CN112986898B - 一种去中心化的信标定位*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种去中心化的信标定位***，包括：多个固定信标，以及移动信标，其特征在于，所述固定信标，处于定标模式或基站模式，当处于定标模式时，建立距离信息表并存储该固定信标与周围固定信标的距离信息；当处于基站模式时，为移动信标提供测距信息和距离信息表；所述移动信标，处于定标模式或定位模式，当处于定标模式时，建立地图信息表并存储移动信标设定的坐标系的原点信息，以及与之通信的固定信标在该坐标系下的空间坐标；当处于基站模式时，利用与之通信的固定信标的测距信息、距离信息表以及地图信息表对自身及与之通信的固定信标进行定位，利用固定信标的定位结果更新地图信息表，并输出自身的定位信息。

Description

一种去中心化的信标定位***

技术领域

本发明涉及信标定位领域，具体涉及一种去中心化的信标定位***。

背景技术

信标定位***指的是通过信标之间的通讯，获得信标的三维或者二维空间坐标，以供其他设备使用的***。信标定位***包括固定信标和移动信标两部分。固定信标安装在环境中的墙面、天花板或其他安装平面上，用于提供定位基准信息。移动信标安装在用户设备上，接收固定标签信号，计算当前的空间坐标，提供给用户设备使用。信标定位***的流程可分为建图和定位两部分；所谓建图是指建立坐标系，通过测量或标定的方式获得所有固定信标在该坐标系下的空间坐标；所谓定位是指移动信标通过与固定信标的通讯，计算出自身的实时空间坐标；定位***要先完成建图环节，才能进入定位环节提供定位信息。

现有信标定位***需要中心化的节点作为***初始化、信息沟通、节点协调、数据存储的基础；节点可以是一个专用的设备，也可以是部署在有计算功能设备上的一套软件；对于定位而言，中心化的节点最重要的功能是，指定空间坐标系，并建立和存储网络内所有固定信标的空间坐标，生成全局定位网络地图。移动信标以全局定位网络为基准，计算自身定位信息。考虑到提供精确的定位信息将是支撑智慧城市建设的重要基础设施，信标定位***面临的挑战将是城际范围的超大规模定位网络。

现有包含中心化节点的定位***面临以下几个问题：

1、稳定性差，中心节点一旦出现问题，***就会陷入瘫痪，无法正常使用；

2、扩展性差，***的任何变动都需要通过中心节点更改，网络规模越大，更改成本越高；

3、部署复杂，需要专业人员初始化整个定位网络，初始化的质量直接决定定位精度；

4、覆盖面积有限，中心节点的信号覆盖范围决定了***的使用范围；

5、通量小，中心节点的吞吐能力限制了覆盖范围内的使用用户数量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种去中心化的信标定位***，包括：多个固定信标，以及移动信标，

所述固定信标，处于定标模式或基站模式，当处于定标模式时，建立距离信息表并存储该固定信标与周围固定信标的距离信息；当处于基站模式时，为移动信标提供测距信息和距离信息表；

所述移动信标，处于定标模式或定位模式，当处于定标模式时，建立地图信息表并存储移动信标设定的坐标系的原点信息，以及与之通信的固定信标在该坐标系下的空间坐标；当处于基站模式时，利用与之通信的固定信标的测距信息、距离信息表以及地图信息表对自身及与之通信的固定信标进行定位，利用固定信标的定位结果更新地图信息表，并输出自身的定位信息。

作为上述***的一种改进，所述固定信标设置第一通道和第二通道，

所述第一通道，用于发送并监听状态信息包；所述状态信息包包括：心跳包、同步包、测距结果包、触发包、重复包和确认包；

所述第二通道，用于在标定模式下发送并监听测距包；在基站模式下监听测距包，所述测距包是用于计算信号飞行时间的一串编码时间序列。

作为上述***的一种改进，所述固定信标设置监听模块，用于通过第一通道发送包含固定信标ID号的心跳包；还用于监听其它固定信标发送的心跳包，当收到其他信标的心跳包时，则判断该心跳包是否为收到的该信标的第一个心跳包；如果为是，则进入标定模式；否则，继续监听其它固定信标发送的心跳包。

