精度，其中一个重要原因就是天线的群延迟。TOA/TOF/TDOA技术必须度量的是目标之间的电波传输时间，而电磁波必须要经过发射天线发射到空中，然后由接收天线获取。电磁波在空中的传输速度是比较稳定的，而在天线中的传输情况却比较复杂，由于电磁波从天线的各个方向向外辐射，而在各个方向上的延迟时间是不同的，而实际上无法保证在通信或者定位过程中，两个目标天线之间的方向关系一直保持不变，正因如此，测得的两个目标之间的距离始终有一个因为天线的各个方向的群延迟不同而造成的误差，这个误差看起来是一种系统误差，但是却因为其误差量不唯一而无法直接消除。通常来说，UWB天线的群延迟在各个方向上的差异大概有几十ps到几ns，而因此给距离测量带来的误差就有几个厘米到几十厘米，进一步的，根据误差传播原理，这个测距误差带给最后定位误差通常会大于测距误差(一般来说，定位误差的量值是测距误差的倍)。这个技术障碍是限制UWB室内定位技术实用化的一个重要因素，它所体现出来的是，很多产品在实验室里的测距精度很高，但是实用的时候却误差很大，原因是实验室的测试条件是要求两个测距目标的天线方向保持一致，而实际中这个条件无法满足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是由于天线各方向群延迟不同而引起的定位误差。
本发明的技术方案提供一种基于UWB定位系统的室内定位方法，所述UWB定位系统包括锚点、标签以及定位解算服务器，在每个需要定位的标签上分别安装用于感知标签的天线姿态的姿态传感器，
预先测量标签和锚点分别所使用的天线的群延迟参数，得到天线群延迟参数表；实现方式为，将天线固定在旋转平台上，分别测量空间直角坐标系中两个正交平面上的整个圆周的群延迟参数，测量间隔根据所使用的姿态传感器的精度相应设定，根据测量所得的群延迟参数存储得到天线群延迟参数表；
预先测量每个锚点的位置以及锚点的天线姿态并存储；
进行室内定位时，进行以下操作，
在每次进行标签与锚点进行距离测量的时候，标签从姿态传感器获取自身的姿态，并将姿态参数传输到锚点；
在每次进行标签与锚点之间的距离测量时，锚点接收标签的姿态参数并和标签到本锚点的距离一起传输到定位解算服务器；
当定位解算服务器进行定位时，执行包括以下步骤，
步骤a，将各锚点发送的距离作为标签和各锚点的原始距离信息，进行初始解算得到标签的粗略位置；
步骤b，根据步骤a所得标签的粗略位置和标签的姿态信息，提取预先测量所得相应锚点的位置以及锚点的天线姿态，计算标签天线与每个锚点天线之间的相互方向关系；
步骤c，根据步骤b所得方向关系查找天线群延迟参数表，对标签和各锚点的原始距离信息进行修正；
步骤d，根据步骤c所得修正结果进行再次解算，得到标签的修正后位置。
而且，步骤c的实现方式为，设查找得到标签天线与某锚点天线之间的天线群延迟总量DLgrp，则需要修正的距离DISdgrp＝DLgrp×C，C是光速，对标签和该锚点的原始距离信息进行修正后的准确距离DISprec＝Dcoast-DISdgrp。
本发明的优点在于所采用的技术手段是多传感器融合技术，在成本提高不多的条件下便可以有效提高定位精度。
具体实施方式
以下结合UWB定位系统实施例对本发明技术方案进行具体描述。
其余基于TOA/TDOA/TOF技术的测距定位系统均可以参照本例进行实施，以达到提高精度的目的。
通过研究，本发明提出，虽然UWB天线各个方向群延迟不同，但是这个延迟量是相对稳定的，不是随机变化的，也就是说，每个天线的群延迟特性，都可以通过手段进行测量，得到一个天线群延迟参数特性表，这个特性表反应了该天线在每个方向上的群延迟量。在实际应用中，只要感知目标天线的姿态，进一步获取目标天线之间的相对方向，并根据这个天线群延迟参数特性表将天线群延迟作为系统误差消除掉，即可提高测距精度，以此来进一步定位，就可以提高定位精度。
UWB定位系统中，一般包含三部分，锚点，标签，以及定位解算服务器。参与测距的部分是锚点与标签两种设备,锚点设备与标签设备上都安装有电磁波收发设备以及通信控制器和天线。锚点的作用是控制点或者参考点，其天线的位置和姿态是固定的，其位置用其它手段精确测量出来，输入到系统中作为参考点。标签是需要定位的目标，定位的过程为：每个定位标签分别与每个锚点进行通信，以得到标签与锚点之间的距离，每个锚点将测距结果传输到定位解算服务器，当定位解算服务器同时得到一个标签与两个锚点之间的距离的时候，就可以对该标签进行二维定位，当定位解算服务器同时得到一个标签与三个锚点之间的距离的时候，就可以对该标签进行三维定位。标签上的天线位置和姿态随时可能变化，而这个变化会引起锚点天线与标签天线之间的方向不同，从而引起测距结果中的天线群延迟量不同，影响测距精度。本发明提出在标签上同时安装姿态传感器，在测距的同时，获取标签的姿态，当对两个以上的锚点进行测距后(此时的距离带有群延迟误差)，即可进行第一次定位解算，得到标签的粗略位置，根据此粗略位置与标签的姿态，计算标签天线与锚点天线的相对方向，然后查找标签天线与每个锚点天线的群延迟参数特性表，将该方向对应的群延迟量消除掉，从而得到精确的距离，然后实用这些修正后的精确距离进行第二次定位结算，即可得到标签的精确位置。
