CN106125040A - 提高toa无线定位***抵抗水分含量变化影响能力的方法 - Google Patents

提高toa无线定位***抵抗水分含量变化影响能力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的提高TOA无线定位***抵抗水分含量变化影响能力的方法，包括：读取基站坐标；读取目标周围所有基站识别到的目标T所发出的无线信号强度及之间的距离；选出三个信号质量最好的基站A、B、C及其坐标；计算根据由目标T发出的信号至基站A、B和C之间的距离和目标T到三个基站距离的比例，求得坐标点PB1、PB2，PA1、PA2，PC1、PC2及其至基站A的矢量距离AA1和AA2，并分别与AT进行比较，其中与AT相差较小者被标示为（x’ a，y’ a），同理可分别求出（x’ b，y’ b）和（x’ c，y’ c）；做三角形，并将此三角形三边中线的交点作为目标T的定位位置T‘。本发明减少了定位时基站计算与目标间的距离时由于空气中水分含量对无线信号传播速度造成的影响，提高了对目标的定位精度。

Description

提高TOA无线定位***抵抗水分含量变化影响能力的方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一直提高TOA无线定位***抵抗水分含量变化影响能力的方法。
背景技术
为了获取特定人员和物品的精确位置是十分重要的，目前该问题通常利用三点定位方法予以解决，即通过已知三个点的坐标，测得目标到三个点的距离或者角度，利用几何算法求得目标的位置坐标。三点定位中的测角方法需要昂贵的智能型的阵列天线***，因此在高精度定位的市场化中难以推广。所以三点定位中普遍使用测距方法。
测距一般有两种方法，即利用信号强度(RSS)方式或利用信号到达时间(TOA)方式。RSS方式有其固有缺点，如定位的精度比较低、覆盖的范围小、在恶劣环境下无法工作等等。而采用TOA技术可以克服这些缺点，其定位精度最大可小于1米。
TOA方法通过测量无线信号从目标至信号基站的传播时间，并乘以无线信号的传播速度得到基站距目标的距离。该方式具有精度高、基站的覆盖范围大、适于抗恶劣环境等优点。该方法中的硬件由定位***由服务器、基站和标识卡等部件组成。由于在平面定位中，至少要有三个基站，因此本方法中需要三个或三个以上的基站。基站的坐标是已知并固定的，即三点定位中的三个点，也称锚点。标识卡固定在待定位的目标上。服务器的功能包括完成后台的设备管理、显示地图、根据标识卡到多个基站的距离计算出标识卡的位置坐标并显示在地图上等等。
如图1所示，在理想条件下，分别以三个基站A、B和C为圆心，以每个基站测得的与目标间的距离为半径(AT、BT和CT)做圆，所相交的点即为目标坐标。但是由于空气中存在的水分会使无线信号在空气中传播的速度发生改变，较标准条件下测定的传播速度快或慢，造成基站实际测得的与目标之间的距离变大或者变小，使得三个圆相交部分不为一点。如图2所示，在实际应用中，一般分别以A、B和C三个基站的坐标作为圆心以所测得的AT、BT和CT作为半径做圆，求得三个圆的6个交点位置。由于目标T的位置应在A、B和C三个基站所围成的三角形内部，据此可以确定符合要求的三个交点(C1、C2和C3)。将此三个交点作为顶点做三角形，将该三角形的中心C作为目标的位置T’。从图中可以看出，空气中水分的影响降低了三点定位方法的精度。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明的提高TOA无线定位***抵抗水分含量变化影响能力的方法，减少了定位时基站计算与目标间的距离时由于空气中水分含量对无线信号传播速度造成的影响，提高了对目标的定位精度。
技术方案：本发明所述提其特征在于，包括如下步骤：
(1)读取基站坐标；
(2)读取目标T周围所有基站识别到的目标T所发出的无线信号强度及之间的距离，；
(3)根据信号强度的大小选出三个信号质量最好的基站A、B、C及其坐标(xa，ya)、(xb，yb)和(xc，yc)；
(4)根据信号到达基站时间与无线电波在空气中传播的速度，分别计算根据由目标T发出的信号至基站A、B和C之间的距离AT、BT和CT；
(5)计算目标T到三个基站距离的比例βab＝AT/BT、βca＝CT/AT和βbc＝BT/CT；
(6)列出二次方程组：
β2 ab＝AT2/BT2＝(x-xa)2+(y-ya)2/(x-xb)2+(y-yb)2 (1)；
β2 ca＝CT2/AT2＝(x-xc)2+(y-yc)2/(x-xa)2+(y-ya)2 (2)；
β2 bc＝BT2/CT2＝(x-xb)2+(y-yb)2/(x-xc)2+(y-yc)2 (3)；
利用式(1)和(3)求得两个坐标点PB1(xb1，yb1)、PB2(xb2，yb2)，通过式(1)和(2)获得PA1(xa1，ya1)、PA2(xa2，ya2)，通过式(2)和(3)获得PC1(xc1，yc1)、PC2(xc2，yc2)；
(7)求得步骤(6)中(xa1，ya1)、(xa2，ya2)至基站A的矢量距离AA1和AA2，并分别与AT进行比较，其中与AT相差较小者被标示为(x’a，y’a)，同理可分别求出(x’b，y’b)和(x’c，y’c)；
(8)利用步骤(7)中(x’a，y’a)、(x’b，y’b)和(x’c，y’c)三点做三角形，并将此三角形三边中线的交点作为目标T的定位位置T‘。
进一步地，所述步骤(2)中接收到目标T所发出的无线信号基站至少为3个，若小于3个，则放弃此次定位。
进一步地，所述步骤(8)所得三角形的外接圆覆盖范围被视为目标T位置的误差范围。
本方面还提供了用于实现上述方法的TOA无线定位***，包括至少3个基站、定位设备和目标识别卡，基站接收目标识别卡发出的无线信号并传输至定位设备，定位设备包括交直流转换模块、直流供电模块、开关及复位模块、处理器、网络传输模块、防水分干扰算法模块、数据存储模块、设备显示模块，流电经交直流转换模块、直流供电模块后与处理器相连为其供电，开关及复位模块连接在直流供电模块与处理器之间用于控制处理器的复位，网络传输模块接收基站发出的无线信号并通过处理器分配至防水风干扰算法模块进行处理，防水分干扰算法模块采用DSP高速运算芯片，处理结果存入数据存储模块并通过设备显示模块进行显示。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点：由于本发明中所描述方法在基于到达时间的无线定位***进行目标定位时，并不直接使用基站所测得的与目标间的距离，而使用两基站测得与目标间距离之比和已知的基站间的距离作为定位的依据，该方法减少了定位时基站计算与目标间的距离时由于空气中水分含量对无线信号传播速度造成的影响，提高了对目标的定位精度。
