一种基于逆定位原理的室内定位方法与流程

本发明涉及基于无线通信的定位和位置服务
技术领域：
，提出一种基于逆定位原理的室内定位方法，该方法采用单向信号传输模式，利用移动端标签发射无线信号、定位基站(固定端)接收的方式，通过利用位置固定且已知的同步标签发射同步包来精确标定定位基站钟差，有利于提高室内定位精度。
背景技术：
：室内定位是指在室内环境中实现物体或人的位置定位。近年来，工业制造、机器人、养老院、监狱、仓库、商场等行业对室内定位需求与日俱增。其难点主要体现在既要提高定位精度又要降低实现方案的复杂度和成本的矛盾中。现有技术中的一种室内定位技术为：基于超宽带室内定位系统，该系统原理是：采用发射机固定，接收机移动的模式，主要由固定发射端、移动接收机端和系统控制模块等部分组成,系统由三个以上的固定发射端发射超宽带信号，移动接收机进行捕获和跟踪发射端所发射的信号，在接收机内部进行相关、解调等模块运算，最终解算出接收点的位置。这是常见的主动定位模式(或称为正定位模式)，即固定端发射信号，移动端接收信号来定位。上述现有技术的缺点为：1)固定端发射射频信号，采用了扰码、卷积编码、交织、快速傅里叶变换、载波调制等通信体制，系统复杂度高；2)移动接收机端接收发射机发射的调制信号并进行相关、解调和定位解算等运算，计算量大，不利于降低移动端的功耗和体积。现有技术中的另一种室内定位方法是：测量信号到达时间(timeofarrival,toa)法，该方法的原理是：如果信号发射时刻已知，获得信号接收时刻后，利用电波传播速度与两个时刻差的乘积即可获得发射机与接收机之间的距离。当获得多个基站与用户设备的距离测量值后，即可解算得到用户位置。上述现有技术的缺点为：1)这种方法需要发射机与接收机进行严格的时钟同步以保证发射和接收时刻具有相同的时钟基准，而在实际应用场景中是很难实现用户与定位基站间的精确时钟同步；2)如果不具备时钟同步条件，则一般通过双向通信测量信号往返所需要的时间而后得到用户与基站之间的距离，这样带来的缺点是双向通信导致时延增加，使得时钟同步更加困难，且双向通信使发射机和接收机设备复杂，成本较高。技术实现要素：鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是提出一种基于逆定位原理的室内定位方法，该方法中的定位基站只接收信号，不发射信号，称为逆定位模式，它无需载波和复杂的射频调制解调模块；用到达时间差(timedifferenceofarrival,tdoa)法回避了toa的绝对时间测量对时间同步的严苛要求，降低了时间同步实现的复杂度；通过精确测量定位基站的钟差，提高了室内定位精度。本发明所述方法需要的步骤和模块较少，成本低且易于实现。实现本发明目的的具体技术方案是：一种基于逆定位原理的室内定位方法，该方法包括如下步骤：步骤1：采用单向信号传输模式，以超宽带窄脉冲无线信号为载体，定位标签定时发射含有时间戳的定位包信号以标定定位基站接收信号的相对到达时间；步骤2：放置在位置固定已知的定位基站上的同步标签定时发射同步包以精确标定定位基站的钟差；步骤3：定位基站接收超宽带窄脉冲无线信号后，基于用户数据报协议将同步包和定位包封装到数据报中，通过线缆连接的网络交换机，将数据报转发到定位引擎；步骤4：定位引擎完成对定位包和同步包的数据解析、提取各定位基站钟差信息，形成定位标签到达各定位基站的到达时间差tdoa。利用不少于四个定位基站的已知位置坐标，对观测值定权后以加权最小二乘法解算双曲线定位方程组，得到定位标签的位置信息。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，步骤1中，所述信号采用的信号体制为脉冲位置调制(pulsepositionmodulation,ppm)技术，将定位包和同步包的基带数据调制在超宽带窄脉冲信号上。定位标签和同步标签发射的是超宽带窄脉冲信号。标签信号的发射频次为2n，定位标签携带者在室内的移动速度不高，一般小于5米/秒，因此取n＝4，对应的发射频次为16hz(即62.5毫秒发射一次包数据)。超宽带窄脉冲信号时域波形表达式为：式中，ap为幅度，参数α决定超宽带窄脉冲的脉宽。采用m＝28进制脉冲位置调制体制，调制后的信号波形表达式如下：式中，aj为每8比特同步包或定位包数据转换成的一个符号，共有m种符号。p为超宽带窄脉冲信号，j为超宽带窄脉冲序号，ts表示超宽带窄脉冲周期，为200纳秒(即频率为5mhz)，脉宽为1纳秒。