本发明涉及无线电测距技术领域，尤其涉及在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法。
背景技术：
在西方发达国家中，普通人家建有私人游泳池是比较常见的一件事情。随着我们居家需求的逐渐提升，凭借着干净卫生，免去公共泳池水质不好交叉感染的困扰等优点，私人定制私家泳池的时尚正在悄然兴起。有的把私家花园改了露天泳池，有的把车库改了室内泳池，还有的搞个屋顶阳光泳池。目前定制这样的私家泳池并不复杂，在别墅的花园、空地、屋顶以及跃层的室内空间就可以建私家游泳池。在夏天家人能够在池水中游戏一番，锻炼一下自己的身体，也可以在酷热难耐时，在池水中降降温，避避暑。在家享受夏日游泳之乐，不用担心水质，不用担心人流混杂。定制私家泳池正在成为现在高端人士的一种时尚生活指标。
但是现实生活中，泳池面积往往受房屋面积限制而较小，用户需要在泳池内频繁折返，同时泳池内的水为静止的水，无法产生水流以满足各年龄段游泳爱好者对游速的要求，为此，现有技术中出现了为泳池提供泳流的装置，现有技术中该装置的缺点在于无法准确识别用户是否位于泳池的中心位置，从而无法实现对涌流方向、流速的快速控制，为此我们提供了一种在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术中为泳池提供泳流的装置无法准确识别用户是否位于泳池的中心位置，从而无法实现对涌流方向、流速的快速控制的问题，而提出的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法，包括以下步骤：
s1、使待检测人身上携带定位标签；设立以泳池中心为圆心，直径3米以内的区域为泳池中心位置；
设立定位标签与至少四个无线定位基站为统一时间戳，并通过无线电测距授时方法对各个时间戳进行授时；所述定位标签和无线定位基站选用zigbee和超声波信号发送器；
s2、多个无线定位基站分别向定位标签发射第一请求帧，定位标签接收无线定位基站的第一请求帧并等待时间间隔后并通过无线电波信号回复第一回复帧；定位标签根据用户位置初始值和基站位置计算相应的方位值并等待时间间隔后，向无线定位基站发射位置计算结果；
s3、无线定位基站计算角度值对应的加权用户位置坐标并与无线定位基站坐标做差值计算出人位置的估计值；
无线定位基站向泳池发射无线测距信号并根据信号返回时间计算出人的坐标的测距值；
s4、计算加权差值并判断加权差值是否低于阈值，如果是，则输出位置估计值；如果否，更新人的位置并回到步骤3进行迭代计算；
s5、将步骤4输出的估计值与泳池中心位置进行差值比对，并判断人是否位于泳池中心位置，若是则向外界显示单元输出“中心位置”并在模拟地图上标记人的实时位置；若否则向外界显示单元输出“非中心位置”。
在上述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法中，步骤3中估计值计算方法为：根据用户位置x＝[xyz]和信号来源位置p＝[abc]计算以人为中心的坐标系的两个角度值，通过该方位值和测距值在三维空间内确定唯一的坐标，其中：x为位置坐标在直角坐标系下x轴的值；y为位置坐标在直角坐标系下y轴的值；z为位置坐标在直角坐标系下z轴的值；a为信源位置坐标在直角坐标系下x轴的值；b为信源位置坐标在直角坐标系下y轴的值；c为信源位置坐标在直角坐标系下z轴的值。
在上述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法中，所述方位值的计算式为：
∮(α|x-p|2)cosθ＝x-a
其中：α为所求的方位值，θ为矢量x-p与x轴之间的夹角，为矢量x-p与x轴构成的平面与xoy平面的夹角，||||代表l2范数。
在上述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法中，所述步骤4中所述计算角度值对应的加权用户位置坐标采用如下方法：其中为测距方差，角度值θ、通过用户坐标值x与无线电测距信号基站位置p采用角度计算公式求得。
在上述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法中，所述定位标签接收到定位标签的第一请求帧后进行解扩、解调和帧同步，再利用自身形成的下行测距信息帧对无线定位基站的第一请求帧采样，从采样数据中提取出无线定位基站站帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位，并将这些参数直接放入第二回复帧送至另一个无线定位基站；无线定位基站接收到第二回复帧后进行解扩、解调、帧同步，提取得到下行测量帧同步信号，同时对自身形成的上行测量帧信号采样，测量出上行帧计数z、位计数w、扩频伪码计数m、码相位、载波相位；