附图说明
图1是三点定位原理以及收到空气水分影响后的误差示意图。
图2是三点定位方法中对空气水分影响的处理方法示意图。
图3是设备现场布置网络拓扑图。
图4为定位设备从现场基站提取目标位置信息的设备及过程示意图。
图5为定位设备内部结构功能简图
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明。
实施例1：以一具体实施例说明本方法的实际使用。
测试当天湿度为80％，测试环境为一高层建筑室内施工现场，现场面积645平方米。
(1)在需定位的场地周围，布置7台基站和1台服务器，读取基站坐标；
(2)当目标T进入定位范围内，对目标所携带的信号发射装置所发出的信号进行接收测试，选择信号强度最佳的三台基站用于定位，
(3)根据信号强度的大小选出三个信号质量最好的基站A、B、C及其坐标(xa，ya)、(xb，yb)和(xc，yc)；
(4)根据信号到达基站时间与无线电波在空气中传播的速度，分别计算根据由目标T发出的信号至基站A、B和C之间的距离AT、BT和CT；
(5)计算目标T到三个基站距离的比例βab＝AT/BT、βca＝CT/AT和βbc＝BT/CT；
(6)列出二次方程组：
β2 ab＝AT2/BT2＝(x-xa)2+(y-ya)2/(x-xb)2+(y-yb)2 (1)；
β2 ca＝CT2/AT2＝(x-xc)2+(y-yc)2/(x-xa)2+(y-ya)2 (2)；
β2 bc＝BT2/CT2＝(x-xb)2+(y-yb)2/(x-xc)2+(y-yc)2 (3)；
利用式(1)和(3)求得两个坐标点PB1(xb1，yb1)、PB2(xb2，yb2)，通过式(1)和(2)获得PA1(xa1，ya1)、PA2(xa2，ya2)，通过式(2)和(3)获得PC1(xc1，yc1)、PC2(xc2，yc2)；
(7)求得步骤(6)中(xa1，ya1)、(xa2，ya2)至基站A的矢量距离AA1和AA2，并分别与AT进行比较，其中与AT相差较小者被标示为(x’a，y’a)，同理可分别求出(x’b，y’b)和(x’c，y’c)；
(8)利用步骤(7)中(x’a，y’a)、(x’b，y’b)和(x’c，y’c)三点做三角形，并将此三角形三边中线的交点作为目标T的定位位置T‘。
当目标T位于坐标(50,50)时对其进行定位，首先使用一般方法对目标T进行定位计算，可以得到定位目标T1的坐标为(55,54)；然后使用本发明方法对目标进行定位计算：先从设置的7台基站中选出信号强度最好的三个基站，它们的位置分别是A(20,70)、B(30,20)、C(70,100)，此时可以得到基站测得的目标T与它们的距离为AT＝39.48、BT＝39.89和CT＝55.96。通过以上数据，得到βab＝0.989、βca＝1.417和βbc＝0.713。利用式(1)和(3)求得两个坐标点PB1(-109.42954，22.20152)、PB2(51.69617，50.63546)，通过式(1)和(2)获得PA1(-109.42367，22.20235)、PA2(51.69575，50.63537)，通过式(2)和(3)获得PC1(-109.42474，22.20706)、PC2(51.69571，50.63571)。从数据中可以发现，利用距离的比值作为已知量对方程进行求解，可以排除目标和基站之间距离绝对值大小对计算结果的影响，无论目标值距离某一基站的距离多少，最终得出的结果均相差不多，即排除了水分对测距结果的影响。前述步骤7)能够得到以PB2、PA2和PC2为顶点的三角形，并找到其中点坐标为T‘,即用本文所述方法得到的目标点位置T2(51.69588，50.63551)。这可将目标点的位置T锁定在一个较小的范围内，虽然不能百分之百正确确定目标位置，但是其偏差已经得到了有效的缩小。通过比较可知，由本发明所述方法测得目标T2位置距目标T的真实位置(50,50)的矢量距离比一般方法减少了约38.2，说明定位精度提高；分别计算两种定位方法所得到的步骤8)所述三角形的外接圆，发现本发明所述方法的外接圆面积小于一般方法所得到外接圆面积。说明本发明方法的定位误差要优于一般定位方法。
由实施例可以得到，本发明所述定位方法简单、实用，且不需要额外的计算机及硬件资源支持，在湿度达到80％时，利用原有定位设备所得到的数据，能够提高定位的精度，并减小定位误差。
本设备的网络拓扑图如图3所示，其中关键设备无线网桥性能应达到以下要求：
1)工作电压：交流220V；
2)工作电流：160mA；
3)通信距离：CAN总线10千米，无线通信距离1200米；
4)通信速率：125Kbps；
5)环境大气压80kPa～110kPa；
6)环境温度-20℃～+70℃；
7)周围空气相对湿度不大于95％(25℃时)；
8)在无破坏绝缘的气体和蒸气的环境；
9)在无滴水的地方。
定位基站应达到以下要求：
1)工作电压：交流220V；
2)工作电流：160mA；
3)通信距离：CAN总线10千米，无线通信距离1200米；
4)通信速率：125Kbps；
5)环境大气压80kPa～110kPa；
6)环境温度-20℃～+70℃；
7)周围空气相对湿度不大于95％(25℃时)；
8)在无破坏绝缘的气体和蒸气的环境；
9)在无滴水的地方。
如图4、图5所示的TOA无线定位***，包括7个基站、定位设备、目标识别卡，基站接收目标识别卡发出的无线信号并传输至定位设备；定位设备包括交直流转换模块、直流供电模块、开关及复位模块、处理器、网络传输模块、防水分干扰算法模块、数据存储模块、设备显示模块，流电经交直流转换模块、直流供电模块后与处理器相连为其供电，开关及复位模块连接在直流供电模块与处理器之间用于控制处理器的复位，网络传输模块接收基站发出的无线信号并通过处理器分配至防水风干扰算法模块进行处理，防水分干扰算法模块采用DSP高速运算芯片，处理结果存入数据存储模块并通过设备显示模块进行显示。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (4)