ε为偏移常量且ε＜＜ts，ajε为时间偏移量，超宽带窄脉冲的实时位置为(jts+ajε)，即对位置jts产生了偏移ajε，(ajε＜ts)。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，步骤1中，所述定位标签定时发射含有时间戳的定位包信号以标定定位基站接收信号的相对到达时间。定位包共计10个字节(80比特)，由包头(为固定字符串)、包类别、包序号、定位标签id、定位时间戳和校验等字段组成。定位包结构如下：包头包类别包序号定位标签id定位时间戳校验8比特2比特16比特16比特32比特6比特定位包中的每个字段说明如下：(1)包头占8比特，用于定位基站接收时实现定位包的比特同步；(2)包类别占2比特，用于区分定位基站收到的是定位包还是同步包，等于“01”时表示此时接收到的为定位包；(3)包序号占16比特。定位标签上电后，包序号从0开始计数，由于每62.5毫秒发射一次定位包数据，故每62.5毫秒包序号计数值增加1，溢出后复位归零并重新计数；(4)标签id字段占16比特，用于区分不同的定位标签，即最多可允许接入65536(即216)个定位标签；(5)定位时间戳是一个32比特的计数器，每秒复位一次，即上电后从0开始计数，当计数满232-1时清零并重新计数。故时间分辨率为2-32秒(约为0.23纳秒，对应的无线信号传播距离约为6.98厘米)；(6)校验字段占6比特，采用奇偶校验算法对定位包前74比特进行奇偶校验。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，所述步骤1具体包括：步骤1a：分别产生定位包的包头、包类别、包序号、定位标签id、定位时间戳；步骤1b：根据步骤1a的结果生成奇偶校验比特，并组成定位包；步骤1c：比特——符号转换。即将步骤1b的定位包二进制数据按照每8比特转换成一个符号值aj；步骤1d：根据符号值aj计算对应的超宽带窄脉冲位置偏移量ajε，送给延时器；步骤1e：产生脉宽为1纳秒、周期为200纳秒的超宽带窄脉冲信号，送入延时器；步骤1f：延时器根据步骤1d得到的位置偏移量，调整超宽带窄脉冲的位置为(jts+ajε)，完成ppm调制；步骤1g：脉冲成形模块，是一个带通滤波器，对超宽带窄脉冲整形，防止符号间干扰。经脉冲成形模块处理后输出超宽带窄脉冲信号。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，步骤2中，所述同步标签定时发射同步包信号以精确标定定位基站的钟差。为保证实时标定定位基站的钟差，将同步标签的发射频次设置为与定位标签的发射频次相同。同步包结构与定位包结构类似，共计8个字节(64比特)，由包头(为固定字符串)、包类别、包序号、同步时间戳和校验等字段组成。其核心字段是同步时间戳，同步时间戳也是一个32比特的计数器。由于每个逆定位系统只需要一个同步标签，故同步包结构中没有同步标签id字段，同步包结构如下：包头包类别包序号同步时间戳校验8比特2比特16比特32比特6比特同步包中的每个字段说明如下：(1)包头占8比特，用于定位基站接收时实现同步包的比特同步；(2)包类别占2比特，用于区分是定位基站收到的是定位包还是同步包，等于“00”时为同步包；(3)包序号占16比特。同步标签上电后，包序号从0开始计数，由于每62.5毫秒发射一次同步包数据，故每62.5毫秒包序号计数值增加1，溢出后复位归零并重新计数；(4)同步时间戳是一个32比特的计数器，每秒复位一次，即上电后从0开始计数，当计数满232-1时清零并重新计数；(5)校验字段占6比特，采用奇偶校验算法对定位包前58比特进行奇偶校验。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，所述步骤2具体包括：步骤2a：放置在位置固定已知的定位基站b1上的同步标签至各个定位基站的距离为固定值，可精确计算得到，并换算成时间量δts,i。式中：xi,yi,zi是定位基站i的坐标；x1,y1,z1是同步标签的坐标，等于定位基站b1的坐标；，c为光速，下标s表示同步标签；步骤2b：同步标签定时发射调制有同步包基带数据的超宽带窄脉冲信号；步骤2c：标定定位基站的钟差。理论上讲，当各定位基站同步(即没有钟差)时，各定位基站在时刻ti接收到同一个同步包，从其同步时间戳解析出的时间信息中只包含δts,i。