[发明专利]一种超宽带室内定位方法

说明书

本发明提供一种超宽带室内定位方法，主要为了解决目前超宽带室内定位系统精度低、用户数量受限、时间同步误差大等问题。首先建立室内导航坐标系，并布置基站；其次基站按照系统信号交流机制发射定位信号，使用户所持定位设备只被动接收来自基站的测距信号；然后利用卡尔曼滤波算法的时钟偏差补偿算法，在算法上实现时钟同步；最后通过泰勒迭代算法求解出用户的坐标。本发明可实现无限定位设备的同时实现室内三维精确定位，不需要额外的硬件网络实现时钟同步，定位设备只需接收定位信号而不需发射信号，能够在视距场景和非视距场景间平稳切换。

技术领域

本发明涉及超宽带(UWB：Ultra-wide band)通信领域，特别涉及基于超宽带的室内无线定位方法。

背景技术

超宽带技术是一种的无线通信技术，具有纳秒级别的时间分辨能力、高速传输速率、对信道衰落不敏感、有良好的抗多径干扰能力等优点，特别适合于室内定位系统的应用。

现有的超宽带定位方法主要有：基于接收信号强度(RSS：Received SignalStrength)、基于到达角(AOA：Angle of Arrival)、基于到达时间(TOA：Time of Arrival)、基于到达时间差(TDOA：Time Difference of Arrival)、以及基于它们的组合形式。RSS是用于估计节点间传输距离的一种有用的参量。该参量可以使用较低复杂度的电路在数据通信中测量获得，因此RSS被广泛应用于室内定位，但是对RSS和传输距离之间的关系建立精确的数学模型非常困难，因此基于RSS的定位系统具有有限的定位精度。AOA不适合用户超宽带定位系统，因为信号路径数量可能非常大，导致精确的角度估计变得非常难。TOA和TDOA是超宽带系统中最常用的设计方案，因为这种基于时间测距的方式最能体现超宽带信号超高时间分辨率的特点。TOA可以进一步分为单向测距法(OWR：One-Way TOA Ranging)和双向测距法(TWR：Two-Way TOA Ranging)。OWR和TDOA都要求高精度的时钟同步，这在实际工程中实现起来比较困难。TWR也叫做基于双程时间(RTT：Round Trip Time)，是个很好的超宽带室内定位系统方案，因为该方式可以避免时钟同步问题。然而，基于RTT设计的超宽带室内定位系统有两个缺陷：一是系统中的设备的时间分辨率没有补偿，时间同步问题不能完全解决；二是系统中的基站和定位设备采用双向交流的，限制了用户的数量。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种有效解决设备时间同步问题且不限制用户数量的超宽带室内定位方法。

本发明的实现包括以下步骤：

步骤一：在室内建立空间直角坐标系，将基站布置在室内空间，测量并记录各个基站的坐标，选定其中一个基站为主基站，测量并记录主基站到其它基站的距离；

步骤二：基站按照信号交流机制发射室内定位信号，室内定位设备接收室内定位信号，利用卡尔曼滤波进行时钟偏差补偿；

所述的信号交流机制具体描述为：以其中一个基站为主基站，用于协调系统信号交流机制，向其它所有基站以及用户所持的室内定位设备发送测距信号并提供其时间信息。其他基站为副站，在主基站的控制下，分别向定位设备和主基站发送测距信号并提供其时间信息。定位设备通过接收各个基站的测距信号，以及各个基站和自身的时间信息完成定位。

系统信号交流机制以组为单位进行信号交流：主基站发送一个测距信号，其他任意一个副站和定位设备分别接收来自主基站信号；接着，该副站经过延迟发送另一个测距信号，然后主基站和定位设备分别接收来自该副站的信号，至此完成一组信号交流。其它组的信号交流类似。全部信号交流时序组成系统信号交流机制的一个周期。

所涉及时钟偏差补偿方法包含如下过程：

1)从信号交流机制中分离出一组信号交流过程，利用接收信号和发射信号模型建立时间的数学模型；