1.提高TOA无线定位***抵抗水分含量变化影响能力的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)读取基站坐标；
(2)读取目标T周围所有基站识别到的目标T所发出的无线信号强度及之间的距离；
(3)根据信号强度的大小选出三个信号质量最好的基站A、B、C及其坐标(xa，ya)、(xb，yb)和(xc，yc)；
(4)根据信号到达基站时间与无线电波在空气中传播的速度，分别计算根据由目标T发出的信号至基站A、B和C之间的距离AT、BT和CT；
(5)计算目标T到三个基站距离的比例βab＝AT/BT、βca＝CT/AT和βbc＝BT/CT；
(6)列出二次方程组：
β2 ab＝AT2/BT2＝(x-xa)2+(y-ya)2/(x-xb)2+(y-yb)2 (1)；
β2 ca＝CT2/AT2＝(x-xc)2+(y-yc)2/(x-xa)2+(y-ya)2 (2)；
β2 bc＝BT2/CT2＝(x-xb)2+(y-yb)2/(x-xc)2+(y-yc)2 (3)；
利用式(1)和(3)求得两个坐标点PB1(xb1，yb1)、PB2(xb2，yb2)，通过式(1)和(2)获得PA1(xa1，ya1)、PA2(xa2，ya2)，通过式(2)和(3)获得PC1(xc1，yc1)、PC2(xc2，yc2)；
(7)求得步骤(6)中(xa1，ya1)、(xa2，ya2)至基站A的矢量距离AA1和AA2，并分别与AT进行比较，其中与AT相差较小者被标示为(x’a，y’a)，同理可分别求出(x’b，y’b)和(x’c，y’c)；
(8)利用步骤(7)中(x’a，y’a)、(x’b，y’b)和(x’c，y’c)三点做三角形，并将此三角形三边中线的交点作为目标T的定位位置T‘。
2.根据权利要求1所述的提高TOA无线定位***抵抗水分含量变化影响能力的方法，其特征在于：所述步骤(2)中接收到目标T所发出的无线信号基站至少为3个，若小于3个，则放弃此次定位。
3.根据权利要求1所述的提高TOA无线定位***抵抗水分含量变化影响能力的方法，其特征在于：所述步骤(8)所得三角形的外接圆覆盖范围被视为目标T位置的误差范围。
4.一种实现权利要求1至3任一所述方法的TOA无线定位***，其特征在于：包括至少3个基站、定位设备和目标识别卡，基站接收目标识别卡发出的无线信号并传输至定位设备，定位设备包括交直流转换模块、直流供电模块、开关及复位模块、处理器、网络传输模块、防水分干扰算法模块、数据存储模块、设备显示模块，流电经交直流转换模块、直流供电模块后与处理器相连为其供电，开关及复位模块连接在直流供电模块与处理器之间用于控制处理器的复位，网络传输模块接收基站发出的无线信号并通过处理器分配至防水风干扰算法模块进行处理，防水分干扰算法模块采用DSP高速运算芯片，处理结果存入数据存储模块并通过设备显示模块进行显示。
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CB02 Change of applicant information