但实际的定位基站存在钟差τi,s，故定位引擎在接收定位基站转发的同步包后解析出的时间信息中还包含定位基站的钟差τi,s。若不考虑硬件延迟误差、多路径误差和时钟漂移，则可标定出定位基站的钟差：τi,s＝ti-δts,i。这里的ti为定位基站i接收同一个同步包的时刻；步骤2d：对定位包中的定位标签到定位引擎的走时进行钟差τi,s补偿后，消除了定位基站的钟差误差。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，所述步骤3中，定位基站接收超宽带窄脉冲无线信号后，为通过网络交换机将数据报转发到定位引擎，需要在udp数据报的首部添加事先给定位基站分配的源ip地址、目的地ip地址、定位基站分别接收同步包和定位包的接收时刻ts,i、tl,i值，再将同步包和定位包封装到数据报中。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，所述步骤3具体包括：步骤3a：给每个定位基站i分配源ip地址，并在数据报报头分配好目的ip地址，即定位引擎ip地址；步骤3b：从定位基站提取出定位基站分别接收同步包的时刻ts,i和接收定位包的时刻tl,i；步骤3c：从定位基站提取出同步标签和定位标签发送的同步包和定位包；步骤3d：将源ip地址、目的ip地址、接收同步包和定位包的时刻及同步包和定位包等数据封装到数据报中。数据报格式和各个字段含义如下：源ip地址目的ip地址ts,i同步包tl,i定位包校验和4字节4字节10字节8字节10字节10字节2字节(1)源ip地址和目的ip地址各占4字节；(2)定位基站分别接收同步包的时刻ts,i值和接收定位包的时刻tl,i值各占10字节，包括年、月、日、时、分、秒。秒的值共占用3个字节，其整数部分占1个字节，小数部分占2个字节。由于室内定位的tdoa值绝大多数小于1km等效距离，所以在实际计算定位基站钟差时只用秒的实数值，而年月日等为辅助信息；(3)同步包占8字节，定位包占10字节；(4)校验和字段占2个字节。步骤3e：将数据报转发到定位引擎。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，所述步骤4具体包括：步骤4a：解析数据报得到同步包数据，按照步骤2计算各定位基站的钟差；步骤4b：解析数据报得到定位包数据，以定位基站b1为基准，计算定位标签到各定位基站的到达时间与到达定位基站b1的时间差tdoa；步骤4c：对tdoa做定位基站钟差和硬件延迟补偿，形成双曲线方程组；步骤4d：观测值权值的确定。由于定位标签信号到各定位基站走时误差的方差未知，各定位基站的时钟漂移也不相等，故需合理确定双曲线方程组观测值的权值来对其进行调节。本发明取定位标签l到达定位基站i的走时δti平方的倒数作为解算时各tdoa测量值的权值。对于互不相关的观测值，有权阵w：w＝diag(w1w2…wi)(4)式中，diag()表示对角阵，wi＝1/(δti)2。由于tdoa求解定位标签位置的算法是个迭代过程，故权wi也需动态更新。步骤4e：代入各定位基站的坐标值，用加权最小二乘法(weightedleastsquares，wls)解算双曲线定位方程组，得到定位标签在当地水平坐标系下的位置信息。本发明的有益效果本发明提出了一种基于逆定位原理的室内定位方法。该方法中的标签和定位基站均采用单向信号传输模式，定位标签和同步标签只发送、不接收信号，而定位基站只接收信号、不发射信号。标签和定位基站无需载波和复杂的射频调制解调模块。与传统的正定位技术相比，本发明提出的室内定位方法能有效降低移动端定位标签的硬件成本和计算开销；采用tdoa方法回避了toa的绝对时间测量对时间同步的严苛要求，降低了时间同步实现的复杂度；通过精确测量定位基站的钟差，提高了室内定位精度。本发明所述方案需要的步骤和模块较少，成本低且易于实现。在工业制造、机器人、养老院、监狱、仓库、商场等行业的室内定位应用环境中具有较大优势。附图说明图1为实施本发明的系统示意图；图2为本发明的流程图；图3为本发明步骤1的原理框图；图4为本发明步骤1的流程图；图5为本发明步骤2的流程图；图6为本发明步骤3的流程图；图7为本发明步骤4的流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明做详细描述。实施例本发明公开了一种基于逆定位原理的室内定位方法，图1给出了本发明的一种具体实施例。