CN107037402A - 一种基于uwb测距的室内非视距环境下的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了位置的服务技术领域的一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法，该基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法的具体步骤如下：S1：布设各信标节点；S2：搜寻待测目标；S3：接受脉冲信号；S4：信道统计特征提取；S5：发送数据到服务器；S6：估计位置坐标；S7：终端显示器显示，本发明通过提取UWB信号传播信道统计特征，利用常用的支持向量机分类器实现非视距信号识别，从而在定位阶段消除非视距信号带来的测距误差，在室内严重遮挡复杂环境下的精确定位具有很大的优势。

Description

一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法

技术领域

本发明涉及位置的服务技术领域，具体为一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法。

背景技术

随着人们活动的室内空间越来越庞大和复杂，室内基于位置的定位服务的需求越来越明显。比如，在大型的购物广场，人们能够快速找到所需的商品；在医院，管理人员能够对医院的医疗设备及病人进行实时准确的定位；在火灾等救援现场，指挥人员对室内消防员位置的确定等。众所周知，GPS(全球导航卫星***)卫星信号在遮挡严重时会导致部分或全部定位功能丧失，并且很容易受到多路径环境的干扰，因此在室内环境下利用GPS很难实现定位。在市场庞大的需求推动下，迫切构建与室内环境相符合的室内定位*** (IndoorPosition System，IPS)成为了众多科技工作者关注的焦点。

UWB技术是无线通信领域的一个重要发展方向，已成为国内外热点研究的内容之一。 UWB运用于短距离室内定位时，其高的定位精度、强的穿透能力、抗多径、低的发射功率，成为其与其他室内定位技术的明显优势。然而，与宽阔的室外环境相比，室内的无线信道环境要复杂的多，信号在传播过程中会受到墙壁、家具、地面等障碍物的阻挡或反射，引起非视距(Non-Line-of-Sight，NLOS)现象。这种情况下，信号会在传播途中发生超量延迟，使得测距带有正向偏差，使得定位精度严重影响，所以在室内非视距环境下的高精度定位成为急需解决的难题。为此，我们提出了一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法投入使用，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法，该基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法的具体步骤如下：

S1：布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；将各信标坐标输入服务器，并将服务器与信标节点通过局域网相连；

S2：各信标节点响应步骤S1中服务器下达的定位指令，发射脉冲信号，搜寻待测目标；

S3：待测目标接收到步骤S2中由各信标节点发送的脉冲信号，立即反射该信号回发送节点；

S4：各信标节点接收到步骤S3中由待测目标反射回来的脉冲信号，使用与发射脉冲相同的模板信号，进而进行相关解调，进行信号时延估计得到信标节点与待测目标之间的距离量测，并进行信道统计特征提取；

S5：各信标节点利用步骤S1的局域网，将步骤S4中得到的距离量测、脉冲信号信道统计特征等数据发送到服务器；

S6：服务器接收步骤S5中的各信标节点发送的脉冲信道统计特征，进行非视距识别，在识别基础上，利用各信标的距离量测和各信标的位置坐标，通过定位算法，估计出待测目标在相对位置坐标系中的位置坐标；

S7：将步骤S6中得到的估计位置显示在终端显示器上，从而实现室内非视距环境下的目标定位。

优选的，所述步骤S1中，所述信标节点包括UWB探测器和无线通信模块，所述UWB探测器用于调制、发射、接收、解调脉冲信号，并且提取信号信道统计特征；所述局域网由路由器建立，为信标节点可以支持的无线通信协议；所述待测目标包括一个有源射频标签，可以将接收到的脉冲信号进行放大反射；所述服务器用于发起目标定位指令，下达到各个信标节点进行目标探测。

优选的，所述步骤S4中，信号信道统计特征提取具体为：信标节点接收到反射信号r(t)，提取接收信号总能量ε_r、平均附加时延τ_med、均方根时延τ_rms、峰度k、偏度s等信道统计特征，其中各个特征的计算公式分别为：

其中

其中

优选的，所述步骤S6中，在服务器上，利用信号信道统计特征通过支持向量机分类器，识别分类脉冲信号是否为非视距传输，将识别为视距传输的信号用于定位估计，而将识别为非视距传输的信标丢弃不参与定位估计过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过提取UWB信号传播信道统计特征，利用常用的支持向量机分类器实现非视距信号识别，从而在定位阶段消除非视距信号带来的测距误差，在室内严重遮挡复杂环境下的精确定位具有很大的优势。

附图说明

图1为本发明空间布局图；

图2为本发明***架构图；

图3为本发明非视距识别流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法，该基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法的具体步骤如下：