作为上述***的一种改进，将当前的固定信标记为固定信标A，接收到第一个心跳包的固定信标记为固定信标B；当固定信标A处于标定模式，固定基站A执行下述步骤：

固定信标A通过第一通道周期性向固定信标B发送同步包，同时通过第二通道向固定信标B发送测距包；

固定信标B接收到同步包和测距包后，开始计算与固定信标A的距离；

计算成功后，固定信标B将测距结果通过其第一通道发给固定信标A；

固定信标A在收到固定信标B的测距结果后，通过固定信标A的第一通道发送触发包；

固定信标B收到触发包后，通过固定信标B的第一通道周期性向固定信标A发送同步包，同时通过固定信标B的第二通道向固定信标A发送测距包；

固定信标A收到同步包和测距包后，计算其与固定信标B的距离，作为计算出的测距结果；

固定信标A判断固定信标B发送的测距结果和计算出的测距结果之差是否小于阈值；如果判断结果是肯定的，则向固定信标B发送确认包，并将计算出的测距结果存入距离信息表，退出标定模式；否则，发送重复包，重新进入标定模式。

作为上述***的一种改进，当固定信标处于基站模式，所述固定基站执行下述步骤：

实时监听移动信标发送的同步包；

当收到移动信标的同步包后，计算其与移动信标的距离，作为测距结果；

将测距结果以及本地存储的距离信息表，发送给移动信标。

作为上述***的一种改进，所述移动信标设置第一通道和第二通道；

第一通道用于发送包含编码信息的同步包，和接收固定信标发回的包含测距结果的信息包；编码信息中包含移动信标ID号及时序号；

第二通道用于发送包含编码的测距包；测距包是一串包含信标ID的编码测距信号。

作为上述***的一种改进，当移动信标处于标定模式，所述移动信标执行下述步骤：

步骤S1)通过第一通道发送同步包，同时通过第二通道发送测距包；

步骤S2)通过第一通道监听固定信标的测距结果包，当收到的测距结果个数满足定位要求：三维定位大于3个，二维定位大于2个；进入步骤S3)；

步骤S3)配置坐标原点及坐标系；根据多个固定信标发送的测距信息，以及距离信息表中固定信标之间的距离信息，采用三角同步定位算法，计算出移动信标和固定信标在该坐标系下的空间坐标；

步骤S4)通过多次的测距信息计算移动信标坐标位置，并检验定位精度是否满足要求；若满足，则进入步骤S6)，否则，进入步骤S5)；

步骤S5)在移动信标周围增加固定信标，或更换位置，转入步骤S2)；

步骤S6)将移动信标坐标位置作为坐标系的原点写入地图信息表中，同时将与之通信的固定信标在该坐标系下的空间坐标写入地图信息表中，转入定位模式。

作为上述***的一种改进，当移动信标处于定位模式，所述移动信标执行下述步骤：

通过第一通道发送同步包，同时通过第二通道发送测距包；

接收固定信标返回的测距结果，并从地图信息表中加载该固定信标的坐标值；

将加载的固定信标的坐标值和测距结果作为初值，采用三角同步定位算法，同时计算出移动信标和周围固定信标的空间坐标；

将周围固定信标的空间坐标重新写入地图信息表中，并输出移动信标的定位信息。

作为上述***的一种改进，所述将加载的固定信标的坐标值和测距结果作为初值，采用三角同步定位算法，同时计算出移动信标和周围固定信标的空间坐标；具体包括：

列出各信标之间的距离方程，并与测距结果作差得到误差项：

其中，(x₀,y₀,z₀)为移动坐标的位置，(x_i,y_i,z_i)为向移动坐标发送测距结果的第i个固定信标的坐标值，1≤i≤N，N为向移动坐标发送测距结果的固定信标的个数；(x₀,y₀,z₀)和(x_i,y_i,z_i)为待求解参数；固定信标和移动信标之间测距结果d_i0、各固定信标之间的测距结果d_ij为已知参数，其中，各固定信标之间的测距d_ij通过距离信息表获取到；

