CN106932751B

CN106932751B - 一种高精度办公楼内手持终端的定位方法

Info

Publication number: CN106932751B
Application number: CN201710212762.1A
Authority: CN
Inventors: 宋耀莲; 张雅; 章凡; 李宇昊
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2017-04-01
Filing date: 2017-04-01
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2037-04-01
Also published as: CN106932751A

Abstract

本发明涉及一种高精度办公楼内手持终端的定位方法，属于办公楼内高精度目标定位技术领域。本发明主要包括：首先，针对wife设备在室内定位中存在覆盖范围有限、GPS定位在覆盖广度和深度上性能较差等问题，决定采用基于运营商无线通信基站设备对办公室内手持终端进行定位；然后，针对选用的基站定位设备，建立无线电信号的到达时间数据库；其次，对时间数据进行预处理等步骤。本发明为办公楼内未知目标的定位提供了一种合理、高精度、便捷的解决方案，不仅克服了当前主流定位技术覆盖广度和深度性能较差的问题，且进行数据预处理、最小二乘法和迭代检验等算法大幅度提高了办公楼内手持终端定位的精度。

Description

一种高精度办公楼内手持终端的定位方法

技术领域

本发明涉及一种高精度办公室内手持终端的定位方法，属于办公楼内高精度目标定位技术领域。

背景技术

在当下，随着无线通信网络和移动互联网的蓬勃发展，提供基于地理位置信息的服务已经成为最具市场前景和发展潜力的业务之一。然而，诸如室内、地下、高楼林立的市区等诸多场景中，GPS的定位性能较差，在覆盖广度和深度方面存在劣势。虽然说目前从事室内定位和导航服务的方法，大多基于办公楼内密集分布的wife设备与手机之间的通信方式，但wife设备的覆盖范围有限，并且wife设备收发信号所在的频段容易受到干扰。与上述相对的是，使用基于运营商无线基站的方式对手机进行定位，则可避免上述问题。

但是目前尚未有过针对无线通信基站的公办楼内高精度手持终端定位的方法，这也必将影响到手持终端信息数据的全面性和完整性。

发明内容

本发明提供了一种高精度办公室内手持终端的定位方法，不仅克服了当前主流定位技术覆盖广度和深度性能较差的问题，且进行数据预处理、最小二乘法和迭代检验等算法大幅度提高了办公室内手持终端定位的精度。

本发明采用的技术方案是：一种高精度办公楼内手持终端的定位方法，包括如下步骤：

Step1，基于运营商无线通信基站设备对办公楼内手持终端进行定位；

Step2，针对选用的基站定位设备，建立无线电信号从基站传到手持终端时间T及距离L的数据库；

Step3，针对时钟不同步、非视距传播因素对无线信号传播的影响，对时间数据进行预处理；

Step4，采用TDOA三维定位算法，得到关于手持终端位置坐标的集合Ω并采用最小二乘法筛选出手持终端的最优位置的解U_opt；

Step5，判断基站到最优解对应手持终端的距离是否在基站通过不同路线到达手持终端的所有传输信号传播距离的可取区间内，若超过可取区间范围则删除对应基站并对剩下的基站做定位算法的迭代，直到得到的手持终端的坐标合理。

具体地，所述的Step1具体包括：

基于运营商无线通信基站设备对办公楼内手持终端进行定位，基站坐标位置定义为BS(x_n,y_n,z_n),n＝1,2,...,N为基站数目，手持终端坐标定义为U(x₀,y₀,z₀)，其中x，y，z分别表示空间直角坐标系的x轴，y轴，z轴方向上分量。

具体地，所述的Step2具体包括：

通过记录无线电信号从手持终端发出到基站接收到信号为止的无线电信号传播时间T，将时间T乘以无线电信号的传播速度c，即可得到得到基站与手持终端之间沿某条路径的距离L。

具体地，所述的Step3具体包括：

针对基站与基站之间、基站与手持终端之间时钟不同步造成的时间差、非视距传播因素造成的时延，对实际测试到的时间数据进行预处理，预处理的目的是得到实际信号传播时间和传播距离真实值的区间值，信号从基站传到手持终端的时间定义为T，由于时钟不同步问题引起的误差为T_{_error}，由于NLOS造成的时延为T_{_delay}，实际测量得到的无线信号的到达时间是T_{_test}，无线信号到达时间的真实值为T_{_real}，具体如下：

时钟不同步时满足：(T_{_test}-T_{_error})≤T_{_real}≤(T_{_test}+T_{_error}) (1-1)