S1：如图1所示，布设各信标节点(图1所示的定位***中包含有5个信标)，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；将各信标坐标输入服务器，并将服务器与信标节点通过局域网相连；所述信标节点包括UWB探测器和无线通信模块，所述UWB探测器用于调制、发射、接收、解调脉冲信号，并且提取信号信道统计特征；所述局域网由路由器建立，为信标节点可以支持的无线通信协议；所述待测目标包括一个有源射频标签，可以将接收到的脉冲信号进行放大反射；所述服务器用于发起目标定位指令，下达到各个信标节点进行目标探测；

S2：各信标节点响应步骤S1中服务器下达的定位指令，发射脉冲信号，搜寻待测目标；

如图2所示，信标节点包括脉冲生成器、发射天线、接收天线、解调相关器和信道特征提取运算模块。当信标节点收到服务器下达的定位指令后，经由脉冲生成器，将基带信号调制到载波上，通过发射天线发送出去；

S3：待测目标接收到步骤S2中由各信标节点发送的脉冲信号，立即反射该信号回发送节点；

如图2所示，待测目标携带一个有源射频标签，可以将接收到的脉冲信号进行放大，并反射出去；

S4：各信标节点接收到步骤S3中由待测目标反射回来的脉冲信号，使用与发射脉冲相同的模板信号，进而进行相关解调，进行信号时延估计得到信标节点与待测目标之间的距离量测，并进行信道统计特征提取；

如图3所示，信标节点接收到经由待测目标反射的射频信号，进行相关解调，获取信号时延，若信标A在t₀时刻发送信号给待测目标，待测目标接收后进行反射，在t₁时刻A 收到回送信号，由于目标接收到发射时间为t′，c为电磁波传播速度，则信标A与目标间的距离为信标节点接收到回送信号r(t)，提取接收信号总能量ε_r、平均附加时延τ_med、均方根时延τ_rms、峰度k、偏度s等信道统计特征，其中各个特征的计算公式分别为：

其中

其中

S5：各信标节点利用步骤S1的局域网，将步骤S4中得到的距离量测、脉冲信号信道统计特征等数据发送到服务器；

S6：服务器接收步骤S5中的各信标节点发送的脉冲信道统计特征，进行非视距识别，在识别基础上，利用各信标的距离量测和各信标的位置坐标，通过定位算法，估计出待测目标在相对位置坐标系中的位置坐标；

如图3所示，将提取的信道统计特征记做向量f＝[ε_r,τ_med,τ_rms,k,s]，将每一个得到的特征向量，放入训练好的支持向量机分类器，得到信号识别标签l∈{-1,+1}，l＝-1时为视距信号，l＝+1时为非视距信号。在定位阶段只使用视距信号得到的距离量测，采用传统三边定位算法就可以得到目标的位置估计；

S7：将步骤S6中得到的估计位置显示在终端显示器上，从而实现室内非视距环境下的目标定位。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法，其特征在于：该基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法的具体步骤如下：

S1：布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；将各信标坐标输入服务器，并将服务器与信标节点通过局域网相连；

S2：各信标节点响应步骤S1中服务器下达的定位指令，发射脉冲信号，搜寻待测目标；

S3：待测目标接收到步骤S2中由各信标节点发送的脉冲信号，立即反射该信号回发送节点；

S4：各信标节点接收到步骤S3中由待测目标反射回来的脉冲信号，使用与发射脉冲相同的模板信号，进而进行相关解调，进行信号时延估计得到信标节点与待测目标之间的距离量测，并进行信道统计特征提取；

S5：各信标节点利用步骤S1的局域网，将步骤S4中得到的距离量测、脉冲信号信道统计特征等数据发送到服务器；

S6：服务器接收步骤S5中的各信标节点发送的脉冲信道统计特征，进行非视距识别，在识别基础上，利用各信标的距离量测和各信标的位置坐标，通过定位算法，估计出待测目标在相对位置坐标系中的位置坐标；

S7：将步骤S6中得到的估计位置显示在终端显示器上，从而实现室内非视距环境下的目标定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述信标节点包括UWB探测器和无线通信模块，所述UWB探测器用于调制、发射、接收、解调脉冲信号，并且提取信号信道统计特征；所述局域网由路由器建立，为信标节点可以支持的无线通信协议；所述待测目标包括一个有源射频标签，可以将接收到的脉冲信号进行放大反射；所述服务器用于发起目标定位指令，下达到各个信标节点进行目标探测。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法，其特征在于：所述步骤S4中，信号信道统计特征提取具体为：信标节点接收到反射信号r(t)，提取接收信号总能量ε_r、平均附加时延τ_med、均方根时延τ_rms、峰度k、偏度s等信道统计特征，其中各个特征的计算公式分别为：

其中

其中

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB测距的室内非视距环境下的定位方法，其特征在于：所述步骤S6中，在服务器上，利用信号信道统计特征通过支持向量机分类器，识别分类脉冲信号是否为非视距传输，将识别为视距传输的信号用于定位估计，而将识别为非视距传输的信标丢弃不参与定位估计过程。