该具体实施例由以下几个单元模块组成：(1)、一个同步标签s；(2)、一个定位标签l；(3)、四个定位基站b1、b2、b3、b4；(4)、交换机；(5)、定位引擎；(6)、线缆。如图1所示，该具体实施例采用单向传输信号模式，即同步标签和定位标签定时向四个定位基站发射超宽带窄脉冲无线信号。定位基站与交换机之间、交换机和定位引擎之间均通过线缆连接。定位基站接收超宽带窄脉冲无线信号后，基于用户数据报协议将接收的同步包和定位包封装到数据报中，通过交换机将数据报转发到定位引擎。定位引擎完成对定位包和同步包的数据解析，形成定位标签到达各定位基站的到达时间差后，解算tdoa双曲线方程，得到定位标签的空间位置。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，步骤1中，产生调制有定位包的超宽带窄脉冲信号的流程包括：步骤1a：分别产生包头、包类别、16比特的包序号、16比特的定位标签id，32比特的定位时间戳；步骤1b：根据步骤1a的结果产生奇偶校验位，并组成定位包；步骤1c：比特——符号转换。即将步骤1b的二进制数据按照每8比特转换成一个符号值aj；步骤1d：根据符号值aj计算对应的超宽带窄脉冲位置偏移量ajε，送给延时器；步骤1e：产生脉宽为1纳秒、周期为200纳秒的超宽带窄脉冲信号，送入延时器；步骤1f：延时器根据步骤1d计算得到的位置偏移量ajε，调整超宽带窄脉冲的位置，完成ppm调制；步骤1g：脉冲成形模块是一个带通滤波器，是对超宽带窄脉冲整形，防止符号间干扰。经脉冲成形模块处理后输出超宽带窄脉冲信号。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，步骤2中，定位基站钟差的标定的算法过程如下：步骤2a：放置在位置固定已知的定位基站b1上的同步标签至各个定位基站的距离为固定值，可精确计算得到，并换算成时间量δts,i：式中：xi,yi,zi是定位基站i的坐标；x1,y1,z1是同步标签的坐标，等于定位基站b1的坐标；δ表示信号的传播的时间，c为光速，下标s表示同步标签；定位引擎接收同步包后解析得到的同步标签s到各定位基站i的走时δti,s为实际测量值，可表示为：式中，ρi,s为定位基站i与同步标签s之间的几何距离差，ρi,s＝c·δts,i，τs,i为同步标签s在其发射信号时刻的钟差，τi,s为定位基站i在其接收到同步标签s信号时刻的钟差。τl,i为各定位基站到定位引擎的传播时延，根据图1，τl,i可表示为：其中li为定位基站i到定位引擎的线缆长度，可事先精确标定为已知值；c为光速，εi为定位基站的硬件延迟。步骤2b：同步标签定时发射调制有同步包基带数据的超宽带窄脉冲信号；步骤2c：标定定位基站的钟差τi,s。理论上讲，当各定位基站同步(即没有钟差)时，各定位基站在时刻ti接收到同一个同步包时，从其同步时间戳解析出的时间信息中只包含δts,i；但实际的定位基站存在钟差τi,s，故定位引擎在接收定位基站转发的同步包后解析出的时间信息中还包含定位基站的钟差τi,s。若不考虑硬件延迟误差、多路径误差和时钟漂移，则可标定出定位基站的钟差：τi,s＝ti-δts,i。式中，ti为定位基站i接收同一个同步包的时刻；下面具体分析τi,s的求解方法。先分析同步标签s到两个定位基站1、2的信号走时之差：δt(2-1),s值实际为两个定位基站1、2接收同步标签s同一个时间戳的历元之差，为观测值。(τ2,s-τ1,s)为定位基站1、2在接收同步标签s信号时的钟差的差。本发明中并没有额外提供一个时钟来保证各个定位基站的同步，而是通过精确标定(τ2,s-τ1,s)来实现的。(τs,2-τs,1)表示同步标签s发射至不同定位基站1、2信号的发射时间间隔内的钟差漂移，因为δt(2-1),s的测量基准是同步包中同一时间戳，因此(τs,2-τs,1)＝0，故(7)可化简为δt(2-1),s＝(δts,2-δts,1)+(τl,2-τl,1)+(τ2,s-τ1,s)(8)将公式(6)代入公式(8)，可得：(9)中的ε2、ε1分别表示定位基站1、2的硬件延迟，对于同一型号的定位基站接收机，(ε2-ε1)产生的延迟很小(纳秒级)，可以将线缆传播延迟和硬件延迟看作常量，因此可以把硬件延迟项合并到线缆延迟项中，则(9)化简整理后得：(10)式等号右边第一项δt(2-1),s为已知观测量；第二项(δts,2-δts,1)表示定位基站1、2与同步标签s之间的几何延迟之差，可事先计算得到，为已知量；第三项为定位基站1、2到定位引擎的线缆延迟和硬件延迟之差，可事先标定，也是已知量，故可根据(10)式精确标定定位基站钟差(τ2,s-τ1,s)。