多个无线定位基站通过其他无线定位基站测得的载波相位和码相位,完成无线定位基站接收信号载波相位平滑伪距，同时利用上行码相位，在无线定位基站完成接收信号的上载波相位平滑伪距，降低上行码相位测量误差；最后无线定位基站利用定位标签测量的帧计数、位计数、扩频伪码计数，以及下发的帧计数、位计数、扩频伪码计数、平滑后的码相位参数，进行综合计算完成测距于步骤5输出的估计值进行比对，并广播至各个无线定位基站内进行储存。
在上述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法中，无线电测距授时方法包括以下步骤：
s6、无线定位基站检测n个历元的伪距或者载波相位观测值，并且通过解析电文获得n个历元对应的定位标签坐标以及定位标签信号发射器时钟与参考时间系统之间的偏差、伪距和载波相位观测值；
s7、对伪距和载波相位的观测值平方的进行表达：
(ri-dt)2＝||si-x||2；
式中ri表示伪距和载波相位观测值；伪距观测值dt表示接收机钟差，载波相位观测值dt表示等价接收机钟差；泳池中心坐标记做si＝[xi，yi，zi]，定位标签坐标记做x＝[xr，yr，zr]；公式(ri-dt)2＝||si-x||2表达为：
定义差分运算矩阵d＝[-en-1，in-1]，式2ax＝en+b表示为：
2dax＝db；
s8、公式2dax＝db利用最小二乘参数估计的方法求解，采用正则化的方法对求出的位置向量x＝[xr，yr，zr，dt]进行进一步的精化；采用正则化的方法，通过有偏估计获得稳定的数值解；
s9、利用正则化的方法求解得到稳定的参数增量后，利用下式更新参数：xi＝xi-1+dx；式中下标i-1和i表示迭代次数；
s10、更新完成后，判断求解的参数增量dx是否小于迭代终止的限值，如果小于迭代终止的限值，终止迭代并将求得的参数x向量作为最终的坐标和接收机钟差输出，作为定位和授时的最终结果；否则需要返回步骤9继续迭代计算；在迭代计算时，使用第i次更新后的参数作为初始值，重新开始近似值r0的计算，并再次求解参数增量dx。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过多个无线定位基站同时向定位标签发射无线信号，定位标签再根据用户位置初始值和基站位置计算相应的方位值并等待时间间隔后，向无线定位基站发射位置计算结果，最终计算出坐标估计值和测距值；然后计算加权差值并判断加权差值是否低于阈值最坐标准确度进行精准度评判，从而保证对人坐标的精准定位；
本申请的技术在利用无线电传播的直线性和恒速性测定游泳者的位置，从而快速计算出游泳者与泳池边界的距离，最终判断出游泳者是否位于泳池中心；
本发明中综合使用无线定位基站的距离检测以及依靠定位标签的有源定位，使得定位速度非常快，在保证精准度的前提下提高定位速度，保证泳池能够及时监测到人的位置，便于后续在泳池中制造泳流。值得说明的是：本申请中的无线电发射可以是独立的、反射的，既独立发射的无线信号和反射的无线信号可单独存在或同时存在；同时可以相同频率或不同频率的再发射无线电信号，保证整个无线电测距过程能够更好的避免外界干扰，从而提高测距精准度。
具体实施方式
以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。
实施例
在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法，包括以下步骤：
s1、使待检测人身上携带定位标签；设立以泳池中心为圆心，直径3米以内的区域为泳池中心位置；
设立定位标签与至少四个无线定位基站为统一时间戳，并通过无线电测距授时方法对各个时间戳进行授时；定位标签和无线定位基站选用zigbee和超声波信号发送器；
s2、多个无线定位基站分别向定位标签发射第一请求帧，定位标签接收无线定位基站的第一请求帧并等待时间间隔后并通过无线电波信号回复第一回复帧；定位标签根据用户位置初始值和基站位置计算相应的方位值并等待时间间隔后，向无线定位基站发射位置计算结果；
s3、无线定位基站计算角度值对应的加权用户位置坐标并与无线定位基站坐标做差值计算出人位置的估计值；
无线定位基站向泳池发射无线测距信号并根据信号返回时间计算出人的坐标的测距值；
s4、计算加权差值并判断加权差值是否低于阈值，如果是，则输出位置估计值；如果否，更新人的位置并回到步骤3进行迭代计算；