为固定信标和移动信标之间的实际距离，

为误差；

为第i个固定信标和第j个固定信标之间的实际距离，

为误差；

利用非线性优化法求解满足所有误差项平方和f最小的N+1个空间位置(x₀,y₀,z₀)、(x₁,y₁,z₁)、…、(x_N,y_N,z_N)：

其中，在地图信息表中有记录的固定信标的坐标值可作为其迭代初值，而没有记录的固定信标，可随机生成一组坐标值作为其迭代初值。

将计算出的周围固定信标的空间坐标(x₁,y₁,z₁)、…、(x_N,y_N,z_N)，对地图信息表中的信息进行更新，并输出移动信标的定位信息(x₀,y₀,z₀)。

本发明的优势在于：

1、稳定性强，***运行不依赖某一个信标，只需要满足同时可见3个以上信标即可提供定位信息；

2、安装部署简便，固定标签之间直接通讯，存储相互之间的距离信息，无需初始化***，标定定位***原点；

3、定位网络灵活，可随时增减网络内部信标，更改不影响网络中的已有信标运行；

4、信标资源共用共享，信标不属于任何一个定位***，移动信标覆盖范围内的所有固定信标均可被使用。

附图说明

图1为本发明的信标定位***的信标配置和信标定位两个状态示意图；

图2为本发明的固定信标的两个模式示意图；

图3为本发明的固定信标的安装示意图；

图4为本发明的固定信标的初始化的流程图；

图5为本发明的固定信标标定模式的时序图；

图6为本发明的固定信标基站模式的流程图；

图7为本发明的移动信标的两个模式示意图；

图8为本发明的移动信标的初始化的流程图；

图9为本发明的移动信标标定模式的时序图；

图10为本发明的移动信标定位模式的流程图；

图11为三角同步定位算法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的技术方案原理：以局部坐标系概念替代全局坐标系概念，在建图环节不建立全局坐标系；固定信标存储与周围信标的距离信息，以距离信息替代空间坐标信息作为同移动信标交换的媒介；移动信标借助三角同步定位算法，同时计算移动信标以及固定信标的空间坐标。

本发明的信标定位***可分为两类信标：固定信标和移动信标；为了方便表述，***可分为信标配置和信标定位两个状态。这两个状态是自循环的和独立的，而不是前后依赖的。

信标配置是指固定信标的工作状态，主要目的是测量与周围固定信标的距离关系；当有固定信标发生改变，如增加、替换、减少等操作时，只影响该信标通讯覆盖范围内的固定信标，而不影响其他信标。信标定位是指移动信标的工作状态，主要目的是通过与固定信标通信，输出移动信标的空间坐标以及地图的信息，以供用户使用。如图1所示。

固定信标主要有两个模式：标定模式和基站模式，通过两个通道(通道1和通道2)进行通讯；如图2所示。

标定模式：

通道1：发送并监听状态信息包；

通道2：发送并监听测距包；

基站模式：

通道1：发送并监听状态信息包；

通道2：监听测距包；

通道1需要常开，可采用低功耗的通讯方式；

通道2发送功耗大，为了延长使用时间，在基站模式下采用单接收模式；

状态信息包目的是协调固定标签之间的收发关系，如心跳包、同步包、测距结果包、触发包、重复包、确认包等等；

测距包是用于计算信号飞行时间的一串编码时间序列，如调频信号(FM)、调幅信号(AM)、码分多址信号(CDMA)等等；

固定信标中需要存储距离信息表，该表中记录与周围固定信标的距离信息；

表1距离信息表

信标	距离
		固定信标1
固定信标2
		……

固定信标安装：对于三维定位***而言，每个信标的周围至少有三个及以上的其他信标；对于二维定位***而言，每个信标的周围至少有两个及以上的其他信标；信标之间保证直接可视，中间无遮挡；信标组成的凸多边形内部属于工作区，提供的定位准确度高。如图3所示。