Address after: 100000 1001, 10 block, block B, Zhongjian building, 15 Three Li He road, Haidian District, Beijing.

Applicant after: Zhongjian Electronic Information Technology Co., Ltd.

Applicant after: China State Construction Corp.

Applicant after: China Construction Industrial Equipment Installation Co., Ltd.

Address before: 100000 1001, 10 block, block B, Zhongjian building, 15 Three Li He road, Haidian District, Beijing.

Applicant before: Built in Electronic Engineering Co. Ltd.

Applicant before: China State Construction Corp.

Applicant before: China Construction Industrial Equipment Installation Co., Ltd.

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: 100000, room 10, building 1001, block 15, Zhongjian building, No. three Li River Road, Beijing, Haidian District,

Co-patentee after: CHINA STATE CONSTRUCTION ENGINEERING CORPORATION Ltd.

Patentee after: Zhongjian Electronic Information Technology Co.,Ltd.

Co-patentee after: CHINA CONSTRUCTION INDUSTRIAL & ENERGY ENGINEERING GROUP Co.,Ltd.

Address before: 100000, room 10, building 1001, block 15, Zhongjian building, No. three Li River Road, Beijing, Haidian District,

Co-patentee before: CHINA STATE CONSTRUCTION ENGINEERING CORPORATION Ltd.

Patentee before: Zhongjian Electronic Information Technology Co.,Ltd.

Co-patentee before: CCEED INDUSTRIAL EQUIPMENT INSTALLATION Co.,Ltd.