s5、将步骤4输出的估计值与泳池中心位置进行差值比对，并判断人是否位于泳池中心位置，若是则向外界显示单元输出“中心位置”并在模拟地图上标记人的实时位置；若否则向外界显示单元输出“非中心位置”。
步骤3中估计值计算方法为：根据用户位置x＝[xyz]和信号来源位置p＝[abc]计算以人为中心的坐标系的两个角度值，通过该方位值和测距值在三维空间内确定唯一的坐标，其中：x为位置坐标在直角坐标系下x轴的值；y为位置坐标在直角坐标系下y轴的值；z为位置坐标在直角坐标系下z轴的值；a为信源位置坐标在直角坐标系下x轴的值；b为信源位置坐标在直角坐标系下y轴的值；c为信源位置坐标在直角坐标系下z轴的值。
方位值的计算式为：
∮(α|x-p|2)cosθ＝x-a
其中：α为所求的方位值，θ为矢量x-p与x轴之间的夹角，为矢量x-p与x轴构成的平面与xoy平面的夹角，||||代表l2范数。
步骤4中计算角度值对应的加权用户位置坐标采用如下方法：其中为测距方差，角度值θ、通过用户坐标值x与无线电测距信号基站位置p采用角度计算公式求得。
定位标签接收到定位标签的第一请求帧后进行解扩、解调和帧同步，再利用自身形成的下行测距信息帧对无线定位基站的第一请求帧采样，从采样数据中提取出无线定位基站站帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位，并将这些参数直接放入第二回复帧送至另一个无线定位基站；无线定位基站接收到第二回复帧后进行解扩、解调、帧同步，提取得到下行测量帧同步信号，同时对自身形成的上行测量帧信号采样，测量出上行帧计数z、位计数w、扩频伪码计数m、码相位、载波相位；
多个无线定位基站通过其他无线定位基站测得的载波相位和码相位,完成无线定位基站接收信号载波相位平滑伪距，同时利用上行码相位，在无线定位基站完成接收信号的上载波相位平滑伪距，降低上行码相位测量误差；最后无线定位基站利用定位标签测量的帧计数、位计数、扩频伪码计数，以及下发的帧计数、位计数、扩频伪码计数、平滑后的码相位参数，进行综合计算完成测距于步骤5输出的估计值进行比对，并广播至各个无线定位基站内进行储存。
无线电测距授时方法包括以下步骤：
s6、无线定位基站检测n个历元的伪距或者载波相位观测值，并且通过解析电文获得n个历元对应的定位标签坐标以及定位标签信号发射器时钟与参考时间系统之间的偏差、伪距和载波相位观测值；
s7、对伪距和载波相位的观测值平方的进行表达：
(ri-dt)2＝||si-x||2；
式中ri表示伪距和载波相位观测值；伪距观测值dt表示接收机钟差，载波相位观测值dt表示等价接收机钟差；泳池中心坐标记做si＝[xi，yi，zi]，定位标签坐标记做x＝[xr，yr，zr]；公式(ri-dt)2＝||si-x||2表达为：
定义差分运算矩阵d＝[-en-1，in-1]，式2ax＝en+b表示为：
2dax＝db；
s8、公式2dax＝db利用最小二乘参数估计的方法求解，采用正则化的方法对求出的位置向量x＝[xr，yr，zr，dt]进行进一步的精化；采用正则化的方法，通过有偏估计获得稳定的数值解；
s9、利用正则化的方法求解得到稳定的参数增量后，利用下式更新参数：xi＝xi-1+dx；式中下标i-1和i表示迭代次数；
s10、更新完成后，判断求解的参数增量dx是否小于迭代终止的限值，如果小于迭代终止的限值，终止迭代并将求得的参数x向量作为最终的坐标和接收机钟差输出，作为定位和授时的最终结果；否则需要返回步骤9继续迭代计算；在迭代计算时，使用第i次更新后的参数作为初始值，重新开始近似值r0的计算，并再次求解参数增量dx。
本发明通过多个无线定位基站同时向定位标签发射无线信号，定位标签再根据用户位置初始值和基站位置计算相应的方位值并等待时间间隔后，向无线定位基站发射位置计算结果，最终计算出坐标估计值和测距值；然后计算加权差值并判断加权差值是否低于阈值最坐标准确度进行精准度评判，从而保证对人坐标的精准定位；
本申请的技术在利用无线电传播的直线性和恒速性测定游泳者的位置，从而快速计算出游泳者与泳池边界的距离，最终判断出游泳者是否位于泳池中心；
本申请中的无线电发射可以是独立的、反射的，既独立发射的无线信号和反射的无线信号可单独存在或同时存在；以相同频率或不同频率的再发射无线电信号，保证整个无线电测距过程能够更好的避免外界干扰，从而提高测距精准度。本发明中综合使用无线定位基站的距离检测以及依靠定位标签的有源定位，使得定位速度非常快，在保证精准度的前提下提高定位速度，保证泳池能够及时监测到人的位置，便于后续在泳池中制造泳流。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。