固定信标初始化：固定信标上电后进入初始化状态，等待分配ID号或自主生成ID号；通过通道1，开始发送包含信标ID号的心跳包；同时，监听周围信标发送的心跳包。当收到其他信标的心跳包时，则判断是否第一次收到该心跳包；如果是第一次收到，则进入标定模式；否则，继续监听心跳包；退出标定模式后，判断与周围标签已确认距离的个数是否满足定位要求，即二维定位大于2个，三维定位大于3个；如果满足，则保存该信息到距离信息表中，并进入基站模式；否则，继续监听心跳包。如图4所示。

固定信标标定模式：

以2个固定信标为例，其中信标2新加入网络；信标2通过心跳包发现网络中的信标1，进入标定模式；如图5所示。

步骤101)信标2周期性的通过通道1发送同步包，同时通过通道2发送测距包；

步骤102)信标1接收到同步包和测距包后，开始计算与信标2的距离；

步骤103)计算成功后，信标1将测距结果通过通道1，发给信标2；

步骤104)信标2在收到信标1的测距结果后，发送触发包；

步骤105)信标1收到触发包后，开始发送同步包和测距包；

步骤106)信标2收到同步包和测距包后，开始计算与信标1的距离；

步骤107)判断信标1发送的测距结果和计算出的测距结果是否一致。

步骤108)如果测量结果一致，则发送确认包，退出标定模式；否则，发送重复包，并重复步骤1)；

步骤109)信标1收到确认包后，退出标定模式；否则，进入步骤102)；

如果同时收到多个信标的心跳包，则依次标定信标距离；

固定信标基站模式：

进入基站模式后，信标开始为移动信标提供服务；如图6所示：

步骤201)实时监听移动信标发送的同步包；

步骤202)收到后，开始计算与移动信标的距离；

步骤203)计算出结果后，将测距结果以及存储的距离信息表，发送给移动信标；

步骤204)监听是否有新加入的固定标签；如果有新加入的固定标签，则退出基站模式，进入标定模式。

移动信标

移动信标主要有两个模式(标定、定位)，通过两个通道通讯；如图7所示：

通道1用于发送包含编码信息的同步包和接收固定信标发回的包含测距结果的信息包；编码信息中包含信标ID号及时序号，用于区分；

通道2用于发送包含编码的测距包；测距包是一串包含信标ID的编码测距信号。一方面，用于提高测距精度；另一方面，用于同其他移动信标发出信号做出区分；

通道1采用低功耗的通讯方式，需要常开；通道2采用高功率的通讯方式，保证测距信号足够强，提高定位精度；

移动信标中需要存储地图信息表，该表中包含移动信标设定的坐标系及原点信息，以及固定信标在该坐标系下的空间坐标；

表2地图信息表

信标	x	y	z
				原点
固定信标1
				固定信标2
……

移动信标初始化：移动信标初始化阶段目的是确定***是否需要标定坐标系及原点；信标上电后，检测是否第一次使用，即判断信标中是否存在地图信息表；如果不存在，则直接进入标定模式；否则，询问是否重置坐标系配置；如果选择不重置，则直接进入定位模式；否则，进入标定模式；如图8所示。