NLOS导致的时延满足：T_{_real}＝T_{_test}-T_{_delay} (1-2)

由上述两个关系式可得实际信号传播时间的区间值，即：

(T_{_test}-T_{_error}-T_{_delay})≤T_{_real}≤(T_{_test}+T_{_error}-T_{_delay}) (1-3)

信号在基站与手持终端之间传播的距离L与传播时间T又满足下面关系式：L＝Tc，其中c为无线电信号的传播速度，

则，信号传播距离L满足下面的不等式：

(T_{_test}-T_{_error}-T_{_delay})c≤L≤(T_{_test}+T_{_error}-T_{_delay})c (1-4)

具体地，所述的Step5具体包括：

Step5.1：迭代算法优化结果集：

Step5.1.1：计算手持终端最优解时的坐标到基站的距离为距离d_n，利用信号传播公式L＝Tc得到N个基站分别到手持终端间的信号传播距离L_n；

Step5.1.2：原则上通过Step3进行时间数据的预处理，可以得到第N个基站通过不同路线到达手持终端的所有传输的信号时间的可取区间，再与无线电信号的传播速度c乘积，即可得到第N个基站通过不同路线到达手持终端的所有传输的信号传播距离的可取区间为(L_min,L_max)；所以只有求出的d_n在可取区间内才合理；

Step5.1.3：判断d_n是否在可取区间(L_min,L_max)内；

Step5.1.4：若不在可取区间(L_min,L_max)内，则删除对应基站，并对剩余基站再次做定位算法TDOA迭代，直到所有的基站信息都在可取区间(L_min,L_max)内；

Step5.1.5：若所有的基站信息都满足不等式，则可取手持终端位置信息；

Step5.1.6：得到准确的手持终端在办公大楼中的位置信息U_{_user}(x₀,y₀,z₀)，其中x，y，z分别表示空间直角坐标系的x轴，y轴，z轴方向上分量。

本发明的有益效果是：

1、本发明专利选用基于无线基站对办公楼中手持终端定位的定位设备，克服了现有办公大楼中手持终端定位设备覆盖广度和深度的缺陷，能够准确的定位办公大楼中手持终端的位置。

2、本发明专利对得到的无线电信号的到达时间数据做预处理，得到了无线电信号在基站和手持终端间传输的时间和距离真实值的极限，提高了数据的准确性和可控性，同时对后期结果正确与否的判断提供了前提条件。

3、本发明专利在求解关于手持终端坐标的矩阵时运用最小二乘法筛选，可以有效提高得到结果的准确性。

4、本发明专利通过数据预处理过程产生的隐含条件判断结果的合理性，删除不满足条件的基站，并对剩余基站做迭代TDOA算法，这样迭代优化后地结果更接近于真实值。

附图说明

图1为本发明的实际情景示意图；

图2为本发明中的总体流程图；

图3为本发明的具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1：如图1-3所示，一种高精度办公楼内手持终端的定位方法，首先，针对wife设备在室内定位中存在覆盖范围有限、GPS定位在覆盖广度和深度上性能较差等问题，决定采用基于运营商无线通信基站设备对办公室内手持终端进行定位；然后，针对选用的基站定位设备，建立无线电信号的到达时间数据库；其次，针对时钟不同步、非视距传播等因素对无线信号传播的影响，对时间数据进行预处理；然后，再采用TDOA三维定位算法，得到关于手持终端位置坐标的集合并采用最小二乘法筛选出手持终端的最优位置的解；最后，判断基站到最优解对应手持终端的距离是否在基站通过不同路线到达手持终端的所有传输信号传播距离的可取区间内，若超过可取区间范围则删除对应基站并对剩下的基站做定位算法的迭代，直到得到的手持终端的坐标合理。

本发明所述方法的具体步骤为：

Step1：基于运营商无线通信基站设备对办公楼内手持终端进行定位：

目前办公楼内手持终端的定位方法大多基于办公楼内密集分布的wife设备与手机之间的通信方式，但是其覆盖范围有限、存在安全隐患；而部分采用GPS定位的方式则存在覆盖广度和深度上性能较差的缺点。所以本发明决定选用基于无线通信基站的设备来定位，本发明针对的是多个基站、一个手持终端的情况，一个手持终端随着其移动有多个位置坐标；

Step2：针对选用的基站定位设备，建立无线电信号从基站传到手持终端时间T及距离L的数据库：

通过记录无线电信号从手持终端发出到基站接收到信号为止的无线电信号传播时间T，将时间T乘以无线电信号的传播速度c，即可得到得到基站与手持终端之间沿某条路径的距离L。信号在基站与终端之间的传播时间，被称为无线电信号的到达时间(TimeOfArrival，简称TOA)。