步骤2d：对定位包中的定位标签到定位引擎的走时进行钟差之差(τi,s-τ1,s)补偿后，消除了定位基站的钟差误差对定位标签信号传输时间测量值的影响。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，所述步骤3中，定位基站接收超宽带窄脉冲无线信号后，基于用户数据报协议将同步包和定位包封装到数据报中，通过线缆连接的网络交换机，将数据报转发到定位引擎。步骤3的具体流程如下：步骤3a：给每个定位基站i分配源ip地址，并在数据报报头分配好定位引擎地址(目的ip地址)；步骤3b：从定位基站提取出定位基站分别接收同步包和定位包的接收时刻ts,i、tl,i值；步骤3c：从定位基站提取出同步标签和定位标签发送的同步包和定位包；步骤3d：将源地址、目的地址、接收同步包和定位包的时刻及同步包和定位包数据封装到数据报中；步骤3e：将数据报转发到定位引擎。本发明所述一种基于逆定位原理的室内定位方法，所述步骤4具体包括：步骤4a：解析数据报得到同步包数据，按照步骤2计算各定位基站的钟差(τi,s-τ1,s)；步骤4b：解析数据报得到定位包数据，以定位基站b1为基准，计算定位标签到各定位基站的到达时间与定位标签到定位基站b1的到达时间之差tdoa。具体过程如下：定位标签l到定位基站i的空间几何距离为式中，(xi,yi,zi)为定位基站i的坐标，为已知值。(xl,yl,zl)为定位标签l的坐标，是待求解的参数。以定位基站b1的toa值为基准，定位基站i(i≠1)的toa值与基准做差运算，得到tdoa观测方程：式中，δti,l为定位标签l的信号到达定位基站i的走时测量值，(τi,s-τ1,s)为定位基站接收定位标签信号时的钟差之差，已在步骤2中精确标定。(τm,i-τm,1)为定位基站的多路径误差之差，(δτi-δτ1)为定位基站硬件延迟等误差之差，在步骤2中已被吸收在参数(τi,s-τ1,s)中，可省略之，则(12)式简化为步骤4c：对tdoa进行定位基站钟差和硬件延迟补偿，形成双曲线方程组；忽略多路径误差(τm,i-τm,1)，并对δt(i-1),l做钟差之差(τi,s-τ1,s)补偿后，δt(i-1),l更新为δt′(i-1),l：δt′(i-1),l≈δt(i-1),l-(τi,s-τ1,s)以tdoa观测方程为基础，形成的双曲线方程组为：上式中各参数及下标的定义同(11)式。步骤4d：观测值权值的确定。由于定位标签信号到各定位基站走时误差的方差未知，各定位基站的时钟漂移也不相等，故需合理确定双曲线方程组观测值的权值来对其进行调节。本发明取定位标签l到达定位基站i的走时δti平方的倒数作为解算时各tdoa测量值的权值。对于互不相关的观测值，有权阵w：w＝diag(w1w2…wi)(4)式中，diag()表示对角阵，wi＝1/(δti)2。由于tdoa求解定位标签位置的算法是个迭代过程，故权wi也需动态更新。步骤4e：代入各定位基站的坐标值，用加权最小二乘法(wls)解算tdoa双曲线定位方程组，得到定位标签在当地水平坐标系下的位置信息。tdoa双曲线算法是一种利用时间差值进行定位的方法。通过检测信号从定位标签到达两个定位基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定定位标签的位置。与测量到达时间的toa方法相比，tdoa方法不需要标签与定位基站时钟同步，仅需要定位基站间时钟同步即可。该算法利用四个不同的定位基站可得到三组tdoa，定位标签就位于由三组tdoa确定的双曲线的交点上，因此，解三组双曲线方程(13)即可得定位标签的位置。解法如下：令ri,1＝δt′i,1·c，xi,1＝xi-x1，yi,1＝yi-y1，zi,1＝zi-z1则(13)式整理为：上式等号左端各项均为已知量，等号右端的未知参数除了定位标签的三维坐标(xl,yl,zl)外，ρ1,l也是未知参数，故令将(14)式写成矩阵形式：φ＝ηx(15)考虑到步骤4d确定的权阵w，按照加权最小二乘法可求得未知参数x：x＝(ηtwη)-1ηtwφ(16)求出x后，就可得到定位标签的位置(xl,yl,zl)。当前第1页12