移动信标标定模式：标定模式的目的是标定该信标的空间坐标系及原点，如图9所示，标定流程如下：

步骤301)通过通道1发送同步包，同时通过通道2发送测距包；

步骤302)通过通道1监听固定信标的测距结果包，等待收到的测距结果个数满足定位要求(三维定位大于3个，二维定位大于2个)；

步骤303)当个数满足时，开始配置坐标原点及坐标系，可由用户指定，亦可以信标自身位置作为原点；

步骤304)根据多个固定信标发送的测距信息，以及固定信标之间的距离信息，采用三角同步定位算法，计算出移动信标和固定信标在该坐标系下的空间坐标；

步骤305)通过多次的测距信息计算坐标位置，对比坐标结果是否稳定，以检验定位精度是否满足要求；

步骤306)如果不满足，可通过增加固定标签个数或更换位置解决，进入步骤302)；

步骤307)移动信标空间坐标确定后，将坐标系及原点记入地图信息表中，信标进入定位模式；

如图10所示，移动信标定位模式：

步骤401)进入定位模式后，判断是否需要重置坐标系。如果需要则进入标定模式；否则，开始测距；

步骤402)开始实时测距，测距同样由移动信标发送同步包和测距包，接收固定标签返回的测距结果；

步骤403)每收到一次固定信标返回的测距结果，则从地图信息表中加载该固定信标的历史坐标，作为三角同步定位算法的初值；

步骤404)利用三角同步定位算法，同时计算出移动信标和周围固定信标的空间坐标；

如图11所示，5个固定信标：固定信标A、固定信标B、固定信标C、固定信标D和固定信标E；三角同步定位算法以三角定位和最小二乘为基础；

列出各信标之间的距离方程，并与测距结果作差得到误差项：

其中，(x₁,y₁,z₁)为移动坐标的位置，(x_a,y_a,z_a)为向移动坐标发送测距结果的固定信标A的坐标值；(x₁,y₁,z₁)、(x_a,y_a,z_a)、…、(x_e,y_e,z_e)为待求解参数；固定信标和移动信标之间测距结果、各固定信标之间的测距结果为已知参数，e_a1等为误差；e_ab等为误差；

利用非线性优化法(如梯度下降、牛顿迭代、共轭梯度法)，求解满足所有误差项平方和f最小的6个空间位置(x₁,y₁,z₁)、(x_a,y_a,z_a)、…、(x_e,y_e,z_e)：

其中，在地图信息表中有记录的固定信标的坐标值可作为其迭代初值，而没有记录的固定信标，可随机生成一组坐标值作为其迭代初值。

步骤405)将计算出的5个固定信标的空间坐标(x_a,y_a,z_a)、…、(x_e,y_e,z_e)，对地图信息表中的信息进行更新，并输出移动信标的定位信息(x₁,y₁,z₁)；

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种去中心化的信标定位***，包括：多个固定信标，以及移动信标，其特征在于，

所述固定信标，处于定标模式或基站模式，当处于定标模式时，建立距离信息表并存储该固定信标与周围固定信标的距离信息；当处于基站模式时，为移动信标提供测距信息和距离信息表；

所述移动信标，处于定标模式或定位模式，当处于定标模式时，建立地图信息表并存储移动信标设定的坐标系的原点信息，以及与之通信的固定信标在该坐标系下的空间坐标；当处于定位模式时，利用与之通信的固定信标的测距信息、距离信息表以及地图信息表对自身及与之通信的固定信标进行定位，利用固定信标的定位结果更新地图信息表，并输出自身的定位信息。

2.根据权利要求1所述的去中心化的信标定位***，其特征在于，所述固定信标设置第一通道和第二通道，

所述第一通道，用于发送并监听状态信息包；所述状态信息包包括：心跳包、同步包、测距结果包、触发包、重复包和确认包；

所述第二通道，用于在定标模式下发送并监听测距包；在基站模式下监听测距包，所述测距包是用于计算信号飞行时间的一串编码时间序列。

3.根据权利要求2所述的去中心化的信标定位***，其特征在于，所述固定信标设置监听模块，用于通过第一通道发送包含固定信标ID号的心跳包；还用于监听其它固定信标发送的心跳包，当收到其他信标的心跳包时，则判断该心跳包是否为收到的该信标的第一个心跳包；如果为是，则进入定标模式；否则，继续监听其它固定信标发送的心跳包。

4.根据权利要求3所述的去中心化的信标定位***，其特征在于，将当前的固定信标记为固定信标A，接收到第一个心跳包的固定信标记为固定信标B；当固定信标A处于定标模式，固定信标A执行下述步骤：

固定信标A通过第一通道周期性向固定信标B发送同步包，同时通过第二通道向固定信标B发送测距包；

固定信标B接收到同步包和测距包后，开始计算与固定信标A的距离；

计算成功后，固定信标B将测距结果通过其第一通道发给固定信标A；

固定信标A在收到固定信标B的测距结果后，通过固定信标A的第一通道发送触发包；

固定信标B收到触发包后，通过固定信标B的第一通道周期性向固定信标A发送同步包，同时通过固定信标B的第二通道向固定信标A发送测距包；

固定信标A收到同步包和测距包后，计算其与固定信标B的距离，作为计算出的测距结果；

固定信标A判断固定信标B发送的测距结果和计算出的测距结果之差是否小于阈值；如果判断结果是肯定的，则向固定信标B发送确认包，并将计算出的测距结果存入距离信息表，退出定标模式；否则，发送重复包，重新进入定标模式。