Step3：针对时钟不同步、非视距传播因素对无线信号传播的影响，对时间数据进行预处理：

针对基站与基站之间、基站与手持终端之间时钟不同步造成的时间差、非视距传播因素造成的时延，对实际测试到的时间数据进行预处理，预处理的目的是得到实际信号传播时间和传播距离真实值的区间值，信号从基站传到手持终端的时间定义为T，由于时钟不同步问题引起的误差为T_{_error}，由于NLOS造成的时延为T_{_delay}，实际测量得到的无线信号的到达时间是T_{_test}，无线信号到达时间的真实值为T_-real，具体如下：

NLOS导致的时延满足：T_{_real}＝T_{_test}-T_{_delay} (1-2)

由上述两个关系式可得实际信号传播时间的区间值，即：

则，信号传播距离L满足下面的不等式：

Step4：采用TDOA三维定位算法，得到关于手持终端位置坐标的集合Ω并采用最小二乘法筛选出手持终端的最优位置的解U_opt：

采用经典的三维定位算法TDOA得到移动手持中端的位置坐标结果集Ω，选取最小二乘法，从结果集Ω中筛选出手持终端的最优解坐标U_opt。

Step5，判断基站到最优解对应手持终端的距离是否在基站通过不同路线到达手持终端的所有传输信号传播距离的可取区间，若超过可取区间范围则删除对应基站并对剩下的基站做定位算法的迭代，直到得到的手持终端的坐标合理：

Step5.1：迭代算法优化结果集：

Step5.1.1：计算手持终端最优解时的坐标到第N个基站的距离为距离d_n，利用信号传播公式L＝Tc得到N个基站分别到手持终端间的信号传播距离L_n；

Step5.1.3：判断d_n是否在可取区间(L_min,L_max)内；

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种高精度办公楼内手持终端的定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

Step2，针对选用的基站设备，建立无线电信号从基站传到手持终端时间T及距离L的数据库；

Step3，针对时钟不同步、非视距传播因素对无线电信号传播的影响，对时间数据进行预处理；

2.根据权利要求1所述的一种高精度办公楼内手持终端的定位方法，其特征在于：所述的Step1具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种高精度办公楼内手持终端的定位方法，其特征在于：所述的Step2具体包括：

通过记录无线电信号从基站发出到手持终端接收到信号为止的无线电信号传播时间T，将时间T乘以无线电信号的传播速度c，即可得到基站与手持终端之间沿某条路径的距离L。

4.根据权利要求1所述的一种高精度办公楼内手持终端的定位方法，其特征在于：所述的Step3具体包括：

时钟不同步时满足：(T_{_test}-T_-error)≤T_-real≤(T_-test+T_-error) (1-1)

NLOS导致的时延满足：T_-real＝T_-test-T_-delay (1-2)

由上述两个关系式可得实际信号传播时间的区间值，即：

(T_-test-T_-error-T_{_delay})≤T_{_real}≤(T_{_test}+T_{_error}-T_{_delay}) (1-3)

则，信号传播距离L满足下面的不等式：

(T_{_test}-T_{_error}-T_{_delay})c≤L≤(T_{_test}+T_{_error}-T_{_delay})_c (1-4)。

5.根据权利要求1所述的一种高精度办公楼内手持终端的定位方法，其特征在于：所述的Step5具体包括：

Step5.1：迭代算法优化结果集：

Step5.1.2：原则上通过Step3进行时间数据的预处理，可以得到第N个基站通过不同路线到达手持终端的所有传输的信号时间的可取区间，再与无线电信号的传播速度c乘积，即可得到第N个基站通过不同路线到达手持终端的所有传输信号传播距离的可取区间为(L_min,L_max)；所以只有求出的d_n在可取区间内才合理；

Step5.1.3：判断d_n是否在可取区间(L_min,L_max)内；

Step5.1.4：若不在可取区间(L_min,L_max)内，则删除对应基站，并对剩余基站再次做定位算法TDOA迭代，直到所有的距离d_n都在可取区间(L_min,L_max)内；

Step5.1.5：若所有的距离d_n都满足不等式，则可取手持终端位置信息；

Step5.1.6：得到准确的手持终端在办公大楼中的位置信息U_{_user}(x₀,y₀,z₀)，其中x，y，z分别表示空间直角坐标系的x轴，y轴，z轴

方向上分量。