在现有的UWB定位系统基础之上，需要采取以下措施，从而实现本发明的设计，从而提高定位精度：
1,每个需要定位的标签设备(包含天线以及电磁波收发设备以及通信控制处理器等，通信控制处理器上运行通信控制程序)上都需要安装姿态传感器，从而感知标签天线的姿态(前后、左右、水平三个方向的角度)，一般来说，这需要一个三轴磁力传感器和三轴加速度传感器组合完成，例如HMC6343。
2,在系统运行之前，做以下准备工作：
A,测量所使用的天线的群延迟参数
严格意义上，需要测量每个天线的群延迟参数，但是实际上，只要天线的生产工艺可靠，相同型号天线的群延迟参数是非常相似的，因此一般只要求测量系统中所使用的每种型号的天线的群延迟参数即可。为降低复杂度起见，通常布设各锚点时使用的天线为同一型号的天线，各标签上使用的天线同理。本实施例假设锚点与标签所使用的天线为同一型号的天线。如果锚点与标签设备上使用的天线型号不同，则需要分别对其测量群延迟参数。
最终所需要的天线群延迟参数为整个球面的群延迟参数，测量方法为，将所需要测量的天线固定在旋转平台上，分别测量空间直角坐标系中两个正交平面上的整个圆周的群延迟参数，其测量间隔(每次旋转的角度)的设定应该与所使用的姿态传感器的精度相匹配，例如所使用的姿态传感器的精度是5度，则测量间隔也应该是5度。
并将这些参数存储为表，以备查表使用。
表1:天线群延迟参数表示例(部分)
| 序号 | 竖直方向(度) | 水平方向(度) | 群延迟量(ps) |
| 1 | 0 | 5 | 300 |
| 2 | 0 | 10 | 500 |
| 3 | 0 | 15 | 800 |
| 4 | 0 | 20 | 560 |
| 5 | 0 | 25 | 600 |
| 6 | 0 | 30 | 860 |
| ...... | ...... | ...... | ...... |
| ...... | 0 | 210 | 900 |
| ...... | ...... | ...... | ...... |
| ...... | 0 | 355 | 200 |
| ...... | 5 | 0 | 270 |
| ...... | 5 | 5 | 490 |
| ...... | ... | ... | ... |
| ...... | 355 | 355 | 290 |
B,测量每个锚点的位置以及天线姿态，并存储备用。
表2:锚点位置以及天线姿态表示例
3,进行室内定位时，进行以下操作：
3.1在每次进行标签与锚点之间的距离测量时，从标签处将标签的姿态参数传输到锚点：
具体实施时，可以在原本的标签通信控制程序基础上改进实现。
原本的标签通信控制程序只是和锚点之间进行测距报文的传输，以获取标签与锚点之间的距离。需要增加的是：
在每次与锚点进行距离测量的时候，从姿态传感器获取自身天线的姿态，并将姿态参数传输到锚点；
3.2在每次进行标签与锚点之间的距离测量时，锚点接收标签的姿态参数并和标签到本锚点的距离一起传输到定位解算服务器：
具体实施时，可以在原本的锚点通信控制程序基础上改进实现。
原本的锚点通信控制程序实现的是与标签之间进行测距报文的传输，以获取标签与锚点之间的距离，并将锚点与标签之间的距离传输到定位解算服务器，由定位解算服务器计算标签的位置。需要增加的是：
在每次与标签进行距离测量的时候，接收标签发来的姿态信息，并将姿态信息连同距离信息一起转发给定位解算服务器。
3.3当定位解算服务器进行定位时，进行初始解算，根据标签的粗略位置和姿态信息，根据相应锚点的位置以及锚点的天线姿态计算标签天线与每个锚点天线之间的相互方向关系，根据关系查找天线群延迟参数表，对标签和各锚点的原始距离信息进行修正，进行再次解算。
将定位解算服务器的定位流程修改成如下流程：
当收到定位标签和两个以上锚点的原始距离信息DIScoast以及姿态信息后，即利用这些距离信息进行第一次定位解算(具体实施时可采用原有的定位解算算法)，此时的距离信息包含标签天线与锚点天线双方的群延迟，因此只能得到定位标签的粗略位置。