5.根据权利要求3所述的去中心化的信标定位***，其特征在于，当固定信标处于基站模式，所述固定信标执行下述步骤：

实时监听移动信标发送的同步包；

当收到移动信标的同步包后，计算其与移动信标的距离，作为测距结果；

将测距结果以及本地存储的距离信息表，发送给移动信标。

6.根据权利要求5所述的去中心化的信标定位***，其特征在于，所述移动信标设置第一通道和第二通道；

第一通道用于发送包含编码信息的同步包，和接收固定信标发回的包含测距结果的信息包；编码信息中包含移动信标ID号及时序号；

第二通道用于发送包含编码的测距包；测距包是一串包含信标ID的编码测距信号。

7.根据权利要求6所述的去中心化的信标定位***，其特征在于，当移动信标处于定标模式，所述移动信标执行下述步骤：

步骤S1)通过第一通道发送同步包，同时通过第二通道发送测距包；

步骤S2)通过第一通道监听固定信标的测距结果包，当收到的测距结果个数满足定位要求：三维定位大于3个，二维定位大于2个；进入步骤S3)；

步骤S3)配置坐标原点及坐标系；根据多个固定信标发送的测距信息，以及距离信息表中固定信标之间的距离信息，采用三角同步定位算法，计算出移动信标和固定信标在该坐标系下的空间坐标；

步骤S4)通过多次的测距信息计算移动信标坐标位置，并检验定位精度是否满足要求；若满足，则进入步骤S6)，否则，进入步骤S5)；

步骤S5)在移动信标周围增加固定信标，或更换位置，转入步骤S2)；

步骤S6)将移动信标坐标位置作为坐标系的原点写入地图信息表中，同时将与之通信的固定信标在该坐标系下的空间坐标写入地图信息表中，转入定位模式。

8.根据权利要求7所述的去中心化的信标定位***，其特征在于，当移动信标处于定位模式，所述移动信标执行下述步骤：

通过第一通道发送同步包，同时通过第二通道发送测距包；

接收固定信标返回的测距结果，并从地图信息表中加载该固定信标的坐标值；

将加载的固定信标的坐标值和测距结果作为初值，采用三角同步定位算法，同时计算出移动信标和周围固定信标的空间坐标；

将周围固定信标的空间坐标重新写入地图信息表中，并输出移动信标的定位信息。

9.根据权利要求8所述的去中心化的信标定位***，其特征在于，所述将加载的固定信标的坐标值和测距结果作为初值，采用三角同步定位算法，同时计算出移动信标和周围固定信标的空间坐标；具体包括：

列出各信标之间的距离方程，并与测距结果作差得到误差项：

其中，(x₀,y₀,z₀)为移动坐标的位置，(x_i,y_i,z_i)为向移动坐标发送测距结果的第i个固定信标的坐标值，1≤i≤N，N为向移动坐标发送测距结果的固定信标的个数；(x₀,y₀,z₀)和(x_i,y_i,z_i)为待求解参数；固定信标和移动信标之间测距结果d_i0、各固定信标之间的测距结果d_ij为已知参数，其中，各固定信标之间的测距d_ij通过距离信息表获取到；

为固定信标和移动信标之间的实际距离，

为误差；

为第i个固定信标和第j个固定信标之间的实际距离，

为误差；

利用非线性优化法求解满足所有误差项平方和f最小的N+1个空间位置(x₀,y₀,z₀)、(x₁,y₁,z₁)、…、(x_N,y_N,z_N)：

其中，在地图信息表中有记录的固定信标的坐标值可作为其迭代初值，而没有记录的固定信标，可随机生成一组坐标值作为其迭代初值；

将计算出的周围固定信标的空间坐标(x₁,y₁,z₁)、…、(x_N,y_N,z_N)，对地图信息表中的信息进行更新，并输出移动信标的定位信息(x₀,y₀,z₀)。

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