然后根据标签的粗略位置和姿态信息，查找措施2中得到的表2并计算标签天线与每个锚点天线之间的相互方向关系，根据这个关系，查找措施2中得到的表1，得到标签天线与锚点天线之间的天线群延迟总量DLgrp，则，需要修正的距离DISdgrp＝DLgrp×C，C是光速。而锚点到标签的准确距离DISprec＝Dcoast-DISdgrp。天线群延迟总量DLgrp为标签天线和此锚点天线在天线群延迟参数表中相应方向的群延迟参数的总和。
用这个准确距离DISprec再次进行定位解算(具体实施时可采用原有的定位解算算法)，得到标签的准确位置。
例如，定位标签测得的距离锚点1的原始距离为36.58米,距离锚点2的原始距离为22.05米，距离锚点3的原始距离为14.71米，姿态为：0,0,0。
据此进行第一次定位解算，得到标签的粗略位置为(20.50,30.30,4.10)；
而标签相对于三个锚点的方位分别为：(近似到5度的整数倍，以便查表)
锚点1:水平角30度，竖直角0度
锚点2:水平角120度，竖直角0度
锚点3:水平角225度，竖直角0度
三个锚点相对于标签的方位分别为：
锚点1:水平角210度，竖直角0度
锚点2:水平角300度，竖直角0度
锚点3:水平角45度，竖直角0度
以标签天线与锚点1之间的距离为例，两者之间的竖直角为零(在一个水平面上)，而他们之间的水平角分别为30度和210度，经查表1，得到天线在这两个角度的群延迟量分别为900ps和860ps，由于电磁波在锚点天线与标签天线之间传输的时候，需要经过这两个天线，因此原始距离信息DIScoast中包含了这两个天线的群延迟，因此天线群延迟总量为900+860＝1670ps,造成的距离偏差为：
C×1760ps＝0.53米
则修正以后的距离为：
36.58-0.53＝36.06米
依次修正标签与三个锚点之间的距离，并用修正后的准确距离重新计算位置，得到修正以后的准确坐标(20.0,30.0,4.0),本次定位结束。
具体实施时，可采用以下步骤实现：
包括以下步骤，
步骤a，将各锚点发送的距离作为标签和各锚点的原始距离信息，进行初始解算得到标签的粗略位置；
步骤b，根据步骤a所得标签的粗略位置和标签的姿态信息，提取预先测量所得相应锚点的位置以及锚点的天线姿态，计算标签天线与每个锚点天线之间的相互方向关系；
步骤c，根据步骤b所得方向关系查找天线群延迟参数表，对标签和各锚点的原始距离信息进行修正；
步骤d，根据步骤c所得修正结果进行再次解算，得到标签的修正后位置。
具体实施时，本领域技术人员可采用计算机软件技术实现自动室内定位。
本发明提供了本领域技术人员能够实现的技术方案。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于UWB定位系统的室内定位方法，所述UWB定位系统包括锚点、标签以及定位解算服务器，其特征在于：在每个需要定位的标签上分别安装用于感知标签的天线姿态的姿态传感器，
预先测量标签和锚点分别所使用的天线的群延迟参数，得到天线群延迟参数表；实现方式为，将天线固定在旋转平台上，分别测量空间直角坐标系中两个正交平面上的整个圆周的群延迟参数，测量间隔根据所使用的姿态传感器的精度相应设定，根据测量所得的群延迟参数存储得到天线群延迟参数表；
预先测量每个锚点的位置以及锚点的天线姿态并存储；
进行室内定位时，进行以下操作，
在每次进行标签与锚点进行距离测量的时候，标签从姿态传感器获取自身的姿态，并将姿态参数传输到锚点；
在每次进行标签与锚点之间的距离测量时，锚点接收标签的姿态参数并和标签到本锚点的距离一起传输到定位解算服务器；
当定位解算服务器进行定位时，执行包括以下步骤，
步骤a，将各锚点发送的距离作为标签和各锚点的原始距离信息，进行初始解算得到标签的粗略位置；
步骤b，根据步骤a所得标签的粗略位置和标签的姿态信息，提取预先测量所得相应锚点的位置以及锚点的天线姿态，计算标签天线与每个锚点天线之间的相互方向关系；
步骤c，根据步骤b所得方向关系查找天线群延迟参数表，对标签和各锚点的原始距离信息进行修正；
步骤d，根据步骤c所得修正结果进行再次解算，得到标签的修正后位置。
2.根据权利要求1所述基于UWB定位系统的室内定位方法，其特征在于：步骤c的实现方式为，设查找得到标签天线与某锚点天线之间的天线群延迟总量DLgrp，则需要修正的距离DISdgrp=DLgrp×C，C是光速，对标签和该锚点的原始距离信息进行修正后的准确距离DISprec=Dcoast-DISdgrp。
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